Сплавы хастеллоев при сжигании отходов: коррозионная стойкость к кислым конденсатам дымовых газов

Сжигание твердых бытовых отходов приводит не только к теплу и золе, - оно образует дымовые газы с примесью соляной кислоты, оксидов серы и других кислотообразующих соединений,-которые при конденсации создают одну из самых агрессивных жидких сред, с которыми обычно сталкивается любое промышленное оборудование. Стандартная нержавеющая сталь и во многих случаях даже супер-аустенитные марки молибдена с содержанием 6 % не являются надежными для такого специфического химического состава конденсата, поэтомуХастеллой C276, C-22 и C-2000 стали стандартными материалами для скрубберов и систем закалки установок по переработке отходов в энергию. В этом руководстве объясняется, почему конденсат дымовых газов настолько агрессивен, где на мусоросжигательном заводе он образуется и как семейство сплавов Hastelloy предназначено для его выдерживания.

Почему дымовые газы при сжигании отходов создают такую ​​агрессивную коррозионную среду?

Дымовой газ при сжигании отходов является агрессивным, поскольку при сжигании смешанных твердых бытовых отходов -, которые обычно содержат ПВХ-пластики, пищевые отходы и другие материалы, содержащие- и серу-, - выделяются соляная кислота, оксиды серы и другие кислоты,-образующие газы, которые становятся чрезвычайно коррозийными, когда они конденсируются в жидкость с низким-pH и высоким-хлоридом.

Твердые бытовые отходы — весьма изменчивое топливо, и именно эта изменчивость делает химический состав дымовых газов столь требовательным: ПВХ и другие хлорированные пластмассы выделяют газообразный хлористый водород (HCl) при горении, серосодержащие материалы выделяют оксиды серы, которые при конденсации могут образовывать серную и сернистую кислоту, а следы галогенов и тяжелых металлов в потоке отходов еще больше усложняют получаемый газ и, в конечном итоге, химический состав конденсата.

В отличие от хорошо-химического процесса с известным и стабильным сырьем, состав дымовых газов мусоросжигательного завода меняется в зависимости от состава отходов, сжигаемых в конкретный день. Это означает, что система защиты от коррозии должна быть рассчитана на реально суровое сочетание условий, а не на один, точно охарактеризованный химический состав, - философия проектирования, которая отдает предпочтение широкофункциональным и высокоприбыльным материалам, а не узко оптимизированным.

Что такое кислотная коррозия точки росы и где она возникает в системе сжигания?

Кислотная коррозия точки росы возникает, когда дымовой газ охлаждается до определенной температуры, при которой его пары,-образующие кислоту, конденсируются в капли жидкости непосредственно на поверхностях оборудования. Она наиболее серьезна на холодных-концевых теплообменных поверхностях, в закалочных камерах и системах мокрых скрубберов, где такая конденсация либо неизбежна, либо преднамеренно вызывается в рамках процесса контроля загрязнения.

Дымовой газ содержит кислоты,-образующие соединения в виде пара при высокой температуре, и по мере охлаждения газа - либо с помощью оборудования для рекуперации тепла, либо путем целенаправленного процесса охлаждения и очистки - эти соединения достигают температуры, при которой они конденсируются в виде концентрированной кислотной жидкости непосредственно на ближайшей прохладной поверхности. Эта кислотная точка росы не является единой фиксированной температурой; это зависит от конкретной смеси кислых газов и присутствующего содержания влаги, но основной механизм одинаков: любая металлическая поверхность, уровень которой падает ниже этого порога, становится местом конденсации того, что может быть чрезвычайно низким -pH, высоким-хлоридом и часто локально концентрированной коррозионной жидкостью.

Именно поэтому поверхности экономайзера с холодным{0}}концом и подогревателя воздуха, закалочные камеры и резервуары мокрых скрубберов - специально предназначены для охлаждения дымовых газов, а в скрубберах - для преднамеренного контакта их с жидкостью для удаления кислых газов - являются зонами, где этот механизм коррозии является наиболее серьезным и наиболее важным для выбора материала.

