Lựa chọn vật liệu hệ thống FGD: Khử lưu huỳnh khí thải

Khử lưu huỳnh trong khí thải (FGD) là quy trình công nghiệp được sử dụng để loại bỏ sulfur dioxide (SO2) - và ở mức độ thấp hơn là hydro clorua (HCl) và hydro florua (HF) - khỏi khí thải của các nhà máy điện đốt than-, lò luyện kim, lò nung xi măng và lò đốt chất thải trước khi chúng thải vào khí quyển.

SO2 là nguyên nhân chính gây ra mưa axit, gây tổn hại đến hệ sinh thái, ăn mòn cơ sở hạ tầng và gây hại cho sức khỏe hô hấp của con người. Các quy định toàn cầu - bao gồm Đạo luật Không khí Sạch của Hoa Kỳ, Chỉ thị về Phát thải Công nghiệp của Liên minh Châu Âu (IED 2010/75/EU) và tiêu chuẩn phát thải GB 13271 của Trung Quốc - yêu cầu hiệu suất loại bỏ SO2 vượt quá 95% đối với hầu hết các cơ sở đốt lớn.

FGD System Material Selection Flue Gas Desulfurization

Công nghệ FGD chiếm ưu thế trên toàn thế giới làQuá trình oxy hóa cưỡng bức đá vôi ướt (WLFO), chiếm khoảng 85% công suất FGD lắp đặt trên toàn cầu. Trong hệ thống WLFO, khí thải được tiếp xúc với bùn đá vôi (CaCO3) trong bình hấp thụ lớn. SO2 phản ứng với bùn để tạo ra canxi sunfat (thạch cao, CaSO4·2H2O) - một sản phẩm phụ có thể bán được trên thị trường-được sử dụng trong sản xuất ván tường.

Hệ thống FGD là một trong những môi trường công nghiệp có tính ăn mòn cao nhất trên Trái đất. Sự kết hợp của các yếu tố bên trong máy chà sàn ướt tạo ra môi trường hóa học phá hủy thép carbon trong vòng vài tháng và tấn công mạnh mẽ ngay cả thép không gỉ tiêu chuẩn:

Nồng độ clorua:Các ion clorua (Cl⁻) - được giải phóng từ quá trình đốt than và được cô đặc bằng quá trình lọc - tích tụ trong chất lỏng tuần hoàn hấp thụ đến mức 20.000–100.000 ppm. Ở những nồng độ này, clorua thâm nhập vào lớp oxit thụ động của thép không gỉ tiêu chuẩn, bắt đầu ăn mòn rỗ và kẽ hở.

pH axit:Bùn hấp thụ hoạt động ở độ pH 3–6, làm cho tất cả các bề mặt bị ướt tiếp xúc với axit sunfuric và axit sunfuric loãng liên tục.

Chu kỳ nhiệt độ:Bề mặt ống dẫn trải qua chu trình nhiệt từ 50 độ (đầu ra của máy chà sàn ướt) đến 200 độ (đầu vào-của máy chà sàn trước), gây áp lực lên cả vật liệu nền và bất kỳ hệ thống lót nào.

Xói mòn:Bùn đá vôi được tuần hoàn với tốc độ 3–8 m/s thông qua máy bơm, đường ống và vòi phun gây ra sự mài mòn nghiêm trọng, kết hợp với sự ăn mòn để tăng tốc độ thất thoát vật liệu.

Nứt ăn mòn ứng suất (SCC):Ứng suất kéo trong các mối hàn và các bộ phận kết cấu, kết hợp với chất lỏng chứa clorua nóng-, gây ra SCC trong thép không gỉ austenit có PREN dưới ~40.

Dữ liệu ngành:Hệ thống FGD của nhà máy nhiệt điện đốt than 600 MW-xử lý khoảng 2–3 triệu Nm³/giờ khí thải. Bình hấp thụ trong hệ thống WLFO thường có đường kính 15–25 m và cao 20–30 m - khiến việc lựa chọn vật liệu cho lớp lót vỏ và các bộ phận bên trong trở thành một quyết định trị giá-hàng triệu đô la với tuổi thọ thiết kế kỳ vọng là 30 năm.

