Aliaje Hastelloy în incinerarea deșeurilor: rezistență la coroziune la condensurile acide ale gazelor arse

Arderea deșeurilor solide municipale produce mai mult decât căldură și cenușă - produce un gaz de ardere îmbinat cu acid clorhidric, oxizi de sulf și alți compuși care formează acizi-care, odată condensate, creează unul dintre cele mai corozive medii lichide cu care se confruntă în mod obișnuit echipamentul industrial. Oțelul inoxidabil standard și, în multe cazuri, chiar și clasele super-austenitice de molibden 6%, nu sunt adecvate în mod fiabil în această chimie specifică a condensatului, motiv pentru careHastelloy C276, C-22 și C-2000 au devenit materiale standard în sistemele de curățare și stingere a instalațiilor de transformare a deșeurilor în energie. Acest ghid explică de ce condensul gazelor arse este atât de agresiv, unde se formează într-o instalație de incinerare și cum este specificată familia de aliaje Hastelloy pentru a-i supraviețui.

De ce gazele arse de incinerare a deșeurilor creează un mediu de coroziune atât de agresiv?

Gazele de ardere de incinerare a deșeurilor sunt agresive deoarece arderea deșeurilor solide municipale mixte - care conțin în mod obișnuit materiale plastice PVC, deșeuri alimentare și alte materiale care conțin clor- și-sulf- eliberează acid clorhidric, oxizi de sulf și alte gaze-formând acide care devin extrem de corozive}H-, odată ce acestea devin extrem de corozive} lichid-clorură ridicat.

Deșeurile solide municipale sunt un combustibil foarte variabil, iar această variabilitate este exact ceea ce face ca chimia gazelor de ardere să fie atât de solicitantă: PVC și alte materiale plastice clorurate eliberează clorură de hidrogen (HCl) gaz în timpul arderii, materialele care conțin sulf{0}}eliberează oxizi de sulf care pot forma acid sulfuric și sulfuros la condensare, iar urmele de halogeni și metale grele adaugă, eventual, la condensare, fluxul de metale grele adaugă în continuare complexul de condensare. chimie.

Spre deosebire de un proces chimic bine controlat, cu o materie primă cunoscută și consistentă, compoziția gazelor de ardere a unei instalații de incinerare se modifică odată cu compoziția deșeurilor care sunt arse într-o anumită zi, ceea ce înseamnă că sistemul de protecție împotriva coroziunii trebuie proiectat pentru o combinație de condiții realist severă, mai degrabă decât pentru o singură chimie caracterizată cu precizie - o filozofie de proiectare în detrimentul materialelor îngust{2} cele optimizate.

Ce este coroziunea punctului de rouă acidă și unde are loc într-un sistem de incinerare?

Coroziunea punctului de rouă acidă apare atunci când gazele de ardere se răcesc la temperatura specifică la care vaporii săi care formează acid-condensează în picături de lichid direct pe suprafețele echipamentului și este mai gravă la suprafețele de transfer de căldură-reci, camerele de stingere și sistemele de epurare umedă, unde această condensare este fie inevitabil, fie indusă în mod deliberat ca parte a procesului de control al poluării.

Gazele de ardere transportă compuși care formează acid-sub formă de vapori la temperatură ridicată și, pe măsură ce gazul se răcește - fie printr-un echipament de recuperare a căldurii, fie printr-un proces de stingere și spălare intenționat -, acești compuși ating o temperatură la care se condensează ca lichid acid concentrat direct pe cea mai apropiată suprafață rece. Acest punct de rouă acid nu este o singură temperatură fixă; depinde de amestecul specific de gaze acide și de conținutul de umiditate prezent, dar mecanismul de bază este consecvent: orice suprafață metalică care scade sub acest prag devine un loc de condensare pentru ceea ce poate fi un lichid coroziv concentrat local cu pH extrem de scăzut,-clorură ridicat și adesea concentrat local.

Acesta este tocmai motivul pentru care suprafețele-economizorului și preîncălzitorul de aer, camerele de stingere și vasele de epurare umedă - toate special concepute pentru a răci gazele de ardere și, în epuratoare, pentru a le contacta în mod intenționat cu lichidul pentru îndepărtarea gazelor acide - sunt zonele în care acest mecanism de coroziune este cel mai sever și cel mai important pentru selecția materialului.

