Panndagarna 2009 Jönköping, 4-5 februari 2009 Överhettarkorrosion och materialavverkning Anders Hjörnhede Vattenfall Power Consultant AB Göteborg © Vattenfall AB Överhettarkorrosion och materialavverkning i pannor © Vattenfall AB Exempel på Orsaker Exempel på Åtgärder Exempel på Övervakning 2 1 Korrosionsdrivande orsaker Högre verkningsgrad Ångtemperatur: biobränsleeldade: 540°C (600°C) RT – flis: 500°C (550°C) avfall : 420°C (500°C) Krav på lägre emissioner + förnyelsebar: Biobränsle – fossila bränslen Lägre NOx-emissioner: understökiometrisk förbränning Billigare bränslen: Sämre bränslekvalitet - R/T Ännu billigare bränslen: Avfall - WTE © Vattenfall AB 3 Biobränsle Ökade halter av Cl och alkali 1. Rena träbränslen (spån, flis) : tämligen oproblematiska 2. Skogsavfall (GROT) + barr och bark : mer korrosiva 3. Jordbruksbränslen (energigrödor, halm, spannmål, olivavfall) : korrosiva Biobränslen med hög årlig tillväxt; snabbväxande träd, årliga grödor och halm 4. RT-flis (avfall) Utsorterade avfallsfraktioner liknar rena träbränslen men t.ex. RT-flis innehåller förhöjda halter av Zn och Pb (Cl) © Vattenfall AB 4 2 Avfall Heterogent bränsle (hushållsavfall) Höga halter av Cl, S, alkali och tungmetaller. Högre än biobränslen som t.ex. torv och halm Korrossionen ökar med ökande temperatur: låg ångtemp. lågverkgrad Utfällning av fasta Pb- och Zn-klorider från gasfas: 350°C Korrosionsproblem (Pb, Zn) uppstår på tuber med lägre metalltemperaturer Plast: reaktiv avfallsfraktion som kan innehålla höga halter av Cl (PVC-plast) Cl, S, Zn och Pb förekommer i avlagring i signifikanta mängder närmast metallytan : orsakar korrosion © Vattenfall AB 5 Haveri ÖH-tub, avfallspanna R. Warnecke, GKS-Schweinfurt © Vattenfall AB 6 3 Överhettarkorrosion Hög klorhalt i bränslet ger störst korrosionsproblem på överhettarna Korrosiva påslag bildas på överhettarna p.g.a. höga temperaturer i rökgas och på värmeöverförande ytor samt kemisk sammansättning i rökgas och flygaska Påslagen består delvis av klibbiga smältor som ytterligare ökar tillväxthastigheten av påslag Förhöjd korrosionshastighet genom underlättande transporter av reaktanter till korrosionsprocesser vid metallytan Smältor förstör oxidskikt och bidrar till ökad korrosion © Vattenfall AB 7 Material till överhettare Kolstål och låglegerade stål (–2.25% Cr) 15Mo3, SS 2216, SS 2218 Rena trädbränslen, låga materialtemperaturer RT: <500°C, Avfall: 420°C Betydligt billigare än övriga material Ferritiska rostfria stål (9-12% Cr) X20, VM12, P91, P92 RT: <500°C, Avfall: <420°C. Högre temp vid biobränsl e än låglegerat Austenitiska rostfria stål (Ni, 15 – 30% Cr) 347, Esshete 1250, AC-66, Alloy 800 Måttligt korrosiva miljöer RT: 540 – 560°C, Avfall: 42 0 - 440°C Ni-bas superlegringar (Ni är betydligt mindre känsligt för klorkorrosion än Fe och Cr, men är känsligare för S (sulfidering) Inconel 625, (Sanicro 63), TM45 Skyddsskikt (t.ex. kompound eller svetsat) i mycket aggressiva miljöer och/eller höga materialtemperaturer RT: >560°C, Avfall: 440°C, >500°C © Vattenfall AB 8 4 Överhettare påsvets avfallspanna, roster Rökgastemperatur c:a 650°C Ångtemperatur 500°C Exponeringstid c:a 8000h Inconel 686 motstod korrosionsangreppen hyggligt Inconel 625 var kraftigt angripen av gropfrätning CheMin Schwandorf © Vattenfall AB 9 Metalliska beläggningar Kostnad, inklusive montagearbete (Ni-bas billigare idag) © Vattenfall AB 15Mo3 (referens) 1 Påsvetsat material SS 310 Alloy 650 Alloy 625 Alloy 622 Alloy 686 1,5 2 2,5 3,5 10 Kompound Sanicro 28 (Sanicro 63 10 15,5) 10 5 Returträ-flis (RT-flis) Tillför högre Cl-halt (jmf biobränsle) Speciellt är 9 – 12% Cr-stål känsliga. Har ofta en ferritisk/martensitiskt struktur Ökning av korrosionshastighet vid byte till RT-flis : 25% - 1000%! Vilket medför att ÖH-material måste bytas, eller att additiv måste tillsättas © Vattenfall AB 11 Byte: Biobränsle till R/T-flis Conversion: Biomass -> Waste Wood Increase of corrosion rate [%] 500 400 300 200 100 0 Austenitic 25% Austenitic 18% Ferritic 9-12% Ferriticb 9-12% Low alloyed Alloy © Vattenfall AB 12 6 Korrosionshämmande additiv: ChlorOut Huvudreaktioner 1. (NH4)2SO4→2NH3(g) + SO3(g) + H2O Ammoniumsulfaten faller isär och NH3 and SO3 bildas 2. SO3 + H2O + 2NaCl(g) →2HCl(g) + Na2SO4(s) SO3 reagerar med alkaliklorider and konverterar dem till alkalisulfater och HCl SNCR- reaktion (NOx-reduktion) 3. 