Коррозия точки росы при рекуперации тепла дымовых газов: выбор материала для пластинчатых теплообменников

Рекуперация тепла дымовых газов повышает энергоэффективность в промышленности за счет снижения расхода топлива и температуры выхлопных газов, однако работа при низких температурах увеличивает риск Коррозия точки росы дымовых газов , особенно в газах, содержащих серу, хлориды, влагу, пыль, выхлопы биомассы, отходящие газы или выбросы химических процессов. Для пластинчатых теплообменников или сварных газовых пластинчатых теплообменников этот риск следует оценивать заранее, поскольку компактные сварные пластинчатые каналы могут создавать локальные холодные поверхности. Если температура металлической стенки падает ниже точки росы кислоты, серная кислота, соляная кислота или другие кислотные конденсаты могут образовываться и вызывать быструю коррозию.

Ключевой вывод

●  Конденсация кислоты начинается при температуре ниже точки росы кислоты.

●  Минимальная температура стенки имеет большее значение, чем средняя температура газа.

●  SO₃, HCl, HF, влага, кислород, пыль и отложения повышают риск коррозии.

●  Пластины холодного конца, сварные швы и зоны низкого потока являются ключевыми зонами риска.

●  Выбор материала должен соответствовать химическому составу газа и серьезности конденсата.

●  316L, дуплексная сталь, высоколегированная сталь и никелевые сплавы соответствуют различным рискам.

●  Контроль температуры стен так же важен, как и устойчивость материала к коррозии.

●  Расстояние между пластинами, распределение потока, дренаж и доступ для очистки влияют на срок службы.

●  Для рекуперации агрессивных дымовых газов обычно требуется индивидуальное проектирование.

 

Что такое коррозия точки росы дымовых газов?

Как формируется кислая точка росы в дымовых газах

Коррозия точки росы дымовых газов возникает, когда кислотные пары дымовых газов конденсируются на металлических поверхностях и образуют коррозийную жидкую пленку. В системах сжигания, содержащих серу, сера в основном превращается в SO₂, а часть ее может окисляться до SO₃. Когда SO₃ реагирует с водяным паром, образуются пары серной кислоты, которые могут конденсироваться при температуре, намного превышающей нормальную точку росы воды.

В выхлопных газах, содержащих хлориды, соляная кислота также может присутствовать в виде паров или конденсата. При сосуществовании HCl, HF, SO₃ и водяного пара конденсат может стать очень кислым и вызывать коррозию углеродистой стали и даже некоторых нержавеющих сталей. Следовательно, кислотную точку росы следует оценивать на основе фактического состава дымовых газов, а не только содержания водяного пара.

Почему средней температуры газа недостаточно

Система рекуперации тепла может показаться безопасной, когда средняя температура дымовых газов на выходе выше точки росы кислоты, но коррозия контролируется фактической температурой поверхности металла. В компактных сварных пластинчатых теплообменниках температура стенок пластин может быть ниже температуры объемного газа, особенно вблизи холодного конца или в зонах, сильно охлаждаемых газом холодной стороны.

К уязвимым областям относятся пластины холодного конца, углы впускных отверстий, зоны неравномерного распределения потока, низкоскоростные проходы и поверхности, расположенные рядом с каналами холодного воздуха. Работа при низкой нагрузке, зимние условия, чрезмерный поток на холодной стороне, запуск и остановка могут еще больше снизить температуру стенки. Следовательно, оценка должна быть сосредоточена на минимальной температуре стенки пластины как в нормальных, так и в переходных условиях.

Распространенные модели повреждений

Типичные признаки Коррозия точки росы дымовых газов включает точечную коррозию, утончение стенок, перфорацию пластин, кислотные отложения, утечки и повышенный перепад давления из-за продуктов коррозии или загрязнения. Локальная точечная коррозия особенно опасна для тонких пластин теплопередачи, поскольку она может проникнуть в стену быстрее, чем равномерная коррозия.

В пластинчатых теплообменниках специальной проверки требуют сварные швы, кромки пластин, зоны холодного конца, точки дренажа и участки, покрытые отложениями. Кислый конденсат может задерживаться в щелях или под отложениями, вызывая длительный контакт кислоты с металлом и сильную коррозию под отложениями или щелями.

