Korozja punktu rosy w odzyskiwaniu ciepła ze spalin: dobór materiału na płytowe wymienniki ciepła

Odzyskiwanie ciepła ze spalin poprawia efektywność energetyczną przemysłu poprzez zmniejszenie zużycia paliwa i temperatury spalin, ale praca w niskiej temperaturze zwiększa ryzyko korozja punktu rosy gazów spalinowych , szczególnie w gazach zawierających siarkę, chlorki, wilgoć, pyły, spaliny z biomasy, gazy odlotowe lub emisje z procesów chemicznych. W przypadku płytowych wymienników ciepła lub spawanych gazowych wymienników ciepła ryzyko to należy ocenić wcześnie, ponieważ zwarte spawane kanały płytowe mogą tworzyć lokalne zimne powierzchnie. Jeśli temperatura ścianki metalu spadnie poniżej kwaśnego punktu rosy, może powstać kwas siarkowy, kwas solny lub inne kwaśne kondensaty, które powodują szybką korozję.

Klucz na wynos

●  Kondensacja kwasu rozpoczyna się poniżej kwaśnego punktu rosy.

●  Minimalna temperatura ścian ma większe znaczenie niż średnia temperatura gazu.

●  SO₃, HCl, HF, wilgoć, tlen, pył i osady zwiększają ryzyko korozji.

●  Płyty zimnego końca, spoiny i obszary o niskim przepływie to kluczowe strefy ryzyka.

●  Wybór materiału musi odpowiadać składowi chemicznemu gazu i intensywności kondensatu.

●  Stal 316L, stal dupleks, stal wysokostopowa i stopy niklu odpowiadają różnym zagrożeniom.

●  Kontrola temperatury ścian jest równie ważna jak materiał odporny na korozję.

●  Rozstaw płyt, rozkład przepływu, drenaż i dostęp do czyszczenia wpływają na żywotność.

●  Do odzyskiwania korozyjnych gazów spalinowych zwykle wymagana jest konstrukcja dostosowana do indywidualnych potrzeb.

 

Co to jest korozja punktu rosy gazów spalinowych?

Jak tworzy się kwaśny punkt rosy w spalinach

Korozja punktu rosy gazów spalinowych występuje, gdy kwaśne opary zawarte w spalinach skraplają się na powierzchniach metalowych i tworzą korozyjną warstwę cieczy. W systemach spalania zawierających siarkę siarka przekształca się głównie w SO₂, a jej część może utlenić się do SO₃. Kiedy SO₃ reaguje z parą wodną, ​​tworzą się pary kwasu siarkowego, które mogą ulegać kondensacji w temperaturze znacznie wyższej niż normalny punkt rosy wody.

W spalinach zawierających chlorki kwas solny może również występować w postaci pary lub kondensatu. Kiedy HCl, HF, SO₃ i para wodna współistnieją, kondensat może stać się silnie kwaśny i powodować korozję stali węglowej, a nawet niektórych stali nierdzewnych. Dlatego też kwaśny punkt rosy należy oceniać na podstawie rzeczywistego składu gazów spalinowych, a nie tylko zawartości pary wodnej.

Dlaczego średnia temperatura gazu nie wystarczy

System odzyskiwania ciepła może wydawać się bezpieczny, gdy średnia temperatura na wylocie gazów spalinowych jest wyższa od kwaśnego punktu rosy, ale korozja jest kontrolowana przez rzeczywistą temperaturę powierzchni metalu. W kompaktowych spawanych wymiennikach płytowych temperatura ścianek płyt może być niższa niż temperatura gazu w masie, szczególnie w pobliżu zimnego końca lub obszarów silnie chłodzonych przez gaz po stronie zimnej.

Do obszarów wrażliwych należą płyty zimnego końca, narożniki wlotowe, strefy nieprawidłowej dystrybucji przepływu, przejścia o niskiej prędkości i powierzchnie w pobliżu kanałów zimnego powietrza. Praca przy niskim obciążeniu, warunki zimowe, nadmierny przepływ po stronie zimnej, rozruch i wyłączenie mogą dodatkowo obniżyć temperaturę ściany. Dlatego ocena powinna skupiać się na minimalnej temperaturze ścianki płyty zarówno w warunkach normalnych, jak i przejściowych.