4NH3(g) + 4NO (g) + O2(g) →4N2(g) + 6H2O Ammoniaken reagerar med NO som reduceras © Vattenfall AB 13 Munksund: Bark + spån + PVC Normal 25 ChlorOut ChlorOut 120 20 90 15 60 10 30 5 0 08:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 KCl (ppm wg) Load (tonnes/h), SO2 (ppm wg) NO (mg/m3n) 150 Load SO2 NO KCl 0 22:00 2005-03-22 © Vattenfall AB 14 7 Korrosionssonder (4 veckors exponering) Vänster: Utan ChlorOut-injektion Höger: ChlorOut-injektion Förklaring -> © Vattenfall AB 15 SEM-EDX mapping, (tvärsnitt) Utan ChlorOut ChlorOut S Cl S Cl Fe K Fe K © Vattenfall AB 16 8 Reduktion av korrosionshastighet Reference fuel, 4 weeks ChlorOut 4 weeks ChlorOut 10 weeks Temperature 560 540 0,4 520 500 0,3 480 0,2 460 Temperature [°C] Corrosion [mm/1000h] 0,5 440 0,1 420 0,0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Ring no. © Vattenfall AB 17 Effekter av ChlorOut dosering Korrosionshastigheten för 15Mo3 vid 430°C utan ChlorOut blir den samma som vid 500°C med ChlorOut Liknande result för andra låglegerade stål 10CrMo910 (2218) och 13CrMo44 (2216) Korrosionshastigheten för det ferritiska rostfria stålet X20 reduceras med över 90 % med ChlorOut Korrosionshastigheten för det austenitiska rostfria stålet Esshete 1250 reducerade från en ganska låg nivå till en väldigt låg nivå © Vattenfall AB 18 9 Alkalikloridhalt: ChlorOut – CFB avfall ChlorOut Injection 400 l/h and 250 l/h 140 250 l/h 400 l/h Conentration [ppm] 120 Alkali chloride 100 80 60 40 20 0 07-05-09 8:00:00 07-05-09 10:00:00 07-05-09 12:00:00 07-05-09 14:00:00 07-05-09 16:00:00 07-05-09 18:00:00 Time © Vattenfall AB 19 Realtidskorrosionsmätning • Den momentana korrosionshastigheten erhålls • Ring- (kupong) tester ger endast ett medelvärde Inverkan av: • Last (temperaturförändringar) • Bränslesammansättning, inhibitorer • Driftstart och stopp Konsekvenser: • Minimera antal driftstopp p.g.a. haveri • Optimera livslängden på korrosionsutsatta delar (byt korroderade komponenter men behåll friska) • Ej nödvändigt att byta till material med högre kvalitet eftersom de kvarvarande livslängden på komponenten är känd © Vattenfall AB 20 10 Tubgodstjocklek som funktion av tid © Vattenfall AB 21 LUAT, Tyskland © Vattenfall AB 22 11 Avfall: 15Mo3 och Hastelloy C-2000 Materialtemperatur: 300 - 400°C, rökgastemperatur: 5 20°C Exponeringstid: 3750h 15Mo3-stålet: Kraftiga korrosionsangrepp Hastelloy C-2000: mindre gropfrätning © Vattenfall AB 23 Jämförelse mellan lågleg. och Ni-bas Electrochemical Noise 15Mo3 Haynes C-2000 WTE, Müllverwertung Borsigstrasse 5 Hamburg, Germany Corrosion Rate [?] Metal temp: 380°C Flue gas: 550°C 4 3 2 50 60 70 80 90 Time [h] © Vattenfall AB 24 12 Gropfrätning vs. sotblåsning, Ni-bas material, snabb detektion Pitting corrosion vs. soot blowing 0,010 Pitting Factor 0,008 0,006 0,004 0,002 0,000 0:00:00 16:00:00 8:00:00 0:00:00 16:00:00 8:00:00 0:00:00 16:00:00 8:00:00 0:00:00 Time © Vattenfall AB 25 Korrosionshastigheter vs. tubyttemperatur 2006-10-05 4 2006-10-25 2006-11-14 2006-12-04 500 480 460 440 420 2 400 P+F Sanicro 63 EN 2 Temperature [°C] 1 2006-10-05 2006-10-25 2006-11-14 Temperature [°C] Corrosion Rate 3 380 360 2006-12-04 Date © Vattenfall AB 26 13 Ackumulerad korrosion uppmätt med EN-teknik 15Mo3 C-2000 700000 Cumulative corrosion 600000 500000 375°C 325°C 350°C 300°C 400000 300000 200000 100000 0 2006-12-04 2007-01-04 2007-02-04 2007-03-04 2007-04-04 2007-05-04 Date © Vattenfall AB 27 Korrosionshastigheter (vs. SO2-konc) 2006-10-04 2006-10-18 2006-11-01 2006-11-29 MECO 15Mo3 MECO Sanicro 63 3 Concentration SO2 [mg/Nm ] 700 2006-11-15 SO2 Corrosion Rate 600 500 400 300 200 2006-10-04 2006-10-18 2006-11-01 2006-11-15 2006-11-29 Date © Vattenfall AB 28 14 Sammanfattning • Billigare bränsle ger upphov till korrosion • Åtgärder finns tillgängliga för att övervaka och minska korrosionen • Tillvägagångsätt: Mäta – Analysera – Åtgärda © Vattenfall AB 29 15