Corrosion au point de rosée dans la récupération de chaleur des gaz de combustion : sélection des matériaux pour les échangeurs de chaleur à plaques

La récupération de chaleur des gaz de combustion améliore l'efficacité énergétique industrielle en réduisant la consommation de combustible et la température des gaz d'échappement, mais le fonctionnement à basse température augmente le risque de Corrosion au point de rosée des gaz de combustion , en particulier dans les gaz contenant du soufre, des chlorures, de l'humidité, de la poussière, des gaz d'échappement de biomasse, des gaz résiduaires ou des émissions de procédés chimiques. Pour les échangeurs de chaleur platulaires ou les échangeurs de chaleur à plaques de gaz soudées, ce risque doit être évalué tôt car les canaux compacts à plaques soudées peuvent créer des surfaces froides locales. Si la température de la paroi métallique descend en dessous du point de rosée acide, de l'acide sulfurique, de l'acide chlorhydrique ou d'autres condensats acides peuvent se former et provoquer une corrosion rapide.

Clé à retenir

●  La condensation acide commence en dessous du point de rosée acide.

●  La température minimale des parois est plus importante que la température moyenne du gaz.

●  SO₃, HCl, HF, l'humidité, l'oxygène, la poussière et les dépôts augmentent le risque de corrosion.

●  Les plaques froides, les soudures et les zones à faible débit sont des zones à risque clés.

●  La sélection des matériaux doit correspondre à la chimie du gaz et à la gravité du condensat.

●  L'acier 316L, l'acier duplex, l'acier fortement allié et les alliages de nickel conviennent à différents risques.

●  Le contrôle de la température des murs est aussi important que le matériau résistant à la corrosion.

●  L'espacement des plaques, la répartition du débit, le drainage et l'accès au nettoyage affectent la durée de vie.

●  Une conception personnalisée est généralement requise pour la récupération des gaz de combustion corrosifs.

 

Qu’est-ce que la corrosion au point de rosée des gaz de combustion ?

Comment se forme le point de rosée acide dans les gaz de combustion

La corrosion au point de rosée des gaz de combustion se produit lorsque la vapeur acide des gaz de combustion se condense sur les surfaces métalliques et forme un film liquide corrosif. Dans les systèmes de combustion contenant du soufre, le soufre est principalement converti en SO₂, et une partie peut s'oxyder en SO₃. Lorsque le SO₃ réagit avec la vapeur d’eau, de la vapeur d’acide sulfurique se forme et peut se condenser à une température bien supérieure au point de rosée normal de l’eau.

Dans les gaz d'échappement contenant du chlorure, l'acide chlorhydrique peut également exister sous forme de vapeur ou de condensat. Lorsque HCl, HF, SO₃ et vapeur d'eau coexistent, le condensat peut devenir très acide et corrosif pour l'acier au carbone et même pour certains aciers inoxydables. Par conséquent, le point de rosée acide doit être évalué en fonction de la composition réelle des gaz de combustion, et non seulement de la teneur en vapeur d'eau.

Pourquoi la température moyenne des gaz n'est pas suffisante

Un système de récupération de chaleur peut sembler sûr lorsque la température moyenne de sortie des gaz de combustion est supérieure au point de rosée acide, mais la corrosion est contrôlée par la température réelle de la surface métallique. Dans les échangeurs compacts à plaques soudées, la température de la paroi des plaques peut être inférieure à la température du gaz global, en particulier près de l'extrémité froide ou des zones fortement refroidies par le gaz du côté froid.

Les zones vulnérables comprennent les plaques d'extrémité froide, les coins d'entrée, les zones de mauvaise répartition du flux, les passages à faible vitesse et les surfaces proches des canaux d'air froid. Le fonctionnement à faible charge, les conditions hivernales, le débit excessif du côté froid, le démarrage et l’arrêt peuvent encore abaisser la température des parois. Par conséquent, l’évaluation doit se concentrer sur la température minimale de la paroi de la plaque dans des conditions normales et transitoires.

Modèles de dégâts courants

Signes typiques de La corrosion au point de rosée des gaz de combustion comprend les piqûres, l'amincissement des parois, la perforation des plaques, les dépôts acides, les fuites et l'augmentation de la chute de pression due aux produits de corrosion ou à l'encrassement. Les piqûres localisées sont particulièrement dangereuses pour les plaques minces de transfert de chaleur, car elles peuvent pénétrer dans la paroi plus rapidement qu'une corrosion uniforme.

Dans les échangeurs de chaleur platulaires, les cordons de soudure, les bords des plaques, les zones froides, les points de drainage et les zones couvertes de dépôts nécessitent une inspection spéciale. Le condensat acide peut être piégé dans les crevasses ou sous les dépôts, provoquant un long contact acide-métal et une grave corrosion sous-dépôt ou caverneuse.

