Bir Baca Gazı Kükürt Giderme Ünitesi Yeniden Isıtıcısında Uçucu Kül Parçacıklarının Varlığı Neden Tercihen Titanyum Borunun Kıvrımlarda Yukarı Akış Tarafını Aşındırır?
Mesaj bırakın
Kömürle çalışan-elektrik santrallerindeki baca gazı kükürt giderme (FGD) üniteleri, temizlenmiş baca gazının bacaya girmeden önce sıcaklığını yükseltmek için yeniden ısıtıcılar kullanır. Asidik, klorür-zengin ortamlardaki korozyon direnci nedeniyle titanyum tercih edilen malzemedir. Bununla birlikte, FGD baca gazı, boyutları 1 ila 100 µm arasında değişen, köşeli, sert (çoğunlukla silika ve alümina) uçucu kül parçacıkları içerir. Bu parçacıklar gazla birlikte 15-25 m/s hızlarda hareket eder. Gaz akışı titanyum tüpte bir bükülme ile karşılaştığında, daha ağır parçacıklar gaz kadar hızlı yön değiştiremez. Orijinal yörüngeleri boyunca devam ederek virajın dış yarıçapında tüp duvarına çarpıyorlar. Bu parçacık etkisi erozyona neden olur ve tercihen malzemeyi bükümün yukarı akış kısmından uzaklaştırır. Zamanla duvarların incelmesi, delinmeye ve baca gazı veya yoğuşma sızıntısına yol açar.
Boru Dirseklerinde Uçucu Kül Erozyonunun Mekanizması
Erozyon mekanizması darbeli aşınma ve kesmenin birleşimidir. Uçucu kül parçacıkları titanyum yüzeyine yüzey teğetine göre tipik olarak 20-50 derecelik açılarla çarpar. Titanyum sert olmasına rağmen silikayla (yaklaşık 1.200 HV) karşılaştırıldığında nispeten düşük sertliğe (Sınıf 2 için 180-220 HV) sahiptir. Her parçacık çarpması, 20 m/s'de 20 µm'lik bir parçacık için 1–10 µm³ mertebesinde küçük bir hacimdeki titanyumun-yerini değiştirir. Erozyon hızı bir güç yasasını izler: Erozyon ∝ (V)^n × (d)^m × (partikül konsantrasyonu), burada V hızdır, d partikül çapıdır, n titanyum için yaklaşık 2,3'tür ve m yaklaşık 2,0'dır. Kıvrımlarda, eğri etrafındaki parçacık ivmesinden dolayı efektif darbe hızı kütle gaz hızından daha yüksektir. Parçacıklar henüz önceki çarpışmalar nedeniyle saptırılmadığından tüpün yukarı akış tarafı en yüksek darbe yoğunluğunu alır.
Farklı Bükülme Konumlarında Kantitatif Erozyon Oranları
Saha ölçümleri ve laboratuvar testleri (20 m/s gaz hızı, 50 mg/m³ uçucu kül, 20 µm ortalama parçacık boyutu), 2. Derece titanyum için aşağıdaki erozyon oranlarını tespit etmiştir:
Düz boru kesiti, düzgün akış: Yıllık 0,05–0,10 mm erozyon oranı. Malzeme çıkarma çevre çevresinde nispeten tekdüzedir. 1,5 mm et kalınlığı ile 10–15 yıl kullanım ömrüne uygundur.
Dış yarıçapı bükün, 90 derece dirsek, yukarı akış tarafı: Yıllık 0,6–1,2 mm erozyon oranı. Maksimum duvar kaybı, parçacık yörüngesinin tüple ilk temas ettiği noktada meydana gelir. Lokalize incelme 1-2 yıl içinde 1,5 mm'lik bir duvarı delebilir.
Dış yarıçapı bükün, aşağı akış tarafı (çarpmadan sonra): Yıllık 0,2–0,4 mm erozyon oranı. Parçacıklar ilk çarpışmadan sonra kinetik enerjilerini kaybetmişlerdir. İkincil erozyon hala önemli.
İç yarıçapı bükün (intrados): Yıllık 0,02–0,05 mm erozyon oranı. Daha düşük parçacık darbe yoğunluğu. Genellikle gaz sınır tabakası tarafından korunur.
Seri halinde birden fazla büküm (örn. serpantin yeniden ısıtıcı): Parçacıklar ilk darbelerden sonra daha köşeli ve agresif hale geldiğinden, sonraki her bükülmede erozyon oranları %20-50 oranında artar.