Почему пластинчатые теплообменники требуют особого внимания

Компактная сварная пластинчатая конструкция

Платулярный теплообменник использует сварные металлические пластины для формирования газовых каналов, что обеспечивает эффективную передачу тепла от газа к газу через тонкие стенки пластин. Эта компактная конструкция повышает эффективность рекуперации тепла и уменьшает размер оборудования, что делает его пригодным для утилизации тепла промышленных отходов. Однако сильное охлаждение на холодной стороне может снизить локальную температуру стенок ниже точки кислотной точки росы, поэтому эффективность должна быть сбалансирована с защитой от коррозии.

Сварная конструкция и чувствительность к коррозии

Газовые пластинчатые теплообменники Prandtl имеют цельносварную конструкцию и прошли испытания под давлением, чтобы обеспечить долговременную герметизацию между потоками газа. В условиях кислой точки росы качество сварного шва и совместимость материалов имеют решающее значение, поскольку в первую очередь корродируют места сварки, зоны термического влияния, углы и кромки пластин. При проектировании следует учитывать основной материал, сварочные материалы, процедуры сварки, состояние поверхности, методы контроля, распределение температуры и отвод конденсата.

Тепловое расширение и структурная надежность

Оборудование для рекуперации тепла высокотемпературного газа должно выдерживать тепловое расширение, термическую нагрузку и повторяющиеся изменения нагрузки. В конструкции газового пластинчатого теплообменника Prandtl учитывается структурная надежность при эксплуатации при высоких температурах, что позволяет снизить деформацию, усталость сварных швов и риски утечек. В приложениях, связанных с коррозией точки росы, необходимы коррозионностойкие материалы, структурная гибкость, надлежащая поддержка и контролируемая работа, поскольку коррозия и напряжение вместе могут ускорить повреждение.

Загрязнение и коррозия под отложениями

Пыль, зола, сажа, порошок катализатора, соли и липкие частицы могут накапливаться на поверхностях теплопередачи и поглощать кислотный конденсат. Эти отложения могут сохранять металл влажным и создавать коррозионную микросреду даже после того, как температура газа поднимется выше точки росы. Следовательно, расстояние между пластинами, скорость газа, перепад давления, доступ для очистки и характеристики загрязнения должны быть оптимизированы в соответствии с нагрузкой пыли, свойствами частиц, риском коррозии и условиями технического обслуживания.

 

Области риска в пластинчатых теплообменниках

 

Основные факторы, влияющие на коррозию точки росы дымовых газов

Состав дымовых газов

Степень коррозии точки росы дымовых газов зависит от SO₂, SO₃, HCl, HF, водяного пара, кислорода, NOₓ, пыли, солей щелочей и других компонентов процесса. SO₃ в основном влияет на точку росы серной кислоты, тогда как HCl и хлоридные соли увеличивают риск точечной и щелевой коррозии, особенно на нержавеющих сталях. Следовательно, выбор материала должен основываться на измеренном или достоверно оцененном составе газа.

Температура поверхности металла

Коррозия точки росы дымовых газов начинается, когда температура поверхности металла падает ниже точки росы кислоты и образуется кислый конденсат. При безопасном проектировании необходимо оценивать минимальную температуру стенок, особенно на пластинах холодного конца пластинчатых теплообменников, а не только проверять температуру газа на входе и выходе. Низкая нагрузка, высокий поток на холодной стороне, зимняя работа, запуск и остановка могут потребовать температурного запаса, байпаса, поэтапного восстановления, управления потоком или предварительного нагрева.

Газовые потоки и месторождения

Поток газа влияет на теплообмен, перепад давления, загрязнение, эрозию и коррозию. Низкая скорость может вызвать оседание пыли и задержку кислоты, тогда как чрезмерная скорость может увеличить эрозию и увеличить мощность вентилятора. Распределение потока, конструкция коллектора, направляющие пластины и конфигурация входа/выхода должны быть оптимизированы, чтобы избежать зон переохлаждения и зон с низким расходом, склонных к образованию отложений.

Условия очистки и обслуживания

Условия технического обслуживания напрямую влияют на борьбу с коррозией, поскольку кислотные отложения могут вызвать преждевременный выход из строя даже коррозионностойких сплавов. На этапе планировки следует учитывать смотровые дверцы, отверстия для очистки, точки дренажа, методы удаления сажи и расположение доступных воздуховодов. Если время простоя короткое или доступ ограничен, в проекте следует уделять особое внимание предотвращению загрязнения, более легкой очистке и более консервативному выбору материалов.