Pourquoi les échangeurs de chaleur plats nécessitent une attention particulière

Structure compacte en plaques soudées

Un échangeur de chaleur platulaire utilise des plaques métalliques soudées pour former des canaux de gaz, permettant un transfert de chaleur efficace de gaz à gaz à travers de fines parois de plaques. Cette structure compacte améliore l’efficacité de la récupération de chaleur et réduit la taille des équipements, ce qui la rend adaptée à la récupération de chaleur industrielle. Cependant, un fort refroidissement du côté froid peut abaisser la température locale de la paroi en dessous du point de rosée acide, l'efficacité doit donc être équilibrée avec la protection contre la corrosion.

Construction soudée et sensibilité à la corrosion

Les échangeurs de chaleur à plaques à gaz Prandtl utilisent une construction entièrement soudée et des tests de pression pour garantir une étanchéité à long terme entre les flux de gaz. Dans des conditions de point de rosée acide, la qualité des soudures et la compatibilité des matériaux sont essentielles car les bords des soudures, les zones affectées par la chaleur, les coins et les bords des plaques peuvent se corroder en premier. La conception doit prendre en compte le matériau de base, les consommables de soudage, les procédures de soudage, l'état de surface, les méthodes d'inspection, la répartition de la température et l'évacuation des condensats.

Dilatation thermique et fiabilité structurelle

Les équipements de récupération de chaleur des gaz à haute température doivent résister à la dilatation thermique, aux contraintes thermiques et aux changements de charge répétés. La conception de l'échangeur thermique à plaques à gaz de Prandtl prend en compte la fiabilité structurelle dans des conditions de service à haute température afin de réduire les risques de déformation, de fatigue des soudures et de fuite. Dans les applications de corrosion au point de rosée, des matériaux résistants à la corrosion, une flexibilité structurelle, un support approprié et un fonctionnement contrôlé sont nécessaires, car la corrosion et les contraintes peuvent accélérer les dommages ensemble.

Encrassement et corrosion sous-dépôt

La poussière, les cendres, la suie, la poudre de catalyseur, les sels et les particules collantes peuvent s'accumuler sur les surfaces de transfert de chaleur et absorber les condensats acides. Ces dépôts peuvent maintenir le métal humide et créer un microenvironnement corrosif même après que la température du gaz dépasse le point de rosée. Par conséquent, l'espacement des plaques, la vitesse du gaz, la chute de pression, l'accès au nettoyage et les caractéristiques d'encrassement doivent être optimisés en fonction de la charge de poussière, des propriétés des particules, du risque de corrosion et des conditions de maintenance.

 

Zones à risque dans les échangeurs de chaleur platulaires

 

Principaux facteurs affectant la corrosion du point de rosée des gaz de combustion

Composition des gaz de combustion

La gravité de la corrosion du point de rosée des gaz de combustion dépend du SO₂, du SO₃, du HCl, du HF, de la vapeur d'eau, de l'oxygène, du NOₓ, de la poussière, des sels alcalins et d'autres composants du procédé. Le SO₃ affecte principalement le point de rosée de l’acide sulfurique, tandis que les sels de HCl et de chlorure augmentent les risques de piqûres et de corrosion caverneuse, en particulier sur les aciers inoxydables. Par conséquent, la sélection des matériaux doit être basée sur la composition du gaz mesurée ou estimée de manière fiable.

Température de la surface métallique

La corrosion du point de rosée des gaz de combustion commence lorsque la température de la surface métallique tombe en dessous du point de rosée acide et qu'un condensat acide se forme. Une conception sûre doit évaluer la température minimale des parois, en particulier au niveau des plaques froides des échangeurs de chaleur platulaires, plutôt que de vérifier uniquement les températures d'entrée et de sortie du gaz. Une faible charge, un débit côté froid élevé, un fonctionnement hivernal, un démarrage et un arrêt peuvent nécessiter une marge de température, une dérivation, une récupération par étapes, un contrôle du débit ou un préchauffage.

Flux de gaz et dépôts

Le flux de gaz affecte le transfert de chaleur, la chute de pression, l'encrassement, l'érosion et la corrosion. Une faible vitesse peut provoquer le dépôt de poussière et la rétention d'acide, tandis qu'une vitesse excessive peut augmenter l'érosion et la puissance du ventilateur. La distribution du débit, la conception du collecteur, les plaques de guidage et la configuration entrée/sortie doivent être optimisées pour éviter les zones trop refroidies et les zones à faible débit sujettes aux dépôts.

Conditions de nettoyage et d’entretien

Les conditions de maintenance influencent directement le contrôle de la corrosion car les dépôts acides peuvent provoquer une défaillance prématurée, même sur les alliages résistants à la corrosion. Les portes d'inspection, les ports de nettoyage, les points de drainage, les méthodes d'élimination de la suie et les dispositions de conduits accessibles doivent être pris en compte lors de la phase d'aménagement. Si le temps d'arrêt est court ou si l'accès est limité, la conception doit mettre l'accent sur la prévention de l'encrassement, un nettoyage plus facile et une sélection de matériaux plus conservatrice.