Ce aliaje Hastelloy sunt utilizate în mod obișnuit în serviciul de incinerare a deșeurilor și cum diferă?

Hastelloy C-276, C{-22 și C-2000 sunt aliajele nichel-crom-molibden cel mai frecvent specificate pentru serviciul de condensare a gazelor arse acide, fiecare oferind un profil de rezistență la coroziune înrudit, dar distinct, modelat de diferențele de conținut de molibden, wolfram și cupru.

O comparație a celor trei grade Hastelloy cele mai frecvent specificate pentru acest serviciu:

Tabelul 1. Comparația claselor Hastelloy obișnuite specificate pentru serviciul de incinerare a deșeurilor condens gaze arse. Selectarea calității ar trebui întotdeauna validată în raport cu chimia specifică a condensatului așteptată la o anumită locație a fabricii, în mod ideal susținută de teste de coroziune sau de experiență documentată pe teren în servicii comparabile, mai degrabă decât de ghiduri generale de referință.

Toate cele trei aliaje împărtășesc aceeași bază de nichel-crom-molibden, responsabilă de rezistența atât la atacul general al acidului, cât și la coroziunea localizată indusă de clorură-, dar fiecare a fost dezvoltat pentru a extinde sau reechilibra acea rezistență într-o direcție specifică - C{-22 și performanță îmbunătățită de oxidare{7}0{08} a cuprului{7}0{08} Rezistența la acid sulfuric reprezintă ambele răspunsuri metalurgice vizate la lacune specifice identificate în experiența de teren cu aliaje de generație anterioară, cum ar fi C-276, ecou cu același tip de rafinament compozițional discutat în alte ghiduri tehnice privind evoluția gradului de oțel inoxidabil.

De ce oțelul inoxidabil standard este în general inadecvat pentru condensul de gaze arse acide?

Oțelul inoxidabil austenitic standard și, adesea, chiar și clasele super-molibdenului 6%, sunt în general inadecvate pentru cele mai severe zone de condensare a gazelor de ardere acide, deoarece combinația de pH foarte scăzut, concentrație ridicată de clorură și specii oxidante în acest condens specific depășește rezistența practică la coroziune limitează aceste grade oferite, în special în ceea ce privește coroziunea, fisurarea și coroziunea clorură.

Condensul gazelor arse combină simultan mai mulți factori-de accelerare a coroziunii: concentrația de clorură care poate crește cu mult peste nivelurile obișnuite ale apei de proces pe măsură ce evaporarea concentrează condensul, pH-ul suficient de scăzut pentru a reprezenta un atac autentic de acid, mai degrabă decât simpla expunere la clorură și arderea oxidantă prin-produse care pot împinge chiar și aliajele rezistente{{2} la cloruri către limitele lor practice. Această combinație este considerabil mai severă decât scenariile generale de coroziune a clorurii și a crăpăturilor discutate în alte ghiduri tehnice privind limitele PREN și clorura din oțel inoxidabil, motiv pentru care instalațiile de deșeuri-la-energetice ajung în mod special la aliaje-Hastelloy pe bază de nichel în zonele cele mai severe, mai degrabă decât să se bazeze pe cele mai bune performanțe ale oțelului PREN, mai puțin bine din oțel inoxidabil. medii de oxidare a clorurilor, cum ar fi apa de mare.

Cum se îmbunătățește C-22 față de C-276 pentru condiții de oxidare a clorurii acide?

Hastelloy C-22 îmbunătățește performanța C-276 în special în condiții de oxidare a clorurii acide printr-o compoziție reechilibrată de crom, molibden și wolfram, oferindu-i o rezistență mai bună la coroziune localizată și atac general în prezența speciilor oxidante decât oferă C-276, motiv pentru care C-22 a devenit din ce în ce mai preferat în multe sisteme de scruber moderne.