Таблица сравнения материалов

 

Стратегии проектирования для снижения риска коррозии

Держите критические поверхности выше кислотной точки росы

Самый эффективный способ уменьшить коррозию — поддерживать критические металлические поверхности выше точки росы кислоты. Точку росы кислоты и минимальную температуру стенки пластины следует оценивать вместе во время теплового расчета, поскольку постоянный кислотный конденсат все равно может повредить высококачественные сплавы. Если температура на выходе слишком низкая, может потребоваться байпасное управление, поэтапная рекуперация, регулировка расхода на холодной стороне, рециркуляция или контроль минимальной температуры.

Оптимизация расстояния между пластинами и скорости газа

Расстояние между пластинами влияет на теплообмен, падение давления, загрязнение и очистку. Узкие каналы улучшают теплопередачу и компактность, но могут увеличить риск засорения, тогда как более широкие каналы улучшают устойчивость к загрязнению, но требуют большей площади теплопередачи. Газовые пластинчатые теплообменники Prandtl можно настроить таким образом, чтобы сбалансировать эффективность рекуперации тепла, контроль загрязнения, падение давления и защиту от коррозии.

Улучшение распределения потока

Хорошее распределение потока помогает поддерживать равномерную температуру и снижает риск коррозии. Неравномерное распределение газа может привести к образованию переохлажденных каналов или низкоскоростных зон загрязнения, в которых скапливается конденсат и отложения. Расположение потоков, такое как U-тип, W-тип, S-тип, I-тип, L-тип или специальные конструкции, можно выбрать в соответствии с расположением воздуховодов и технологическими потребностями.

Обеспечьте доступ для очистки, дренажа и осмотра

Кислый конденсат и отложения не должны оставаться внутри теплообменника в течение длительного времени. На этапе планировки следует учитывать дренажные точки, смотровые отверстия, съемные секции воздуховодов и подходящие методы очистки. Для пыльного или агрессивного газа конструкция и материал теплообменника должны соответствовать запланированному методу очистки, например, ручной очистке, продувке сажи, пульсации воздуха или промывке водой.

Контролируйте условия запуска и остановки

Запуск и остановка часто являются наиболее агрессивными периодами, поскольку холодный металл или охлаждающие поверхности могут способствовать образованию кислотной конденсации. Эксплуатационные процедуры должны включать контролируемый нагрев, сушку, дренаж конденсата и предотвращение длительных периодов застоя влаги. В некоторых системах коррозионный дымовой газ следует обпускать до тех пор, пока теплообменник не достигнет безопасной температуры.

 

Заключение

Коррозия точки росы дымовых газов является основным риском при низкотемпературной рекуперации тепла дымовых газов. Кислый конденсат может повредить пластины теплопередачи, сварные швы, воздуховоды, дренажные зоны и поверхности холодного конца, особенно при наличии SO₃, HCl, HF, влаги, пыли и отложений.

Для пластинчатых теплообменников надежный выбор материала требует оценки точки росы кислоты, контроля минимальной температуры стенок, оптимизации распределения потока, контроля загрязнения, анализа падения давления, доступа для очистки, проектирования дренажа и контроля рабочих процедур.

Углеродистая сталь, 304, 316L, дуплексная нержавеющая сталь, высоколегированная нержавеющая сталь, сплавы на основе никеля и защитные покрытия имеют свои пределы применения. Правильный выбор зависит от реального состава дымовых газов, содержания конденсата, рабочей температуры, условий обслуживания и стоимости жизненного цикла. Компания Nanjing Prandtl Heat Exchange Equipment Co., Ltd. может предоставить индивидуальные решения в области газовых пластинчатых теплообменников, основанные на реальных данных процесса, для безопасной, эффективной и долгосрочной эксплуатации.

 

Часто задаваемые вопросы

Что вызывает коррозию точки росы дымовых газов?

Коррозия точки росы дымовых газов вызвана конденсацией кислотных паров на металлических поверхностях, когда температура поверхности падает ниже точки росы кислоты. Обычные конденсаты включают серную кислоту из SO₃ и паров воды, а также соляную кислоту из хлоридсодержащего газа.

Какой материал лучше всего защищает от коррозии точки росы дымовых газов?

Не существует универсального лучшего материала. 316L может подходить для умеренной эксплуатации, дуплексная или высоколегированная нержавеющая сталь может выдерживать более сильное воздействие хлоридов или смешанных кислот, а сплавы на основе никеля могут потребоваться для тяжелых условий конденсации.

Может ли нержавеющая сталь полностью предотвратить коррозию точки росы?

Нет. Нержавеющая сталь может снизить риск коррозии, но хлориды, конденсат с низким pH, серная кислота, щели, отложения и низкая температура стенок все равно могут вызвать точечную или щелевую коррозию.