Why FGD Destroys Ordinary Steel

Khu FGD	Nhiệt độ. Phạm vi	Chất ăn mòn chính	Nhu cầu vật chất
Ống dẫn vào /-máy lọc trước	120–200 độ	SO2, HCl, HF, tro bay	Quá trình oxy hóa nhiệt độ cao + khả năng chống điểm sương axit
Bình hấp thụ (vỏ)	50–80 độ	H2SO4 / H2SO3 (pH 3–6), Cl⁻ lên tới 80.000 ppm	Rỗ clorua cực mạnh + kháng SCC
Bộ phận hấp thụ (khay, vòi phun)	50–80 độ	Bùn đá vôi, mài mòn, Cl⁻ cao	Xói mòn + chống ăn mòn kẽ hở
Ống dẫn / hâm nóng	50–120 độ	Khí bão hòa ướt, sương mù SO3, HCl dư	Ngưng tụ axit ướt + oxy hóa
Tấm lót ống khói	60–180 độ	H2SO4 ngưng tụ, tro bay, hơi nước	Tính toàn vẹn của lớp lót chống lại axit + chu trình nhiệt
Đường ống tuần hoàn bùn	Môi trường xung quanh-60 độ	Hỗn hợp CaCO3/CaSO4, Cl⁻, pH 4–6	Ăn mòn + ăn mòn rỗ kết hợp
Máy khử / khử sương mù	50–70 độ	Khí bão hòa, giọt axit	Kháng axit + độ cứng kết cấu

Bảng 1: Điều kiện ăn mòn theo vùng hệ thống FGD

Không có hợp kim nào là tối ưu cho mọi vùng của hệ thống FGD. Lựa chọn vật liệu chính xác phù hợp với khả năng chống ăn mòn của hợp kim - được đo định lượng bằng Số tương đương khả năng chống rỗ (PREN=%Cr + 3.3×%Mo + 16×%N) - với nồng độ clorua cụ thể, độ pH, nhiệt độ và tải trọng cơ học của từng vùng hệ thống.

Thành phần FGD	(Các) hợp kim được đề xuất	PREN / Thuộc tính chính	Tại sao nó được chỉ định
Vỏ hấp thụ (đá vôi ướt)	Hợp kim C-276 (N10276) hoặc 317LMN	C-276: PREN ~65; 317LMN: ~40	Withstands Cl⁻ >50.000 ppm, H2SO3, pH 3–5 liên tục
Vỏ hấp thụ (chà nước biển)	Hợp kim C-22 (N06022) hoặc C-276	PREN >65	Nước biển + SO2: môi trường FGD khắc nghiệt nhất
Vòi phun & đầu phun	Hợp kim 625 (N06625)	PREN ~51; chống mỏi-	Xói mòn + ăn mòn từ các tia bùn có vận tốc-cao
Bơm tuần hoàn (bộ phận bị ướt)	Song công 2507 (S32750) hoặc Hợp kim 20	PREN >42	Sự mài mòn bùn + rỗ clorua trong vỏ bơm
Ống dẫn vào/ra (không lót)	316L (S31603) hoặc 317L (S31703)	PREN ~25–32	Vùng clorua thấp hơn; chi phí-hiệu quả; lĩnh vực hàn
Tấm lót ống khói	Giấy dán tường hợp kim C-276 (lớp phủ 2–3 mm)	PREN ~65 bề mặt bên trong	Lớp phủ mỏng trên thép carbon; chống axit + mài mòn
Máy khử sương mù	Hợp kim 625 hoặc 317LMN	PREN >40	Bình xịt axit + tải trọng kết cấu; bề mặt không bám bẩn
Đường ống và chỗ uốn cong	6Mo SS (S31254) hoặc Duplex 2507	PREN >40	Xói mòn kết hợp-ăn mòn trong bùn CaSO4 vận tốc-cao
Khe co giãn	Ống thổi hợp kim C-276	PREN ~65; mức độ mệt mỏi-được xếp hạng	Khí axit + chu trình nhiệt; không có rủi ro SCC
Màn hình khử nước thạch cao	Song công 316L hoặc 2205	PREN ~25–35	Giảm mức độ gây hấn khi hấp thụ SO2; Cl⁻ vừa phải
Lớp lót ngăn xếp (ngăn xếp ướt)	Hợp kim C{1}}276 hoặc được lót bằng sợi thủy tinh	PREN ~65	Axit ngưng tụ ở nhiệt độ thấp trong xả bão hòa ướt