C-276 rămâne un aliaj excelent, larg capabil, dar experiența de teren în aplicațiile de procesare chimică și de curățare a gazelor de ardere a identificat că performanța sa ar putea deveni mai marginală, în special atunci când condițiile de clorură acide erau, de asemenea, puternic oxidante - o combinație cu adevărat posibilă în incinerarea condensului de gaze de ardere, având în vedere oxidarea gazelor de ardere a produselor prezente{5}}. Dezvoltarea lui C-22 a vizat în mod special acest decalaj, reechilibrând raportul crom și molibden-tungsten al aliajului pentru a extinde performanța fiabilă și mai mult în condiții de oxidare, fără a sacrifica rezistența la acid reducător care a făcut C-276 valoros în primul rând.

Această îmbunătățire vizată este motivul pentru care multe modele moderne de sisteme de curățare umedă specificăC22ca cel puțin egal cu și în aplicații predispuse la oxidare-condiții-preferate uneori față de C-276, chiar dacă ambele rămân valide, opțiuni specificate în mod activ, în funcție de chimia specifică a condensatului la care se așteaptă o anumită instalație.

Ce rol joacă adaosul de cupru a C-2000 în rezistența la condensarea gazelor de ardere?

Adaosul de cupru din C-2000 îmbunătățește în mod specific rezistența la acidul sulfuric și la anumite condiții de acizi amestecați, făcându-l o alegere deosebit de relevantă în cazul în care condensatul gazelor de ardere poartă o componentă semnificativă de sulfat sau acid sulfuric alături de conținutul de clorură mai frecvent accentuat.

Adăugările de cupru au un rol bine-consacrat în metalurgia aliajelor de nichel pentru îmbunătățirea rezistenței în mediile de reducere a acide, un principiu discutat și în alte ghiduri tehnice care acoperă rolul cuprului în clase precum 904L. C-2000 aplică același principiu general într-un cadru Hastelloy cu conținut ridicat de-crom și-molibden, oferindu-i un profil de rezistență la coroziune care acoperă atât condițiile oxidante, cât și cele reducătoare, oferind în același timp o rezistență deosebită în acidul-sulfuric-, deoarece a influențat chimia - specifică în condensat în gazul de condens. Componentele deșeurilor cu sulf-poate produce un conținut semnificativ de sulfat și acid sulfuric, alături de contribuția de acid clorhidric discutată mai frecvent. În cazul în care analiza chimică a condensului preconizată a unei anumite fabrici indică faptul că conținutul semnificativ de sulfat este o preocupare dominantă, C-2000 este un aliaj rezonabil de evaluat împreună cu C-276 și C-22, mai degrabă decât să fie implicit la oricare dintre discuțiile mai concentrate pe clorură.

Unde într-o instalație de incinerare sunt cele mai frecvent specificate aliajele Hastelloy?

Aliajele Hastelloy sunt cel mai frecvent specificate în vasele de epurare umedă, camerele de stingere, eliminatoarele de ceață și suprafețele de transfer de căldură-la capătul rece - zonele specifice în care are loc contactul direct susținut cu condensul acid concentrat -, în timp ce zonele mai puțin severe ale aceleiași instalații sunt adesea construite din materiale mai economice.

O vedere zonă-cu-zonă a abordării tipice a materialului pe traseul gazelor de ardere a unei instalații de incinerare:

Tabelul 2. Severitatea coroziunii și abordarea materialului reprezentativ zonă-cu-zonă pe traseul gazelor de ardere a unei instalații de incinerare a deșeurilor-la-energie.

Acest model de specificații selective oglindește aceeași filozofie de selecție a materialelor bazată pe -zonă, șofer-specifică, discutată în alte ghiduri tehnice privind structurile offshore și echipamentele de procesare chimică: în loc să construiască o fabrică întreagă din materialul disponibil cel mai rezistent la coroziune-, inginerii concentrează aliaje premium de nichel în mod specific în locațiile în care apar materiale susținute, severe sau condens, folosind materiale de protecție mai economică sau condens, în alte locuri. acelasi sistem.

Cum ar trebui să abordeze inginerii selecția materialelor în zonele de coroziune ale unei instalații de incinerare?

Inginerii ar trebui să caracterizeze chimia precondensului - clorura, sulfatul și pH-ul - după zonă, să cartografieze temperatura locală a metalului în raport cu punctul de rouă acid și să aleagă dintre C-276, C-22 și C-2000 (sau o combinație între diferite zone) pe baza caracterului oxidant/reducător specific și a conținutului de sulfat așteptat în fiecare locație a condensatului.