Какие сплавы хастеллоев обычно используются в службах сжигания отходов и чем они отличаются?

Hastelloy C-276, C-22 и C-2000 — это никель-хром-молибденовые сплавы, наиболее часто используемые для работы с кислым конденсатом дымовых газов, каждый из которых имеет схожий, но отличный профиль коррозионной стойкости, обусловленный различиями в содержании молибдена, вольфрама и меди.

Сравнение трех наиболее часто используемых марок хастеллоя для этой услуги:

Таблица 1. Сравнение распространенных марок хастеллоев, предназначенных для работы с конденсатом дымовых газов при сжигании отходов. Выбор марки всегда должен проверяться на соответствие конкретному химическому составу конденсата, ожидаемому на данном объекте, в идеале подтверждаться испытаниями на коррозию или документально подтвержденным практическим опытом сопоставимой эксплуатации, а не только общими справочными рекомендациями.

Все три сплава имеют одну и ту же базовую никель-хром-молибденовую основу, отвечающую за стойкость как к общему кислотному воздействию, так и к хлоридной-локальной коррозии, но каждый из них был разработан для расширения или восстановления баланса этой стойкости в определенном направлении. - C-Улучшенные характеристики окислительного-состояния и стойкость C-2000 к серной кислоте, вызванная медью, оба представляют собой целевую металлургическую реагирование на конкретные пробелы, выявленные в ходе эксплуатации сплавов более раннего поколения, таких как C-276, что отражает тот же тип улучшения состава, который обсуждался в других технических руководствах по эволюции марок нержавеющей стали.

Почему стандартная нержавеющая сталь обычно не подходит для кислого конденсата дымовых газов?

Стандартные аустенитные нержавеющие стали и часто даже супераустенитные марки с содержанием молибдена 6 %, как правило, не подходят для наиболее тяжелых зон кислого конденсата дымовых газов, поскольку сочетание очень низкого pH, высокой концентрации хлоридов и окислительных частиц в этом конкретном конденсате превышает практические пределы коррозионной стойкости, которые обеспечивают эти марки, особенно в отношении питтинговой, щелевой коррозии и хлоридного коррозионного растрескивания.

Конденсат дымовых газов в самых тяжелых случаях сочетает в себе несколько факторов,-ускоряющих коррозию одновременно: концентрацию хлоридов, которая может значительно превышать типичный уровень технологической воды, поскольку испарение концентрирует конденсат, уровень pH, достаточно низкий, чтобы представлять собой настоящую кислотную атаку, а не простое воздействие хлоридов, и окислительные продукты горения, которые могут подтолкнуть даже хлорид-стойкие сплавы к практическим пределам. Эта комбинация значительно более серьезна, чем общие сценарии хлоридной точечной и щелевой коррозии, обсуждаемые в других технических руководствах по предельным значениям хлоридов в PREN и нержавеющей стали, поэтому заводы по переработке отходов-в-энергетику специально выбирают сплавы Хастеллой на основе никеля- в наиболее агрессивных зонах, а не полагаются на марки нержавеющей стали с самым высоким-PREN, которые хорошо работают в менее кислых и менее окисляющих хлоридных средах, таких как морская вода.

Как C-22 превосходит C-276 при окислении хлоридно-кислых условий?

Hastelloy C-22 улучшает характеристики C-276, в частности, в окислительных хлоридных условиях за счет перебалансированного состава хрома, молибдена и вольфрама, что придает ему лучшую устойчивость к локальной коррозии и общему воздействию в присутствии окисляющих веществ, чем C-276, поэтому C-22 становится все более предпочтительным во многих современных конструкциях скрубберов.

