Ăn mòn điểm sương trong thu hồi nhiệt khí thải: Lựa chọn vật liệu cho bộ trao đổi nhiệt dạng tấm

Thu hồi nhiệt khí thải cải thiện hiệu suất năng lượng công nghiệp bằng cách giảm mức sử dụng nhiên liệu và nhiệt độ khí thải, nhưng hoạt động ở nhiệt độ thấp làm tăng nguy cơ ăn mòn điểm sương của khí thải , đặc biệt là trong các khí có chứa lưu huỳnh, clorua, độ ẩm, bụi, khí thải sinh khối, khí thải hoặc phát thải quá trình hóa học. Đối với bộ trao đổi nhiệt dạng tấm hoặc bộ trao đổi nhiệt dạng tấm khí hàn, rủi ro này cần được đánh giá sớm vì các kênh tấm hàn nhỏ gọn có thể tạo ra bề mặt lạnh cục bộ. Nếu nhiệt độ thành kim loại giảm xuống dưới điểm sương axit, axit sulfuric, axit clohydric hoặc các chất ngưng tụ có tính axit khác có thể hình thành và gây ra sự ăn mòn nhanh chóng.

Chìa khóa mang đi

●  Quá trình ngưng tụ axit bắt đầu dưới điểm sương axit.

●  Nhiệt độ tối thiểu của tường quan trọng hơn nhiệt độ khí trung bình.

●  SO₃, HCl, HF, độ ẩm, oxy, bụi và cặn làm tăng nguy cơ ăn mòn.

●  Các tấm, mối hàn và khu vực có dòng chảy thấp là những vùng có nguy cơ cao.

●  Việc lựa chọn vật liệu phải phù hợp với tính chất hóa học của khí và mức độ nghiêm trọng của nước ngưng tụ.

●  316L, thép song công, thép hợp kim cao và hợp kim niken phù hợp với các rủi ro khác nhau.

●  Kiểm soát nhiệt độ trên tường cũng quan trọng như vật liệu chống ăn mòn.

●  Khoảng cách tấm, phân bổ dòng chảy, thoát nước và tiếp cận làm sạch ảnh hưởng đến tuổi thọ sử dụng.

●  Thiết kế tùy chỉnh thường được yêu cầu để thu hồi khí thải ăn mòn.

 

Ăn mòn điểm sương của khí thải là gì?

Điểm sương axit hình thành như thế nào trong khí thải

Ăn mòn điểm sương trong khí thải xảy ra khi hơi axit trong khí thải ngưng tụ trên bề mặt kim loại và tạo thành màng chất lỏng ăn mòn. Trong các hệ thống đốt chứa lưu huỳnh, lưu huỳnh chủ yếu được chuyển hóa thành SO₂ và một phần lưu huỳnh có thể bị oxy hóa thành SO₃. Khi SO₃ phản ứng với hơi nước, hơi axit sulfuric hình thành và có thể ngưng tụ ở nhiệt độ cao hơn nhiều so với điểm sương thông thường của nước.

Trong khí thải có chứa clorua, axit clohydric cũng có thể tồn tại dưới dạng hơi hoặc chất ngưng tụ. Khi HCl, HF, SO₃ và hơi nước cùng tồn tại, chất ngưng tụ có thể trở nên có tính axit cao và ăn mòn thép cacbon và thậm chí một số loại thép không gỉ. Do đó, điểm sương axit cần được đánh giá dựa trên thành phần khí thải thực tế chứ không chỉ dựa trên hàm lượng hơi nước.

Tại sao nhiệt độ khí trung bình không đủ

Hệ thống thu hồi nhiệt có thể tỏ ra an toàn khi nhiệt độ trung bình của khí thải cao hơn điểm sương axit, nhưng sự ăn mòn được kiểm soát bởi nhiệt độ bề mặt kim loại thực tế. Trong các bộ trao đổi nhiệt dạng tấm hàn nhỏ gọn, nhiệt độ thành tấm có thể thấp hơn nhiệt độ khí khối, đặc biệt là ở gần đầu lạnh hoặc các khu vực được làm mát mạnh bởi khí phía lạnh.

Các khu vực dễ bị tổn thương bao gồm các tấm đầu lạnh, các góc đầu vào, vùng phân phối dòng chảy kém, các lối đi có vận tốc thấp và các bề mặt gần các kênh dẫn khí lạnh. Hoạt động ở mức tải thấp, điều kiện mùa đông, dòng chảy phía lạnh quá mức, khởi động và tắt máy có thể làm nhiệt độ thành ống thấp hơn nữa. Do đó, việc đánh giá nên tập trung vào nhiệt độ thành tấm tối thiểu trong cả điều kiện bình thường và nhất thời.