O abordare practică a selecției:

1. Caracterizați chimia așteptată a gazelor de ardere și a condensului,inclusiv intervalele de clorură, sulfat și pH, în mod ideal pe baza compoziției actuale sau reprezentative a fluxului de deșeuri, mai degrabă decât pe ipotezele generice.

2. Hartați temperatura locală a metalului în raport cu punctul de rouă acidpentru fiecare zonă, identificând unde este probabil să apară condensul chiar și în afara zonelor umede în mod deliberat, cum ar fi scruberele și camerele de stingere.

3. Evaluați caracterul oxidant/reducător al condensului așteptatca factor principal în alegerea între C-276 și C-22, în concordanță cu principiile de selecție a materialelor bazate pe mecanisme discutate în alte ghiduri tehnice privind mediile de oxidare versus reducerea coroziunii.

4. Luați în considerare C-2000 în special acolo unde conținutul de sulfat sau acid sulfuric este o componentă semnificativă, documentatăa chimiei condensului așteptat, mai degrabă decât să se utilizeze implicit doar comparațiile concentrate{0}}cloruri.

5. Aplicați aliaje premium selectiv pe zonă,rezervând clasele Hastelloy pentru locații cu expunere susținută și severă la condens acid în timp ce se utilizează materiale mai economice sau căptușeli de protecție în altă parte în aceeași fabrică.

Întrebări frecvente

Oțelul inoxidabil duplex sau super duplex poate fi folosit oriunde în traseul gazului acid al unei instalații de incinerare a deșeurilor?

Da, în zonele mai puțin severe în care chimia condensului este mai puțin agresivă sau temperatura metalului rămâne în mod fiabil peste punctul de rouă acid, gradele duplex și super duplex pot oferi o alternativă mai economică la aliajele Hastelloy, dar în general nu sunt considerate adecvate pentru contactul direct și susținut cu cel mai sever scruber și condens din camera de stingere.

Compoziția fluxului de deșeuri afectează în mod semnificativ calitatea Hastelloy adecvată?

Da -, deoarece compoziția deșeurilor solide municipale variază în funcție de regiune și de-a lungul timpului, instalațiile care ard fluxuri de deșeuri cu conținut neobișnuit de mare de plastic clorurat, material care conțin sulf-sau co-ardere a deșeurilor industriale pot prezenta o chimie semnificativ diferită a condensului față de un flux tipic de deșeuri municipale, motiv pentru care este recomandată o alegere unică{3}decât o alegere universală{3}decât să se recomande o alegere unică{3}decât o alegere universală{3}} toate instalațiile de incinerare.

Sunt aliajele Hastelloy folosite ca construcție de vase solide sau mai des ca căptușeli și placare?

Ambele abordări sunt folosite în practică - construcția solidă Hastelloy este comună pentru componentele mai mici și elementele critice, cum ar fi eliminatoarele de ceață, în timp ce placarea sau căptușirea unui substrat structural mai economic cu un strat Hastelloy este o abordare obișnuită-eficientă din punct de vedere al costurilor pentru vasele mai mari, cu alegerea în funcție de dimensiunea vasului, considerentele de fabricație și economia proiectului.

Este sudarea aliajelor Hastelloy în fabricarea instalațiilor de incinerare diferită de sudarea lor în alte industrii?

Principiile fundamentale de sudare - selecția adecvată a metalului de adaos, controlul aportului de căldură și curățarea post-sudare - sunt în concordanță cu practica de sudare Hastelloy din diverse industrii, deși fabricarea instalațiilor de incinerare ar trebui să urmeze în continuare o procedură de sudare calificată specifică aliajului și aplicației exacte, mai degrabă decât să presupunem că se aplică îndrumările generale de sudare a aliajului de nichel fără verificarea.

Utilizarea unui aliaj premium Hastelloy elimină nevoia de inspecție regulată a sistemelor de epurare a instalațiilor de incinerare?

Nicio -, chiar și aliajele foarte rezistente la coroziune-, nu beneficiază de un program de inspecție documentat, în special având în vedere variabilitatea reală a chimiei gazelor arse de incinerare pe durata de viață a unei instalații; inspecția rămâne o completare importantă a selecției materialelor, mai degrabă decât un pas pe care selecția aliajelor premium îl face inutilă.