Corrosão do ponto de orvalho na recuperação de calor de gases de combustão: seleção de materiais para trocadores de calor platulares

A recuperação de calor dos gases de combustão melhora a eficiência energética industrial, reduzindo o uso de combustível e a temperatura de exaustão, mas a operação em baixa temperatura aumenta o risco de corrosão do ponto de orvalho dos gases de combustão , especialmente em gases contendo enxofre, cloretos, umidade, poeira, exaustão de biomassa, gases residuais ou emissões de processos químicos. Para trocadores de calor platulares ou trocadores de calor de placas soldadas a gás, esse risco deve ser avaliado antecipadamente porque canais compactos de placas soldadas podem criar superfícies frias locais. Se a temperatura da parede metálica cair abaixo do ponto de orvalho ácido, ácido sulfúrico, ácido clorídrico ou outros condensados ​​ácidos podem se formar e causar corrosão rápida.

Principal vantagem

●  A condensação ácida começa abaixo do ponto de orvalho ácido.

●  A temperatura mínima da parede é mais importante que a temperatura média do gás.

●  SO₃, HCl, HF, umidade, oxigênio, poeira e depósitos aumentam o risco de corrosão.

●  Chapas frias, soldas e áreas de baixo fluxo são zonas de risco importantes.

●  A seleção do material deve corresponder à química do gás e à severidade do condensado.

●  316L, aço duplex, aço de alta liga e ligas de níquel atendem a diferentes riscos.

●  O controle da temperatura da parede é tão importante quanto o material resistente à corrosão.

●  O espaçamento das placas, a distribuição do fluxo, a drenagem e o acesso para limpeza afetam a vida útil.

●  Geralmente é necessário um projeto personalizado para a recuperação de gases de combustão corrosivos.

 

O que é corrosão do ponto de orvalho dos gases de combustão?

Como o ponto de orvalho ácido se forma nos gases de combustão

A corrosão do ponto de orvalho dos gases de combustão ocorre quando o vapor ácido nos gases de combustão se condensa nas superfícies metálicas e forma uma película líquida corrosiva. Em sistemas de combustão contendo enxofre, o enxofre é principalmente convertido em SO₂, e parte dele pode ser oxidado em SO₃. Quando o SO₃ reage com o vapor de água, forma-se vapor de ácido sulfúrico e pode condensar a uma temperatura muito superior ao ponto de orvalho normal da água.

Nos gases de escape contendo cloreto, o ácido clorídrico também pode existir como vapor ou condensado. Quando HCl, HF, SO₃ e vapor de água coexistem, o condensado pode se tornar altamente ácido e corrosivo para o aço carbono e até mesmo para alguns aços inoxidáveis. Portanto, o ponto de orvalho ácido deve ser avaliado com base na composição real dos gases de combustão e não apenas no conteúdo de vapor de água.

Por que a temperatura média do gás não é suficiente

Um sistema de recuperação de calor pode parecer seguro quando a temperatura média de saída dos gases de combustão está acima do ponto de orvalho ácido, mas a corrosão é controlada pela temperatura real da superfície do metal. Em trocadores compactos de placas soldadas, a temperatura da parede de placas pode ser inferior à temperatura do gás bruto, especialmente perto da extremidade fria ou em áreas fortemente resfriadas pelo gás do lado frio.

As áreas vulneráveis ​​incluem placas de extremidade fria, cantos de entrada, zonas de má distribuição de fluxo, passagens de baixa velocidade e superfícies próximas a canais de ar frio. A operação em baixa carga, condições de inverno, fluxo excessivo no lado frio, inicialização e desligamento podem reduzir ainda mais a temperatura da parede. Portanto, a avaliação deve concentrar-se na temperatura mínima da parede da placa, tanto em condições normais como transitórias.

Padrões Comuns de Danos

Sinais típicos de A corrosão do ponto de orvalho dos gases de combustão inclui corrosão, adelgaçamento da parede, perfuração de placas, depósitos ácidos, vazamento e aumento da queda de pressão devido a produtos de corrosão ou incrustações. A corrosão localizada é especialmente perigosa para placas finas de transferência de calor porque pode penetrar na parede mais rapidamente do que a corrosão uniforme.

Em trocadores de calor Platulares, cordões de solda, bordas de placas, zonas frias, pontos de drenagem e áreas cobertas por depósitos precisam de inspeção especial. O condensado ácido pode ficar preso em fendas ou sob depósitos, causando um longo contato ácido-metal e grave corrosão sob depósito ou em fendas.