Bảng 2: Hợp kim được đề xuất theo thành phần FGD và điều kiện vận hành

Hợp kim (UNS)	Cr (%)	Mo (%)	Ni (%)	TRƯỚC*	Sự phù hợp của FGD
316L (S31603)	16–18	2–3	10–14	~24	vùng Cl⁻ thấp-trung bình; ống dẫn, kết cấu
317LMN (S31726)	18–20	4–5	13–17	~40	Chất hấp thụ-có tính hung hãn vừa phải; chi phí-cân bằng
6Mo / 254 SMO (S31254)	19.5–20.5	6–6.5	17.5–18.5	~43	Đường ống, hệ thống bùn, thân máy bơm có hàm lượng Cl⁻ cao
Siêu song công 2507 (S32750)	24–26	3–5	6–8	~42	Trục bơm, đường ống, các vùng dễ bị xói mòn - cấu trúc-
Hợp kim 625 (N06625)	20–23	8–10	Lớn hơn hoặc bằng 58	~51	Vòi phun, đầu phun, vòi phun - xói mòn + ăn mòn
Hợp kim C-276 (N10276)	14.5–16.5	15–17	Bal.	~65	Vỏ hấp thụ, lớp lót ngăn xếp, tấm ốp - công suất tối đa
Hợp kim C-22 (N06022)	20–22.5	12.5–14.5	Bal.	~67	FGD nước biển, môi trường-Cl⁻ cao nhất
Hợp kim 20 (N08020)	19–21	2–3	32–38	~30	Dịch vụ axit sunfuric; xử lý thạch cao; Cl⁻ thấp hơn

Bảng 3: Thành phần hóa học và PREN của hợp kim FGD|* PREN=%Cr + 3.3×%Mo + 16×%N

Hợp kim C276 - Điểm chuẩn FGD

Hastelloy C276 (UNS N10276)là hợp kim được chỉ định rộng rãi nhất cho nhiệm vụ FGD nghiêm trọng. Hàm lượng molypden của nó là 15–17% -, mức cao nhất so với bất kỳ hợp kim niken được sản xuất thương mại nào - mang lại cho nó PREN khoảng 65 và khả năng chống chịu vượt trội đối với cả môi trường axit oxy hóa và khử. C-276 được chỉ định cho vỏ hấp thụ trong hệ thống WLFO có-clorua cao, lớp lót ngăn xếp ướt và làm lớp phủ giấy dán tường 2–3 mm trên nền ống dẫn bằng thép cacbon. Nó hoàn toàn tuân thủ quy trình chế tạo bình chịu áp lực ASME Phần VIII và có thể được hàn theo quỹ đạo bằng cách sử dụng kim loại phụ ERNiCrMo-4 phù hợp.

Hợp kim 625 - Xói mòn-Chuyên gia ăn mòn

Hợp kim 625 (N06625)kết hợp các chất bổ sung crom cao (20–23%), molypden (8–10%) và niobi giúp nó có khả năng chống xói mòn đặc biệt-ăn mòn - sự tấn công kết hợp của các hạt mài mòn và môi trường ăn mòn phá hủy vòi phun và bộ phận bên trong máy bơm. PREN của nó xấp xỉ 51 và độ bền kéo cao (827–1034 MPa) khiến nó trở thành lựa chọn ưu tiên cho các đầu phun FGD, thiết bị khử sương mù và cánh quạt bơm tuần hoàn nơi vận tốc bùn vượt quá 4 m/s.

317LMN - Chi phí-Trung bình hiệu quả

Lớp 317LMN (S31726) - phiên bản nâng cao của 317L với molypden ở mức 4–5% và bổ sung nitơ có kiểm soát - đạt được PREN khoảng 40 với chi phí thấp hơn đáng kể so với hợp kim niken. Nó được sử dụng rộng rãi cho vỏ hấp thụ FGD trong các ứng dụng có công suất vừa phải-trong đó nồng độ clorua dưới 30.000 ppm và độ pH duy trì trên 4. Nó đại diện cho tùy chọn không gỉ austenit hoàn toàn hiệu quả nhất về mặt chi phí-cho kết cấu FGD mới trong đó C-276 không thể chứng minh được về mặt kinh tế.

Đối với các ống và ống hấp thụ FGD có đường kính-lớn, việc sử dụng tấm C-276 đặc là rất tốn kém. Giải pháp công nghiệp là kết cấu composite: lớp vỏ bằng thép cacbon hoặc thép hợp kim thấp mang lại độ bền kết cấu, trong khi lớp lót bằng hợp kim mỏng mang lại khả năng chống ăn mòn:

Tấm dán giấy dán tường (lớp phủ hàn):2–3 mm C-276 được áp dụng bằng tấm ốp hoặc lớp phủ hàn tự động cho phần bên trong bằng thép cacbon. Chi phí-hiệu quả cho vùng phủ sóng-lớn; lớp phủ phải đạt được khoản ký gửi tối thiểu hai-để đảm bảo thành phần được điều chỉnh độ pha loãng đáp ứng các yêu cầu PREN.

Tấm ốp liên kết chống nổ-:Nhà máy-sản xuất tấm ốp thép carbon/C-276, chế tạo thành vỏ tàu. Cung cấp độ dày hợp kim chính xác, nhất quán (thường là 3–5 mm); ưu tiên cho các bình hấp thụ yêu cầu tem mã ASME.

