Les unitats de desulfuració de gasos de combustió (FGD) de les centrals elèctriques-de carbó utilitzen reescalfadors per augmentar la temperatura dels gasos de combustió netejats abans que entrin a la chimenea. El titani és el material escollit a causa de la seva resistència a la corrosió en un entorn àcid i ric en clorur-. Tanmateix, el gas de combustió FGD conté partícules de cendres volants-angulars, dures (principalment sílice i alúmina), amb mides que oscil·len entre 1 i 100 µm. Aquestes partícules viatgen amb el gas a velocitats de 15-25 m/s. Quan el corrent de gas troba una corba al tub de titani, les partícules més pesades no poden canviar de direcció tan ràpidament com el gas. Continuen al llarg de la seva trajectòria original, impactant la paret del tub al radi exterior del revolt. Aquest impacte de partícules provoca erosió, eliminant preferentment el material del costat aigües amunt del revolt. Amb el temps, l'aprimament de la paret provoca la perforació i la fuita de gasos de combustió o condensats.

Mecanisme d'erosió de cendres volants als corbes del tub

El mecanisme d'erosió és una combinació de desgast per impacte i tall. Les partícules de cendres volants impacten contra la superfície de titani amb angles típicament de 20 a 50 graus en relació amb la tangent superficial. El titani, tot i que és dur, té una duresa relativament baixa (180-220 HV per al grau 2) en comparació amb la sílice (aproximadament 1.200 HV). Cada impacte de partícules desplaça un petit volum de titani-de l'ordre d'1 a 10 µm³ per a una partícula de 20 µm a 20 m/s. La taxa d'erosió segueix una llei de potència: Erosió ∝ (V)^n × (d)^m × (concentració de partícules), on V és la velocitat, d és el diàmetre de la partícula, n és aproximadament 2,3 per al titani i m és aproximadament 2,0. A les corbes, la velocitat d'impacte efectiva és superior a la velocitat del gas a granel a causa de l'acceleració de partícules al voltant de la corba. El costat aigües amunt del tub rep la major densitat d'impactes perquè les partícules encara no s'han desviat per col·lisions anteriors.

Taxes d'erosió quantitatives a diferents llocs de corba

Les mesures de camp i les proves de laboratori (20 m/s de velocitat del gas, 50 mg/m³ de cendres volants, 20 µm de mida mitjana de partícula) han establert les següents taxes d'erosió per al titani de grau 2:

Secció de tub recta, flux uniforme: Taxa d'erosió de 0,05–0,10 mm per any. L'eliminació del material és relativament uniforme al voltant de la circumferència. Aceptable per a una vida útil de 10 a 15 anys amb un gruix de paret d'1,5 mm.

Doble el radi exterior, colze de 90 graus, costat aigües amunt: Taxa d'erosió de 0,6–1,2 mm per any. La pèrdua màxima de la paret es produeix en el punt on la trajectòria de les partícules primer entra en contacte amb el tub. L'aprimament localitzat pot perforar una paret d'1,5 mm en 1-2 anys.

Doble el radi exterior, costat aigües avall (després de l'impacte): Taxa d'erosió de 0,2–0,4 mm per any. Les partícules han perdut energia cinètica després de l'impacte inicial. L'erosió secundària encara és important.

Doblar el radi interior (intrados): Taxa d'erosió de 0,02–0,05 mm per any. Menor densitat d'impacte de partícules. Generalment protegit per la capa límit de gas.

Múltiples corbes en sèrie (p. ex., reescalfador serpentina): Les taxes d'erosió augmenten entre un 20 i un 50% en cada corba posterior perquè les partícules es tornen més angulars i agressives després dels impactes inicials.

Guia de selecció de disseny i mitigació de l'erosió

La taula següent proporciona un marc de decisió per gestionar l'erosió de les cendres volants als corbes del tub de titani basat en la càrrega de partícules i la velocitat del gas:

Enginyeria més enllà de la resistència a l'erosió

El grau d'aliatge de titani afecta la resistència a l'erosió. El grau 7 (pal·ladi-estabilitzat) té una duresa (180–220 HV) i una taxa d'erosió similars al grau 2. El grau 12 (níquel-molibdè) és lleugerament més dur (200–240 HV) i redueix l'erosió entre un 15 i un 20%. Els tractaments superficials poden millorar la resistència a l'erosió: la nitruració produeix una capa superficial de TiN (500-800 HV) que redueix l'erosió entre un 70 i un 80% però afegeix un cost. El gruix de la paret del tub als corbes s'ha d'augmentar més enllà del requisit de la secció recta. Un disseny típic utilitza una paret d'1,5 mm per a seccions rectes i una paret de 2,5 mm per a radis exteriors de corbat. La geometria del corb és fonamental: els corbes de radi llarg-(R=5D) experimenten una erosió un 50% menor que els corbes de radi-estàndard (R=1.5D). El patró de flux de gas es pot modificar amb paletes girant aigües amunt dels revolts per redirigir les partícules lluny del radi exterior.

Elaboració d'una especificació informada

Quan especifiqueu un tub de reescalfador de titani per al servei FGD amb cendres volants, identifiqueu tots els corbes del camí del gas. Per a cada corba, especifiqueu un gruix de paret augmentat (2,0-2,5 mm) al radi exterior, ja sigui utilitzant un tub doblegat sense costures amb una paret més gruixuda o aplicant una capa de soldadura de titani o carbur de tungstè al costat aigües amunt. Sol·liciteu modelització de la dinàmica de fluids computacional (CFD) de les trajectòries de partícules a través del reescalfador per identificar zones d'-alta erosió. Durant el funcionament, realitzeu proves de gruix ultrasònics anualment als radis exteriors de corbat. Establiu un llindar crític de gruix de paret (per exemple, 0,8 mm restants) en què s'ha de substituir o reparar el tub. Per a instal·lacions noves, especifiqueu un radi de corbat mínim de 3D (tres vegades el diàmetre exterior del tub). Si les limitacions d'espai requereixen corbes estretes (R=1.5D), necessiteu un recobriment de carbur de tungstè o mànigues de desgast reemplaçables. En abordar l'erosió preferent als corbes com a consideració de disseny diferent, l'enginyer allarga la vida útil dels reescalfadors de titani FGD d'1 a 2 anys a 10 a 15 anys en corrents de gasos de combustió carregats de-cendra-.