Por que os trocadores de calor platulares precisam de atenção especial

Estrutura compacta de placa soldada

Um trocador de calor Platular usa placas metálicas soldadas para formar canais de gás, permitindo uma transferência eficiente de calor gás-gás através de paredes finas de placas. Esta estrutura compacta melhora a eficiência da recuperação de calor e reduz o tamanho do equipamento, tornando-o adequado para recuperação de calor residual industrial. No entanto, o forte resfriamento do lado frio pode reduzir a temperatura da parede local abaixo do ponto de orvalho ácido, portanto a eficiência deve ser equilibrada com a proteção contra corrosão.

Construção Soldada e Sensibilidade à Corrosão

Os trocadores de calor a placas de gás Prandtl usam construção totalmente soldada e testes de pressão para garantir vedação de longo prazo entre os fluxos de gás. Em condições de ponto de orvalho ácido, a qualidade da solda e a compatibilidade do material são críticas porque as pontas da solda, as zonas afetadas pelo calor, os cantos e as bordas da placa podem corroer primeiro. O projeto deve considerar o material base, os consumíveis de soldagem, os procedimentos de soldagem, as condições da superfície, os métodos de inspeção, a distribuição de temperatura e a drenagem de condensado.

Expansão Térmica e Confiabilidade Estrutural

O equipamento de recuperação de calor a gás de alta temperatura deve resistir à expansão térmica, ao estresse térmico e às repetidas mudanças de carga. O projeto do trocador de calor a placas de gás da Prandtl considera a confiabilidade estrutural sob serviço de alta temperatura para reduzir a deformação, a fadiga da solda e os riscos de vazamento. Em aplicações de corrosão no ponto de orvalho, são necessários materiais resistentes à corrosão, flexibilidade estrutural, suporte adequado e operação controlada porque a corrosão e o estresse podem acelerar os danos juntos.

Incrustação e corrosão por subdepósito

Poeira, cinza, fuligem, pó de catalisador, sais e partículas pegajosas podem acumular-se nas superfícies de transferência de calor e absorver o condensado ácido. Esses depósitos podem manter o metal úmido e criar um microambiente corrosivo mesmo após a temperatura do gás subir acima do ponto de orvalho. Portanto, o espaçamento das placas, a velocidade do gás, a queda de pressão, o acesso para limpeza e as características de incrustação devem ser otimizados de acordo com a carga de poeira, propriedades das partículas, risco de corrosão e condições de manutenção.

 

Áreas de Risco em Trocadores de Calor Platulares

 

Principais fatores que afetam a corrosão do ponto de orvalho dos gases de combustão

Composição dos gases de combustão

A gravidade da corrosão do ponto de orvalho dos gases de combustão depende de SO₂, SO₃, HCl, HF, vapor de água, oxigênio, NOₓ, poeira, sais alcalinos e outros componentes do processo. O SO₃ afeta principalmente o ponto de orvalho do ácido sulfúrico, enquanto o HCl e os sais de cloreto aumentam os riscos de corrosão por pite e em fendas, especialmente em aços inoxidáveis. Portanto, a seleção do material deve ser baseada na composição do gás medida ou estimada de forma confiável.

Temperatura da superfície metálica

A corrosão do ponto de orvalho dos gases de combustão começa quando a temperatura da superfície do metal cai abaixo do ponto de orvalho ácido e se forma condensado ácido. Um projeto seguro deve avaliar a temperatura mínima da parede, especialmente nas placas frias dos trocadores de calor Platular, em vez de apenas verificar as temperaturas de entrada e saída do gás. Carga baixa, alto fluxo no lado frio, operação no inverno, partida e desligamento podem exigir margem de temperatura, desvio, recuperação escalonada, controle de fluxo ou pré-aquecimento.

Fluxo e Depósitos de Gás

O fluxo de gás afeta a transferência de calor, queda de pressão, incrustações, erosão e corrosão. A velocidade baixa pode causar assentamento de poeira e retenção de ácido, enquanto a velocidade excessiva pode aumentar a erosão e a potência do ventilador. A distribuição de fluxo, o design do coletor, as placas guia e a configuração de entrada/saída devem ser otimizados para evitar zonas super-resfriadas e áreas de baixo fluxo propensas a depósitos.

Condições de Limpeza e Manutenção

As condições de manutenção influenciam diretamente o controle da corrosão porque os depósitos ácidos podem causar falhas prematuras mesmo em ligas resistentes à corrosão. Portas de inspeção, portas de limpeza, pontos de drenagem, métodos de remoção de fuligem e arranjos de dutos acessíveis devem ser considerados durante a fase de layout. Se o tempo de desligamento for curto ou o acesso for limitado, o projeto deve enfatizar a prevenção de incrustações, limpeza mais fácil e seleção de material mais conservadora.