Các kiểu thiệt hại phổ biến

Dấu hiệu điển hình của Ăn mòn điểm sương của khí thải bao gồm rỗ, mỏng thành, thủng tấm, cặn axit, rò rỉ và tăng áp suất giảm từ các sản phẩm ăn mòn hoặc tắc nghẽn. Rỗ cục bộ đặc biệt nguy hiểm đối với các tấm truyền nhiệt mỏng vì nó có thể xuyên qua tường nhanh hơn sự ăn mòn đồng đều.

Trong bộ trao đổi nhiệt dạng tấm, các đường hàn, mép tấm, vùng đầu lạnh, điểm thoát nước và các khu vực có cặn cần được kiểm tra đặc biệt. Nước ngưng có tính axit có thể bị mắc kẹt trong các kẽ hở hoặc dưới lớp cặn, gây ra sự tiếp xúc axit-kim loại lâu dài và ăn mòn lớp lắng đọng hoặc kẽ hở nghiêm trọng.

Tại sao bộ trao đổi nhiệt dạng tấm cần được chú ý đặc biệt

Cấu trúc tấm hàn nhỏ gọn

Bộ trao đổi nhiệt dạng tấm sử dụng các tấm kim loại hàn để tạo thành các kênh khí, cho phép truyền nhiệt từ khí sang khí hiệu quả qua các bức tường tấm mỏng. Cấu trúc nhỏ gọn này cải thiện hiệu quả thu hồi nhiệt và giảm kích thước thiết bị, khiến nó phù hợp cho việc thu hồi nhiệt thải công nghiệp. Tuy nhiên, làm mát mạnh ở phía lạnh có thể làm giảm nhiệt độ thành cục bộ xuống dưới điểm sương axit, do đó hiệu quả phải được cân bằng với khả năng chống ăn mòn.

Kết cấu hàn và độ nhạy ăn mòn

Bộ trao đổi nhiệt dạng tấm khí Prandtl sử dụng kết cấu hàn toàn bộ và thử nghiệm áp suất để đảm bảo khả năng bịt kín lâu dài giữa các dòng khí. Trong điều kiện điểm sương axit, chất lượng mối hàn và khả năng tương thích của vật liệu rất quan trọng vì các chân mối hàn, vùng, góc và mép tấm chịu ảnh hưởng nhiệt có thể bị ăn mòn trước tiên. Thiết kế nên xem xét vật liệu cơ bản, vật liệu hàn, quy trình hàn, tình trạng bề mặt, phương pháp kiểm tra, phân bổ nhiệt độ và thoát nước ngưng tụ.

Mở rộng nhiệt và độ tin cậy kết cấu

Thiết bị thu hồi nhiệt khí ở nhiệt độ cao phải chịu được sự giãn nở nhiệt, ứng suất nhiệt và thay đổi tải lặp đi lặp lại. Thiết kế bộ trao đổi nhiệt dạng tấm khí của Prandtl xem xét độ tin cậy của cấu trúc trong điều kiện làm việc ở nhiệt độ cao để giảm biến dạng, độ mỏi của mối hàn và rủi ro rò rỉ. Trong các ứng dụng ăn mòn điểm sương, cần có vật liệu chống ăn mòn, tính linh hoạt của kết cấu, hỗ trợ thích hợp và vận hành có kiểm soát vì ăn mòn và ứng suất có thể cùng nhau đẩy nhanh tốc độ hư hỏng.

Ăn mòn bám bẩn và lắng đọng dưới mức

Bụi, tro, bồ hóng, bột xúc tác, muối và các hạt dính có thể tích tụ trên bề mặt truyền nhiệt và hấp thụ nước ngưng có tính axit. Những cặn lắng này có thể giữ cho kim loại bị ướt và tạo ra môi trường vi mô ăn mòn ngay cả khi nhiệt độ khí tăng lên trên điểm sương. Do đó, khoảng cách giữa các tấm, tốc độ khí, giảm áp suất, khả năng làm sạch và đặc tính bám bẩn phải được tối ưu hóa theo tải lượng bụi, đặc tính hạt, nguy cơ ăn mòn và điều kiện bảo trì.