C-276 остается превосходным сплавом с широкими возможностями, но практический опыт применения в химической обработке и очистке дымовых газов показал, что его эффективность может стать более незначительной, особенно когда кислые хлористые условия также сильно окисляют -, комбинация действительно возможна при сжигании конденсата дымовых газов, учитывая окислительные побочные продукты сгорания,-присутствующие наряду с кислыми газами. Разработка C-22 специально нацелена на устранение этого пробела, изменив соотношение хрома и молибдена-вольфрама в сплаве, чтобы расширить надежную работу в окислительных условиях, не жертвуя при этом стойкостью к восстановительной кислоте, которая в первую очередь делала C-276 ценным.

Именно это целенаправленное улучшение является причиной того, что многие современные конструкции систем мокрых скрубберов предусматриваютC22как минимум равный C-276, а в приложениях, склонных к окислению-условиям-, иногда предпочтительнее, чем C-276, хотя оба остаются действительными, активно выбранными вариантами в зависимости от конкретного химического состава конденсата, которого ожидает данная установка.

Какую роль добавка меди в C-2000 играет в сопротивлении конденсату дымовых газов?

Добавление меди в C-2000 особенно повышает устойчивость к серной кислоте и некоторым смешанным кислотным условиям, что делает его особенно подходящим выбором, когда конденсат дымовых газов содержит значительное количество сульфата или серной кислоты наряду с более часто подчеркиваемым содержанием хлоридов.

Добавки меди играют-хорошо доказанную роль в металлургии никелевых сплавов для повышения стойкости в восстановительно-кислотных средах. Этот принцип также обсуждается в других технических руководствах, посвященных роли меди в таких марках, как 904L. C-2000 применяет тот же общий принцип в каркасе из сплава Хастеллой с высоким-хромом и высоким-молибденом, придавая ему профиль коррозионной стойкости, охватывающий как окислительные, так и восстановительные условия, обеспечивая при этом особую прочность в условиях серной-кислоты-химических процессов, - актуальных при сжигании конденсата дымовых газов, особенно потому, что сернистые-содержащие компоненты отходов могут образовывать значимые сульфаты и содержание серной кислоты наряду с более часто обсуждаемым вкладом соляной кислоты. Если ожидаемый химический анализ конденсата конкретного завода указывает на то, что значительное содержание сульфатов является основной проблемой, C-2000 является разумным сплавом для оценки вместе с C-276 и C-22, а не по умолчанию для одного из обсуждений, в большей степени ориентированных на хлориды.

Где на мусоросжигательном заводе чаще всего используются сплавы хастеллой?

Сплавы хастеллой чаще всего используются в емкостях мокрых скрубберов, закалочных камерах, туманоуловителях и поверхностях теплопередачи с холодным-концом - — конкретных зонах, где происходит постоянный прямой контакт с концентрированным кислотным конденсатом -, в то время как менее суровые зоны того же предприятия часто изготавливаются из более экономичных материалов.

Позонный вид-по-типичному подходу к материалам на пути дымовых газов мусоросжигательного завода:

Таблица 2. Репрезентативные зоны-по-степенности коррозии и подходу к материалам на пути дымовых газов от-к-энергетического мусоросжигательного завода.

Эта выборочная схема спецификации отражает ту же философию выбора материалов с учетом-зоны и драйвера-, описанную в других технических руководствах по морским сооружениям и химическому оборудованию: вместо того, чтобы строить весь завод из наиболее коррозионно--устойчивого доступного материала, инженеры концентрируют никелевые сплавы премиум-класса специально в тех местах, где действительно происходит длительное и сильное воздействие кислотного конденсата, используя более экономичные материалы или защитные покрытия в других местах той же системы.

Как инженерам следует подходить к выбору материалов для зон коррозии мусоросжигательного завода?

Инженеры должны охарактеризовать ожидаемый химический состав конденсата -, хлорид, сульфат и pH - по зонам, составить карту местной температуры металла относительно точки росы кислоты и выбрать между C-276, C-22 и C-2000 (или их комбинацией в разных зонах) на основе конкретного окислительного/восстановительного характера и содержания сульфатов в конденсате, ожидаемого в каждом месте.