Tabela de comparação de materiais

 

Estratégias de projeto para reduzir o risco de corrosão

Mantenha as superfícies críticas acima do ponto de orvalho ácido

A maneira mais eficaz de reduzir a corrosão é manter as superfícies metálicas críticas acima do ponto de orvalho ácido. O ponto de orvalho ácido e a temperatura mínima da parede da placa devem ser avaliados em conjunto durante o projeto térmico, porque o condensado ácido contínuo ainda pode danificar ligas de alta qualidade. Se a temperatura de saída for muito baixa, poderá ser necessário o controle de bypass, a recuperação escalonada, o fluxo do lado frio ajustado, a recirculação ou o controle de temperatura mínima.

Otimize o espaçamento das placas e a velocidade do gás

O espaçamento das placas afeta a transferência de calor, queda de pressão, incrustações e limpeza. Canais estreitos melhoram a transferência de calor e a compactação, mas podem aumentar o risco de bloqueio, enquanto canais mais largos melhoram a tolerância à incrustação, mas requerem mais área de transferência de calor. Os trocadores de calor a placas de gás Prandtl podem ser personalizados para equilibrar eficiência de recuperação de calor, controle de incrustações, queda de pressão e proteção contra corrosão.

Melhore a distribuição de fluxo

Uma boa distribuição do fluxo ajuda a manter a temperatura uniforme e a reduzir o risco de corrosão. A distribuição desigual de gás pode criar canais super-resfriados ou zonas de incrustação de baixa velocidade onde o condensado e os depósitos se acumulam. Arranjos de fluxo como tipo U, tipo W, tipo S, tipo I, tipo L ou estruturas personalizadas podem ser selecionados de acordo com o layout do duto e as necessidades do processo.

Fornece acesso para limpeza, drenagem e inspeção

Condensados ​​ácidos e depósitos não devem permanecer dentro do trocador por longos períodos. Pontos de drenagem, aberturas de inspeção, seções removíveis de dutos e métodos de limpeza adequados devem ser considerados durante a fase de layout. Para gases empoeirados ou corrosivos, a estrutura e o material do trocador devem corresponder ao método de limpeza planejado, como limpeza manual, sopro de fuligem, pulso de ar ou lavagem com água.

Controlar as condições de inicialização e desligamento

A partida e o desligamento costumam ser os períodos mais corrosivos porque o metal frio ou as superfícies de resfriamento podem promover a condensação ácida. Os procedimentos operacionais devem incluir aquecimento controlado, operação de secagem, drenagem de condensado e evitar longos períodos de estagnação úmida. Em alguns sistemas, os gases de combustão corrosivos devem ser desviados até que o permutador atinja uma temperatura segura.

 

Conclusão

A corrosão do ponto de orvalho dos gases de combustão é um grande risco na recuperação de calor dos gases de combustão em baixas temperaturas. O condensado ácido pode atacar placas de transferência de calor, soldas, dutos, áreas de drenagem e superfícies frias, especialmente quando SO₃, HCl, HF, umidade, poeira e depósitos estão presentes.

Para trocadores de calor Platular, a seleção confiável de materiais requer avaliação do ponto de orvalho ácido, controle mínimo da temperatura da parede, otimização da distribuição de fluxo, gerenciamento de incrustações, revisão de queda de pressão, acesso para limpeza, projeto de drenagem e controle de procedimento operacional.

Aço carbono, 304, 316L, aço inoxidável duplex, aço inoxidável de alta liga, ligas à base de níquel e revestimentos protetores têm limites de aplicação. A escolha correta depende da composição real do gás de combustão, da gravidade do condensado, da temperatura operacional, das condições de manutenção e do custo do ciclo de vida. pode fornecer soluções personalizadas de trocadores de calor a placas de gás com base em dados reais do processo para operação segura, eficiente e de longo prazo.

 

Perguntas frequentes

O que causa a corrosão do ponto de orvalho dos gases de combustão?

A corrosão do ponto de orvalho dos gases de combustão é causada pela condensação de vapores ácidos nas superfícies metálicas quando a temperatura da superfície cai abaixo do ponto de orvalho ácido. Os condensados ​​comuns incluem ácido sulfúrico de SO₃ e vapor de água, e ácido clorídrico de gás contendo cloreto.

Qual material é melhor para corrosão do ponto de orvalho dos gases de combustão?

Não existe um melhor material universal. O 316L pode ser adequado para serviços moderados, o aço inoxidável duplex ou de alta liga pode ser adequado para exposição mais forte a cloretos ou ácidos mistos, e ligas à base de níquel podem ser necessárias para condições severas de condensação.

O aço inoxidável pode prevenir totalmente a corrosão do ponto de orvalho?

O aço inoxidável pode reduzir o risco de corrosão, mas cloretos, condensado de baixo pH, ácido sulfúrico, fendas, depósitos e baixa temperatura da parede ainda podem causar corrosão por pites ou em fendas.