Erozyonu Azaltma ve Tasarım Seçim Kılavuzu
Aşağıdaki tablo, parçacık yükü ve gaz hızına dayalı olarak titanyum boru bükümlerinde uçucu kül erozyonunun yönetilmesine yönelik bir karar çerçevesi sunmaktadır:
| FGD Yeniden Isıtıcı Durumu | Önerilen Erozyon Koruması | Bükülmede Beklenen Erozyon Oranı | Duvar Kalınlığı Önerisi |
|---|---|---|---|
| Düşük kül yüklemesi (<20 mg/m³), low velocity (<15 m/s) | Standart Sınıf 2, koruma yok | 0,2–0,4 mm/yıl | 1,5 mm |
| Orta derecede kül (20–50 mg/m³), hız 15–20 m/s | Büyük boyutlu bükülme yarıçapı (3D'den büyük veya eşit), 7. Sınıf titanyum | 0,3–0,5 mm/yıl | 2,0 mm |
| Yüksek kül (50–100 mg/m³), hız 20–25 m/s | Yukarı yöndeki bükülme yüzeyinde tungsten karbür kaplama (0,5 mm) | <0.05 mm/year (coated) | 1,5 mm kaplamalı |
| Severe ash (>100 mg/m³), aşındırıcı uçucu kül (yüksek silika) | Dönüşlerde değiştirilebilir aşınma plakaları veya manşonları | Yok (aşınan parça değiştirildi) | 2 mm aşınma plakalı 1,2 mm boru |
| Bilinen bükülme erozyonuna sahip mevcut FGD | Dönüş kanatlarını virajın yukarısına takın | Erozyonu %60-80 oranında azaltır | N/A |
Erozyon Direncinin Ötesinde Mühendislik
Titanyum alaşımı kalitesi erozyon direncini etkiler. 7. Derece (paladyum-stabilize edilmiş), 2. Derece ile benzer sertliğe (180–220 HV) ve erozyon oranına sahiptir. 12. Derece (molibden-nikel) biraz daha serttir (200–240 HV) ve erozyonu %15–20 oranında azaltır. Yüzey işlemleri erozyon direncini artırabilir: nitrürleme, erozyonu %70-80 oranında azaltan ancak maliyeti artıran bir TiN yüzey katmanı (500-800 HV) üretir. Dirseklerdeki boru et kalınlığı, düz kesit gereksiniminin ötesinde artırılmalıdır. Tipik bir tasarımda düz bölümler için 1,5 mm'lik duvar ve dış yarıçaplar için 2,5 mm'lik duvar kullanılır. Büküm geometrisi kritik öneme sahiptir: uzun-yarıçaplı bükümler (R=5D), standart-yarıçaplı bükümlerden (R=1.5D) %50 daha düşük erozyona maruz kalır. Gaz akış düzeni, parçacıkları dış yarıçaptan uzağa yönlendirmek için kanatların kıvrımların yukarısında döndürülmesiyle değiştirilebilir.
Bilgiye Dayalı Bir Spesifikasyon Yapmak
Uçucu kül içeren FGD hizmeti için bir titanyum yeniden ısıtma borusu belirlerken, gaz yolundaki tüm kıvrımları tanımlayın. Her büküm için, daha kalın duvarlı dikişsiz bir bükülmüş boru kullanarak veya yukarı akış tarafına titanyum veya tungsten karbürden oluşan bir kaynak kaplaması uygulayarak dış yarıçapta artırılmış bir duvar kalınlığı (2,0–2,5 mm) belirtin. Yüksek-erozyon bölgelerini belirlemek için yeniden ısıtıcı boyunca parçacık yörüngelerinin hesaplamalı akışkanlar dinamiği (CFD) modellemesini talep edin. Çalışma sırasında, virajın dış yarıçaplarında yıllık olarak ultrasonik kalınlık testi yapın. Borunun değiştirilmesi veya onarılması gereken kritik duvar kalınlığı eşiğini (örneğin kalan 0,8 mm) belirleyin. Yeni kurulumlar için minimum 3 boyutlu (boru dış çapının üç katı) bükülme yarıçapı belirtin. Alan kısıtlamaları sıkı bükümler (R=1.5D) gerektiriyorsa, tungsten karbür kaplama veya değiştirilebilir aşınma manşonları isteyin. Mühendis, bükümlerdeki tercihli erozyonu farklı bir tasarım unsuru olarak ele alarak, uçucu kül yüklü baca gazı akışlarında titanyum FGD yeniden ısıtıcılarının hizmet ömrünü 1-2 yıldan 10-15 yıla kadar uzatıyor.