Практический подход к выбору:

1. Охарактеризовать ожидаемый химический состав дымовых газов и конденсата.включая диапазоны хлоридов, сульфатов и pH, в идеале основанных на фактическом или репрезентативном составе потока отходов, а не на общих предположениях.

2. Сопоставьте местную температуру металла с кислотной точкой росы.для каждой зоны, определяя, где может возникнуть конденсация, даже за пределами специально влажных зон, таких как скрубберы и закалочные камеры.

3. Оценить окислительный/восстановительный характер ожидаемого конденсата.в качестве основного фактора при выборе между C-276 и C-22, в соответствии с принципами выбора материалов, основанными на механизме, обсуждаемыми в других технических руководствах по окислительным и восстановительным коррозионным средам.

4. Рассмотрите C-2000 особенно там, где содержание сульфата или серной кислоты является значительным и документально подтвержденным компонентом.ожидаемого химического состава конденсата, а не по умолчанию использовать только сравнения содержания-концентрированных хлоридов.

5. Применяйте сплавы премиум-класса выборочно по зонам,сохранение марок Hastelloy для мест с постоянным и сильным воздействием кислотного конденсата при использовании более экономичных материалов или защитных покрытий в других местах того же завода.

Часто задаваемые вопросы

Можно ли использовать дуплексную или супердуплексную нержавеющую сталь где-либо в тракте кислого газа мусоросжигательного завода?

Да, в менее суровых зонах, где химический состав конденсата менее агрессивен или температура металла надежно держится выше кислотной точки росы, дуплексные и супердуплексные марки могут стать более экономичной альтернативой сплавам Хастеллой, но они, как правило, не считаются подходящими для прямого, устойчивого контакта с наиболее тяжелым конденсатом скруббера и закалочной камеры.

Влияет ли состав потока отходов на то, какая марка хастеллоя является подходящей?

Да, - поскольку состав твердых бытовых отходов варьируется в зависимости от региона и с течением времени, на предприятиях, сжигающих потоки отходов с необычно высоким содержанием хлорированного пластика, серосодержащих материалов,-содержащих серу, или при совместном сжигании промышленных отходов,-химия конденсата может существенно отличаться от химического состава обычных бытовых отходов, поэтому рекомендуется-определение химических характеристик конкретного объекта, а не предположение о том, что один выбор сплава применяется универсально для всех мусоросжигательных предприятий.

Используются ли сплавы Хастеллой в качестве прочной конструкции сосудов или, чаще, в качестве футеровки и плакирования?

На практике используются оба подхода - конструкция из цельного хастеллоя обычно используется для небольших компонентов и критически важных элементов, таких как туманоуловители, тогда как облицовка или футеровка более экономичной структурной подложки слоем хастеллоя является распространенным экономически-эффективным подходом для более крупных сосудов, причем выбор зависит от размера резервуара, особенностей изготовления и экономики проекта.

Отличается ли сварка сплавов Hastelloy на мусоросжигательных заводах от сварки их в других отраслях?

Фундаментальные принципы сварки - соответствующий выбор присадочного металла, контроль тепловложения и очистка после-сварки - соответствуют практике сварки хастеллоем в различных отраслях, хотя при изготовлении мусоросжигательного завода все равно следует соблюдать квалифицированную процедуру сварки, специфичную для конкретного сплава и области применения, а не предполагать, что общие рекомендации по сварке никелевых сплавов применяются без проверки.

Устраняет ли использование сплава Hastelloy премиум-класса необходимость регулярных проверок в скрубберных системах мусоросжигательных заводов?

Никакие - даже сплавы, обладающие высокой коррозионной стойкостью-, не нуждаются в документированной программе контроля, особенно с учетом реальных изменений в химическом составе дымовых газов при сжигании в течение срока службы предприятия; Проверка остается важным дополнением к выбору материала, а не шагом, который делает ненужным выбор сплава премиум-класса.