Typowe wzorce uszkodzeń

Typowe oznaki Korozja punktu rosy gazów spalinowych obejmuje wżery, pocienienie ścianek, perforację płyt, osady kwaśne, wycieki i zwiększony spadek ciśnienia spowodowany produktami korozji lub zanieczyszczeniami. Miejscowe wżery są szczególnie niebezpieczne w przypadku cienkich płyt przenoszących ciepło, ponieważ mogą wnikać w ścianę szybciej niż korozja jednolita.

W płytowych wymiennikach ciepła szczególnej kontroli wymagają szwy spawalnicze, krawędzie płyt, strefy zimnego końca, punkty drenażu i obszary pokryte osadami. Kwaśny kondensat może gromadzić się w szczelinach lub pod osadami, powodując długi kontakt kwasu z metalem i poważne osady lub korozję szczelinową.

Dlaczego płytowe wymienniki ciepła wymagają szczególnej uwagi

Kompaktowa spawana konstrukcja płytowa

Płytowy wymiennik ciepła wykorzystuje spawane metalowe płyty do tworzenia kanałów gazowych, umożliwiając efektywne przenoszenie ciepła z gazu na gaz przez cienkie ścianki płyt. Ta zwarta konstrukcja poprawia wydajność odzysku ciepła i zmniejsza rozmiar sprzętu, dzięki czemu nadaje się do odzysku ciepła odpadowego w przemyśle. Jednakże silne chłodzenie strony zimnej może obniżyć lokalną temperaturę ścian poniżej kwaśnego punktu rosy, dlatego wydajność musi być zrównoważona ochroną przed korozją.

Konstrukcja spawana i wrażliwość na korozję

W gazowych wymiennikach ciepła Prandtl zastosowano całkowicie spawaną konstrukcję i przeprowadzono próby ciśnieniowe, aby zapewnić długotrwałe uszczelnienie pomiędzy strumieniami gazu. W kwaśnych warunkach punktu rosy jakość spoiny i kompatybilność materiału mają kluczowe znaczenie, ponieważ końcówki spoiny, strefy wpływu ciepła, narożniki i krawędzie płyt mogą jako pierwsze korodować. Projekt powinien uwzględniać materiał podstawowy, materiały dodatkowe do spawania, procedury spawania, stan powierzchni, metody kontroli, rozkład temperatury i odprowadzanie kondensatu.

Rozszerzalność cieplna i niezawodność konstrukcyjna

Wysokotemperaturowe urządzenia do odzyskiwania ciepła z gazu muszą wytrzymywać rozszerzalność cieplną, naprężenia termiczne i powtarzające się zmiany obciążenia. Konstrukcja gazowego wymiennika ciepła firmy Prandtl uwzględnia niezawodność konstrukcyjną w warunkach pracy w wysokiej temperaturze, aby zmniejszyć odkształcenia, zmęczenie spoiny i ryzyko wycieków. W zastosowaniach związanych z korozją w punkcie rosy potrzebne są materiały odporne na korozję, elastyczność konstrukcyjna, odpowiednie podparcie i kontrolowane działanie, ponieważ korozja i naprężenia mogą razem przyspieszać uszkodzenia.

Zanieczyszczenie i korozja pod osadami

Kurz, popiół, sadza, proszek katalizatora, sole i lepkie cząstki mogą gromadzić się na powierzchniach przekazujących ciepło i wchłaniać kwaśny kondensat. Osady te mogą utrzymywać wilgoć w metalu i tworzyć korozyjne mikrośrodowisko nawet po wzroście temperatury gazu powyżej punktu rosy. Dlatego odstępy między płytami, prędkość gazu, spadek ciśnienia, dostęp do czyszczenia i charakterystykę zanieczyszczenia należy optymalizować w zależności od obciążenia pyłem, właściwości cząstek, ryzyka korozji i warunków konserwacji.