Lớp lót hợp kim lỏng lẻo:Mỏng (1,5–2 mm) C-276 hoặc 625 tấm được cố định cơ học hoặc liên kết bằng keo với ống dẫn bằng thép cacbon. Trường-có thể cài đặt được; được sử dụng trong các dự án trang bị thêm nơi hạn chế gia công nóng.

Cái nhìn sâu sắc về chi phí:Tấm C{6}}276 rắn có giá xấp xỉ 8–12× giá thép cacbon tính theo trọng lượng. Lớp phủ giấy dán tường giúp giảm hàm lượng hợp kim xuống còn 15–25% chi phí xây dựng kiên cố đồng thời mang lại khả năng chống ăn mòn tương đương ở bề mặt ướt - khiến nó trở thành giải pháp tiêu chuẩn cho các bình hấp thụ FGD có đường kính trên 10 m.

Fabrication and Quality Requirements

Hàn phụ kim loại:C276 yêu cầu bộ nạp ERNiCrMo-4 (AWS A5.14); Hợp kim 625 sử dụng ERNiCrMo-3; 317LMN sử dụng ER317L hoặc tổng thể 309LMo. Chất độn phù hợp hoặc quá hợp kim sẽ ngăn chặn sự pha loãng kim loại mối hàn làm giảm PREN xuống dưới mức kim loại cơ bản.

Kiểm soát màu nhiệt:Các mối hàn hợp kim niken phải được-làm sạch lại bằng argon nguyên chất 99,995% để ngăn chặn sự hình thành oxit trên các hạt gốc. Màu nhiệt trên mối hàn C-276 cho thấy sự suy giảm molypden cục bộ và phải được loại bỏ bằng cách tẩy hoặc hoàn thiện cơ học.

Sau{0}}xử lý mối hàn:Hợp kim niken không yêu cầu-xử lý nhiệt sau hàn (PWHT) và bị phân hủy bởi nó (kết tủa pha sigma). 317Các mối hàn LMN trong dịch vụ FGD thường là giải pháp-ủ nếu lo ngại về độ nhạy.

Điều tra:Kiểm tra 100% bằng chụp ảnh phóng xạ (RT) hoặc siêu âm (UT) đối với tất cả các mối hàn chứa áp suất-trong bình hấp thụ; thử nghiệm chất thẩm thấu thuốc nhuộm (PT) của tất cả các lớp phủ mối hàn C-276 để xác nhận không có vết nứt và thiếu sự kết hợp.

ASTM B575 / B622 - Tấm, tấm, dải và ống C-276 và C-22

ASTM B443 / B444 - Tấm và ống hợp kim 625

Sản phẩm cán phẳng bằng thép không gỉ ASTM A240 - 316L, 317L, 317LMN-

ASME Phần VIII Div. 1 - Chế tạo bình chịu áp lực (bình hấp thụ)

NACE MR0103 - Vật liệu chống nứt do ứng suất sunfua trong môi trường nhà máy lọc chua

ISO 9001 / EN 10204 Loại 3.1 - Chứng nhận vật liệu và truy xuất nguồn gốc cho công trình FGD

Lựa chọn vật liệu là quyết định kỹ thuật quan trọng nhất trong thiết kế hệ thống FGD. Việc chỉ định hợp kim phù hợp - phù hợp với nồng độ clorua, độ pH, nhiệt độ và tải trọng cơ học của từng vùng hệ thống - là sự khác biệt giữa tuổi thọ sử dụng 30 năm và sự hư hỏng sớm tốn kém.

Hệ thống phân cấp rõ ràng:use 316L/317L where chloride levels are low and pH is moderate; upgrade to 317LMN or 6Mo stainless where chloride concentrations reach 20,000–50,000 ppm; specify Alloy 625 where erosion-corrosion combines with aggressive chemistry; and deploy Alloy C-276 (solid or clad) wherever continuous exposure to >50.000 ppm clorua, pH<4, or wet stack conditions demands maximum corrosion performance.

Khi các quy định về môi trường được thắt chặt trên toàn cầu và các công ty điện lực đầu tư vào việc trang bị thêm hệ thống FGD cho các nhà máy điện cũ kỹ, nhu cầu về hợp kim hiệu suất cao-phù hợp với ứng dụng, mã-tuân thủ-sẽ tiếp tục tăng. Có được thông số kỹ thuật vật liệu ngay ở giai đoạn thiết kế là khoản đầu tư-hiệu quả nhất về mặt chi phí để nâng cao độ tin cậy của hệ thống FGD.