Tableau de comparaison des matériaux

 

Concevoir des stratégies pour réduire le risque de corrosion

Maintenez les surfaces critiques au-dessus du point de rosée acide

Le moyen le plus efficace de réduire la corrosion consiste à maintenir les surfaces métalliques critiques au-dessus du point de rosée acide. Le point de rosée acide et la température minimale de la paroi de la plaque doivent être évalués ensemble lors de la conception thermique, car un condensat acide continu peut toujours endommager les alliages de haute qualité. Si la température de sortie est trop basse, un contrôle de dérivation, une récupération par étapes, un débit côté froid ajusté, une recirculation ou un contrôle de la température minimale peuvent être nécessaires.

Optimiser l'espacement des plaques et la vitesse du gaz

L'espacement des plaques affecte le transfert de chaleur, la chute de pression, l'encrassement et le nettoyage. Les canaux étroits améliorent le transfert de chaleur et la compacité mais peuvent augmenter le risque de blocage, tandis que les canaux plus larges améliorent la tolérance à l'encrassement mais nécessitent une plus grande surface de transfert de chaleur. Les échangeurs de chaleur à plaques à gaz Prandtl peuvent être personnalisés pour équilibrer l'efficacité de la récupération de chaleur, le contrôle de l'encrassement, la chute de pression et la protection contre la corrosion.

Améliorer la distribution du flux

Une bonne répartition du débit permet de maintenir une température uniforme et de réduire le risque de corrosion. Une distribution inégale du gaz peut créer des canaux trop refroidis ou des zones d'encrassement à faible vitesse où s'accumulent les condensats et les dépôts. Des configurations de flux telles que le type U, le type W, le type S, le type I, le type L ou des structures personnalisées peuvent être sélectionnées en fonction de la disposition des conduits et des besoins du processus.

Fournir un accès au nettoyage, au drainage et à l’inspection

Les condensats et dépôts acides ne doivent pas rester longtemps à l’intérieur de l’échangeur. Les points de drainage, les ouvertures d'inspection, les sections de conduits amovibles et les méthodes de nettoyage appropriées doivent être pris en compte lors de la phase d'aménagement. Pour les gaz poussiéreux ou corrosifs, la structure et le matériau de l'échangeur doivent correspondre à la méthode de nettoyage prévue, telle que le nettoyage manuel, le soufflage de suie, l'air pulsé ou le lavage à l'eau.

Contrôler les conditions de démarrage et d'arrêt

Le démarrage et l'arrêt sont souvent les périodes les plus corrosives car le métal froid ou les surfaces de refroidissement peuvent favoriser la condensation acide. Les procédures d'exploitation doivent inclure un chauffage contrôlé, une opération de séchage, une évacuation des condensats et l'évitement de longues périodes de stagnation humide. Dans certains systèmes, les gaz de combustion corrosifs doivent être évités jusqu'à ce que l'échangeur atteigne une température sûre.

 

Conclusion

La corrosion au point de rosée des gaz de combustion constitue un risque majeur dans la récupération de chaleur des gaz de combustion à basse température. Les condensats acides peuvent attaquer les plaques de transfert de chaleur, les soudures, les conduits, les zones de drainage et les surfaces froides, en particulier lorsque du SO₃, du HCl, du HF, de l'humidité, de la poussière et des dépôts sont présents.

Pour les échangeurs de chaleur platulaires, une sélection fiable des matériaux nécessite une évaluation du point de rosée acide, un contrôle minimum de la température des parois, une optimisation de la distribution du débit, une gestion de l'encrassement, un examen des chutes de pression, un accès pour le nettoyage, une conception du drainage et un contrôle des procédures de fonctionnement.

L'acier au carbone, 304, 316L, l'acier inoxydable duplex, l'acier inoxydable fortement allié, les alliages à base de nickel et les revêtements protecteurs ont chacun des limites d'application. Le choix correct dépend de la composition réelle des gaz de combustion, de la gravité des condensats, de la température de fonctionnement, des conditions de maintenance et du coût du cycle de vie. Nanjing Prandtl Heat Exchange Equipment Co., Ltd. peut fournir des solutions personnalisées d'échangeur de chaleur à plaques à gaz basées sur des données de processus réelles pour un fonctionnement sûr, efficace et à long terme.

 

FAQ

Quelles sont les causes de la corrosion au point de rosée des gaz de combustion ?

La corrosion du point de rosée des gaz de combustion est causée par la condensation de vapeurs acides sur les surfaces métalliques lorsque la température de la surface tombe en dessous du point de rosée acide. Les condensats courants comprennent l'acide sulfurique provenant du SO₃ et de la vapeur d'eau, ainsi que l'acide chlorhydrique provenant du gaz contenant du chlorure.

Quel matériau convient le mieux à la corrosion au point de rosée des gaz de combustion ?

Il n’existe pas de meilleur matériau universel. Le 316L peut convenir à un service modéré, l'acier inoxydable duplex ou fortement allié peut convenir à une exposition plus forte aux chlorures ou aux acides mixtes, et des alliages à base de nickel peuvent être nécessaires pour des conditions de condensat sévères.

L’acier inoxydable peut-il empêcher complètement la corrosion par le point de rosée ?

L'acier inoxydable peut réduire le risque de corrosion, mais les chlorures, les condensats à faible pH, l'acide sulfurique, les crevasses, les dépôts et la basse température des parois peuvent toujours provoquer des piqûres ou une corrosion caverneuse.