 

Khu vực rủi ro trong bộ trao đổi nhiệt dạng tấm

 

Các yếu tố chính ảnh hưởng đến ăn mòn điểm sương của khí thải

Thành phần khí thải

Mức độ nghiêm trọng của sự ăn mòn điểm sương trong khí thải phụ thuộc vào SO₂, SO₃, HCl, HF, hơi nước, oxy, NOₓ, bụi, muối kiềm và các thành phần quá trình khác. SO₃ chủ yếu ảnh hưởng đến điểm sương của axit sulfuric, trong khi muối HCl và clorua làm tăng nguy cơ ăn mòn rỗ và kẽ hở, đặc biệt là trên thép không gỉ. Do đó, việc lựa chọn vật liệu phải dựa trên thành phần khí được đo hoặc ước tính đáng tin cậy.

Nhiệt độ bề mặt kim loại

Sự ăn mòn điểm sương của khí thải bắt đầu khi nhiệt độ bề mặt kim loại giảm xuống dưới điểm sương axit và dạng ngưng tụ có tính axit. Một thiết kế an toàn nên đánh giá nhiệt độ thành tối thiểu, đặc biệt là ở các tấm đầu lạnh của bộ trao đổi nhiệt dạng tấm, thay vì chỉ kiểm tra nhiệt độ đầu vào và đầu ra của khí. Tải thấp, lưu lượng phía lạnh cao, vận hành vào mùa đông, khởi động và tắt máy có thể yêu cầu giới hạn nhiệt độ, bỏ qua, phục hồi theo giai đoạn, kiểm soát lưu lượng hoặc làm nóng trước.

Dòng khí và tiền gửi

Dòng khí ảnh hưởng đến sự truyền nhiệt, giảm áp suất, tắc nghẽn, xói mòn và ăn mòn. Vận tốc thấp có thể gây ra hiện tượng lắng bụi và giữ axit, trong khi vận tốc quá cao có thể làm tăng xói mòn và công suất quạt. Việc phân phối dòng chảy, thiết kế đầu phun, tấm dẫn hướng và cấu hình đầu vào/đầu ra phải được tối ưu hóa để tránh các vùng quá lạnh và các khu vực có dòng chảy thấp dễ bị cặn lắng.

Điều kiện vệ sinh và bảo trì

Điều kiện bảo trì ảnh hưởng trực tiếp đến việc kiểm soát ăn mòn vì cặn axit có thể gây ra hư hỏng sớm ngay cả trên các hợp kim chống ăn mòn. Cửa kiểm tra, cổng làm sạch, điểm thoát nước, phương pháp loại bỏ bồ hóng và cách bố trí ống dẫn có thể tiếp cận phải được xem xét trong giai đoạn bố trí. Nếu thời gian tắt máy ngắn hoặc khả năng tiếp cận bị hạn chế, thiết kế nên nhấn mạnh đến việc ngăn ngừa bám bẩn, làm sạch dễ dàng hơn và lựa chọn vật liệu thận trọng hơn.

Bảng so sánh vật liệu

 

Chiến lược thiết kế để giảm nguy cơ ăn mòn

Giữ các bề mặt quan trọng trên điểm sương axit

Cách hiệu quả nhất để giảm sự ăn mòn là giữ cho các bề mặt kim loại quan trọng ở trên điểm sương axit. Điểm sương axit và nhiệt độ thành tấm tối thiểu phải được đánh giá cùng nhau trong quá trình thiết kế nhiệt, vì nước ngưng tụ có tính axit liên tục vẫn có thể làm hỏng hợp kim cao cấp. Nếu nhiệt độ đầu ra quá thấp, có thể cần phải kiểm soát bỏ qua, phục hồi theo giai đoạn, điều chỉnh lưu lượng phía lạnh, tuần hoàn hoặc kiểm soát nhiệt độ tối thiểu.

Tối ưu hóa khoảng cách tấm và vận tốc khí

Khoảng cách giữa các tấm ảnh hưởng đến sự truyền nhiệt, giảm áp suất, bám bẩn và làm sạch. Các kênh hẹp cải thiện khả năng truyền nhiệt và độ nén nhưng có thể làm tăng nguy cơ tắc nghẽn, trong khi các kênh rộng hơn cải thiện khả năng chịu bám bẩn nhưng yêu cầu diện tích truyền nhiệt nhiều hơn. Bộ trao đổi nhiệt tấm khí Prandtl có thể được tùy chỉnh để cân bằng hiệu quả thu hồi nhiệt, kiểm soát tắc nghẽn, giảm áp suất và chống ăn mòn.