 

Obszary ryzyka w płytowych wymiennikach ciepła

 

Główne czynniki wpływające na korozję punktu rosy gazów spalinowych

Skład gazów spalinowych

Nasilenie korozji punktu rosy gazów spalinowych zależy od SO₂, SO₃, HCl, HF, pary wodnej, tlenu, NOₓ, pyłu, soli alkalicznych i innych składników procesu. SO₃ wpływa głównie na temperaturę rosy kwasu siarkowego, podczas gdy HCl i sole chlorkowe zwiększają ryzyko korozji wżerowej i szczelinowej, szczególnie w przypadku stali nierdzewnych. Dlatego dobór materiału powinien opierać się na zmierzonym lub wiarygodnie oszacowanym składzie gazu.

Temperatura powierzchni metalu

Korozja punktu rosy gazów spalinowych rozpoczyna się, gdy temperatura powierzchni metalu spada poniżej kwaśnego punktu rosy i tworzy się kwaśny kondensat. Bezpieczny projekt powinien uwzględniać minimalną temperaturę ścian, szczególnie na zimnych płytach płytowych wymienników ciepła, a nie tylko sprawdzać temperaturę gazu na wlocie i wylocie. Niskie obciążenie, duży przepływ po stronie zimnej, praca w zimie, rozruch i wyłączenie mogą wymagać marginesu temperatury, obejścia, stopniowanego odzysku, kontroli przepływu lub wstępnego podgrzewania.

Przepływ gazu i osady

Przepływ gazu wpływa na przenoszenie ciepła, spadek ciśnienia, zanieczyszczenie, erozję i korozję. Niska prędkość może powodować osiadanie pyłu i zatrzymywanie kwasu, natomiast nadmierna prędkość może zwiększać erozję i moc wentylatora. Rozkład przepływu, konstrukcję kolektora, płyty prowadzące i konfigurację wlotu/wylotu należy zoptymalizować, aby uniknąć stref przechłodzenia i obszarów niskiego przepływu podatnych na osady.

Warunki czyszczenia i konserwacji

Warunki konserwacji bezpośrednio wpływają na kontrolę korozji, ponieważ kwaśne osady mogą powodować przedwczesne uszkodzenia nawet w przypadku stopów odpornych na korozję. Na etapie projektowania należy uwzględnić drzwi inspekcyjne, otwory czyszczące, punkty drenażowe, metody usuwania sadzy i dostępne układy kanałów. Jeśli czas przestoju jest krótki lub dostęp jest ograniczony, projekt powinien kłaść nacisk na zapobieganie zarastaniu, łatwiejsze czyszczenie i bardziej konserwatywny dobór materiałów.

Tabela porównawcza materiałów

 

Strategie projektowania mające na celu zmniejszenie ryzyka korozji

Utrzymuj krytyczne powierzchnie powyżej kwaśnego punktu rosy

Najskuteczniejszym sposobem ograniczenia korozji jest utrzymanie krytycznych powierzchni metalowych powyżej kwaśnego punktu rosy. Kwaśny punkt rosy i minimalną temperaturę ścianek płyty należy oceniać łącznie podczas projektowania termicznego, ponieważ ciągły kwaśny kondensat może nadal powodować uszkodzenie stopów wysokiej jakości. Jeśli temperatura na wylocie jest zbyt niska, może być wymagana kontrola obejścia, stopniowany odzysk, skorygowany przepływ po stronie zimnej, recyrkulacja lub kontrola temperatury minimalnej.

Optymalizuj odstępy między płytami i prędkość gazu

Odstęp między płytami wpływa na przenoszenie ciepła, spadek ciśnienia, zanieczyszczenia i czyszczenie. Wąskie kanały poprawiają przenoszenie ciepła i zwartość, ale mogą zwiększać ryzyko zablokowania, podczas gdy szersze kanały poprawiają tolerancję na zarastanie, ale wymagają większej powierzchni wymiany ciepła. Prandtl gazowe wymienniki ciepła można dostosować tak, aby zrównoważyć efektywność odzysku ciepła, kontrolę zanieczyszczeń, spadek ciśnienia i ochronę przed korozją.