Cải thiện phân phối dòng chảy

Phân phối dòng chảy tốt giúp duy trì nhiệt độ đồng đều và giảm nguy cơ ăn mòn. Sự phân phối khí không đồng đều có thể tạo ra các kênh quá lạnh hoặc các vùng tắc nghẽn tốc độ thấp nơi tích tụ nước ngưng tụ và cặn. Có thể lựa chọn các cấu trúc dòng chảy như loại U, loại W, loại S, loại I, loại L hoặc tùy chỉnh theo nhu cầu về bố trí ống dẫn và quy trình.

Cung cấp quyền truy cập làm sạch, thoát nước và kiểm tra

Nước ngưng có tính axit và cặn lắng không được tồn tại trong bộ trao đổi trong thời gian dài. Các điểm thoát nước, các lỗ kiểm tra, các phần ống dẫn có thể tháo rời và các phương pháp làm sạch phù hợp cần được xem xét trong giai đoạn bố trí. Đối với khí bụi hoặc khí ăn mòn, cấu trúc và vật liệu trao đổi phải phù hợp với phương pháp làm sạch theo kế hoạch, chẳng hạn như làm sạch thủ công, thổi bồ hóng, rung không khí hoặc rửa bằng nước.

Kiểm soát điều kiện khởi động và tắt máy

Khởi động và tắt máy thường là giai đoạn ăn mòn nhất vì kim loại lạnh hoặc bề mặt làm mát có thể thúc đẩy quá trình ngưng tụ axit. Quy trình vận hành phải bao gồm việc gia nhiệt có kiểm soát, vận hành làm khô, thoát nước ngưng tụ và tránh thời gian ứ đọng ẩm ướt kéo dài. Trong một số hệ thống, khí thải ăn mòn phải được bỏ qua cho đến khi bộ trao đổi nhiệt đạt đến nhiệt độ an toàn.

 

Phần kết luận

Ăn mòn điểm sương của khí thải là rủi ro lớn trong việc thu hồi nhiệt khí thải ở nhiệt độ thấp. Nước ngưng có tính axit có thể tấn công các tấm truyền nhiệt, mối hàn, ống dẫn, khu vực thoát nước và bề mặt đầu lạnh, đặc biệt khi có SO₃, HCl, HF, độ ẩm, bụi và cặn.

Đối với bộ trao đổi nhiệt dạng tấm, việc lựa chọn vật liệu đáng tin cậy đòi hỏi phải đánh giá điểm sương axit, kiểm soát nhiệt độ tường tối thiểu, tối ưu hóa phân phối dòng chảy, quản lý tắc nghẽn, xem xét giảm áp suất, tiếp cận làm sạch, thiết kế hệ thống thoát nước và kiểm soát quy trình vận hành.

Thép carbon, 304, 316L, thép không gỉ song, thép không gỉ hợp kim cao, hợp kim gốc niken và lớp phủ bảo vệ đều có giới hạn ứng dụng. Sự lựa chọn chính xác phụ thuộc vào thành phần khí thải thực tế, mức độ nghiêm trọng của nước ngưng, nhiệt độ vận hành, điều kiện bảo trì và chi phí vòng đời. Công ty TNHH Thiết bị trao đổi nhiệt Nam Kinh Prandtl có thể cung cấp các giải pháp trao đổi nhiệt dạng tấm khí tùy chỉnh dựa trên dữ liệu quy trình thực tế để vận hành an toàn, hiệu quả và lâu dài.

 

Câu hỏi thường gặp

Điều gì gây ra sự ăn mòn điểm sương của khí thải?

Ăn mòn điểm sương của khí thải là do hơi axit ngưng tụ trên bề mặt kim loại khi nhiệt độ bề mặt giảm xuống dưới điểm sương axit. Các chất ngưng tụ thông thường bao gồm axit sulfuric từ SO₃ và hơi nước, và axit clohydric từ khí chứa clorua.

Vật liệu nào tốt nhất cho việc ăn mòn điểm sương của khí thải?

Không có vật liệu phổ quát tốt nhất. 316L có thể phù hợp với dịch vụ vừa phải, thép không gỉ song công hoặc hợp kim cao có thể phù hợp với việc tiếp xúc với clorua hoặc axit hỗn hợp mạnh hơn và hợp kim gốc niken có thể được yêu cầu trong điều kiện ngưng tụ nghiêm trọng.

Thép không gỉ có thể ngăn chặn hoàn toàn sự ăn mòn điểm sương?

Không. Thép không gỉ có thể giảm nguy cơ ăn mòn, nhưng clorua, chất ngưng tụ có độ pH thấp, axit sulfuric, kẽ hở, cặn lắng và nhiệt độ thành thấp vẫn có thể gây ra vết rỗ hoặc ăn mòn kẽ hở.