Popraw dystrybucję przepływu

Dobry rozkład przepływu pomaga utrzymać jednolitą temperaturę i zmniejszyć ryzyko korozji. Nierówna dystrybucja gazu może powodować powstawanie przechłodzonych kanałów lub stref zanieczyszczania o niskiej prędkości, w których gromadzi się kondensat i osady. Układy przepływu, takie jak typu U, typu W, typu S, typu I, typu L lub konstrukcje niestandardowe można wybrać w zależności od układu kanałów i potrzeb procesowych.

Zapewnij dostęp do czyszczenia, drenażu i kontroli

Kwaśny kondensat i osady nie powinny długo zalegać wewnątrz wymiennika. Na etapie projektowania należy uwzględnić punkty drenażowe, otwory rewizyjne, wyjmowane sekcje kanałów i odpowiednie metody czyszczenia. W przypadku gazu zapylonego lub żrącego konstrukcja i materiał wymiennika powinny być dostosowane do planowanego sposobu czyszczenia, takiego jak czyszczenie ręczne, przedmuchanie sadzy, pulsacja powietrza lub mycie wodą.

Kontroluj warunki uruchamiania i wyłączania

Rozruch i wyłączenie to często okresy najbardziej korozyjne, ponieważ zimny metal lub powierzchnie chłodzące mogą sprzyjać kondensacji kwasu. Procedury operacyjne powinny obejmować kontrolowane ogrzewanie, osuszanie, odprowadzanie kondensatu i unikanie długich okresów stagnacji w stanie wilgotnym. W niektórych systemach korozyjne spaliny należy omijać do momentu osiągnięcia przez wymiennik bezpiecznej temperatury.

 

Wniosek

Korozja punktu rosy gazów spalinowych stanowi główne ryzyko w niskotemperaturowym odzyskiwaniu ciepła ze gazów spalinowych. Kwaśny kondensat może atakować płyty przenoszące ciepło, spoiny, kanały, obszary drenażu i powierzchnie zimnego końca, zwłaszcza gdy obecne są SO₃, HCl, HF, wilgoć, kurz i osady.

W przypadku płytowych wymienników ciepła niezawodny dobór materiałów wymaga oceny kwaśnego punktu rosy, kontroli minimalnej temperatury ścianek, optymalizacji rozkładu przepływu, zarządzania zanieczyszczeniami, przeglądu spadków ciśnienia, dostępu do czyszczenia, projektu drenażu i kontroli procedur operacyjnych.

Stal węglowa, 304, 316L, stal nierdzewna duplex, wysokostopowa stal nierdzewna, stopy na bazie niklu i powłoki ochronne mają swoje ograniczenia zastosowania. Właściwy wybór zależy od rzeczywistego składu gazów spalinowych, nasilenia kondensatu, temperatury roboczej, warunków konserwacji i kosztów cyklu życia. Nanjing Prandtl Heat Exchange Equipment Co., Ltd. może dostarczyć dostosowane do indywidualnych potrzeb rozwiązania w zakresie płytowych wymienników ciepła w oparciu o rzeczywiste dane procesowe, zapewniające bezpieczną, wydajną i długoterminową pracę.

 

Często zadawane pytania

Co powoduje korozję punktu rosy gazów spalinowych?

Korozja punktu rosy gazów spalinowych jest spowodowana kondensacją kwaśnych oparów na powierzchniach metalowych, gdy temperatura powierzchni spada poniżej kwaśnego punktu rosy. Typowe kondensaty obejmują kwas siarkowy z SO₃ i pary wodnej oraz kwas solny z gazu zawierającego chlorki.

Który materiał jest najlepszy w przypadku korozji punktu rosy gazów spalinowych?

Nie ma uniwersalnego, najlepszego materiału. Stal 316L może być odpowiednia do umiarkowanej eksploatacji, stal nierdzewna typu duplex lub wysokostopowa może być odporna na silniejsze działanie chlorków lub mieszanych kwasów, a w przypadku ciężkich warunków kondensacji mogą być wymagane stopy na bazie niklu.

Czy stal nierdzewna może całkowicie zapobiec korozji punktu rosy?

Nie. Stal nierdzewna może zmniejszyć ryzyko korozji, ale chlorki, kondensat o niskim pH, kwas siarkowy, szczeliny, osady i niska temperatura ścian mogą nadal powodować korozję wżerową lub szczelinową.