Trong thiết bị hâm nóng thiết bị khử lưu huỳnh khí thải, tại sao sự hiện diện của các hạt tro bay lại ưu tiên làm xói mòn mặt thượng nguồn của ống titan ở các khúc cua?
Để lại lời nhắn
Các thiết bị khử lưu huỳnh trong khí thải (FGD) trong-các nhà máy nhiệt điện than sử dụng thiết bị hâm nóng để tăng nhiệt độ của khí thải đã được làm sạch trước khi đưa vào ống khói. Titan là vật liệu được lựa chọn do khả năng chống ăn mòn trong môi trường giàu axit, clorua. Tuy nhiên, khí thải FGD chứa các hạt tro bay-có góc cạnh, cứng (chủ yếu là silic và alumina), với kích thước từ 1 đến 100 µm. Những hạt này di chuyển cùng với khí với vận tốc 15–25 m/s. Khi dòng khí gặp một khúc cua trong ống titan, các hạt nặng hơn không thể thay đổi hướng nhanh như khí. Chúng tiếp tục đi theo quỹ đạo ban đầu, tác động vào thành ống ở bán kính ngoài của khúc cua. Tác động của hạt này gây ra xói mòn, tốt nhất là loại bỏ vật liệu từ phía thượng lưu của khúc cua. Theo thời gian, thành ống bị mỏng đi dẫn đến thủng và rò rỉ khí thải hoặc nước ngưng tụ.
Cơ chế xói mòn tro bay tại chỗ uốn ống
Cơ chế xói mòn là sự kết hợp giữa mài mòn và cắt. Các hạt tro bay tấn công bề mặt titan ở các góc thường là 20–50 độ so với tiếp tuyến bề mặt. Titan tuy cứng nhưng có độ cứng tương đối thấp (180–220 HV đối với loại 2) so với silica (khoảng 1.200 HV). Mỗi tác động của hạt sẽ dịch chuyển một lượng nhỏ titan{10}}theo thứ tự 1–10 µm³ đối với hạt 20 µm ở tốc độ 20 m/s. Tốc độ xói mòn tuân theo định luật lũy thừa: Xói mòn ∝ (V)^n × (d)^m × (nồng độ hạt), trong đó V là vận tốc, d là đường kính hạt, n xấp xỉ 2,3 đối với titan và m xấp xỉ 2,0. Tại các khúc cua, vận tốc va chạm hiệu quả cao hơn vận tốc khí khối do gia tốc hạt xung quanh đường cong. Phía ngược dòng của ống nhận được mật độ va chạm cao nhất vì các hạt vẫn chưa bị lệch do va chạm trước đó.
Tỷ lệ xói mòn định lượng tại các vị trí uốn cong khác nhau
Các phép đo hiện trường và thử nghiệm trong phòng thí nghiệm (tốc độ khí 20 m/s, tro bay 50 mg/m³, kích thước hạt trung bình 20 µm) đã thiết lập tốc độ xói mòn sau đây đối với titan Loại 2:
Tiết diện ống thẳng, dòng chảy đồng đều: Tốc độ xói mòn 0,05–0,10 mm/năm. Việc loại bỏ vật liệu tương đối đồng đều xung quanh chu vi. Có thể chấp nhận được với tuổi thọ 10–15 năm với độ dày thành 1,5 mm.
Uốn cong bán kính ngoài, khuỷu tay 90 độ, phía ngược dòng: Tốc độ xói mòn 0,6–1,2 mm/năm. Sự mất thành tối đa xảy ra tại điểm quỹ đạo của hạt tiếp xúc với ống lần đầu tiên. Làm mỏng cục bộ có thể làm thủng một bức tường dày 1,5 mm trong vòng 1–2 năm.
Uốn cong bán kính ngoài, phía hạ lưu (sau va chạm): Tốc độ xói mòn 0,2–0,4 mm/năm. Các hạt bị mất động năng sau va chạm ban đầu. Xói mòn thứ cấp vẫn còn đáng kể.
Uốn cong bán kính bên trong (intrados): Tốc độ xói mòn 0,02–0,05 mm/năm. Mật độ tác động của hạt thấp hơn. Thường được bảo vệ bởi lớp ranh giới khí.
Nhiều chỗ uốn nối tiếp (ví dụ, máy hâm nóng ngoằn ngoèo): Tốc độ xói mòn tăng 20–50% ở mỗi khúc cua tiếp theo vì các hạt trở nên góc cạnh và hung hãn hơn sau những tác động ban đầu.
Hướng dẫn lựa chọn thiết kế và giảm thiểu xói mòn
Bảng sau đây cung cấp khung quyết định để quản lý xói mòn tro bay tại các điểm uốn ống titan dựa trên tải trọng hạt và vận tốc khí:
| Tình trạng hâm nóng FGD | Đề xuất chống xói mòn | Tốc độ xói mòn dự kiến ở khúc cua | Khuyến nghị về độ dày của tường |
|---|---|---|---|
| Tải lượng tro thấp (<20 mg/m³), low velocity (<15 m/s) | Tiêu chuẩn cấp 2, không bảo vệ | 0,2–0,4 mm/năm | 1,5 mm |
| Tro vừa phải (20–50 mg/m³), vận tốc 15–20 m/s | Bán kính uốn cong quá khổ (Lớn hơn hoặc bằng 3D), Titan cấp 7 | 0,3–0,5 mm/năm | 2,0 mm |
| Độ tro cao (50–100 mg/m³), vận tốc 20–25 m/s | Lớp phủ cacbua vonfram (0,5 mm) trên bề mặt uốn ngược dòng | <0.05 mm/year (coated) | 1,5 mm có lớp phủ |
| Severe ash (>100 mg/m³), tro bay mài mòn (silica cao) | Tấm chống mòn hoặc ống bọc có thể thay thế ở các chỗ uốn cong | Không áp dụng (thay thế bộ phận hao mòn) | Ống 1,2 mm với tấm mài mòn 2 mm |
| FGD hiện tại có hiện tượng xói mòn ở khúc cua | Lắp các cánh quay ngược dòng khúc cua | Giảm xói mòn từ 60–80% | N/A |
Kỹ thuật vượt quá khả năng chống xói mòn
Lớp hợp kim titan ảnh hưởng đến khả năng chống xói mòn. Lớp 7 (palađi{2}}ổn định) có độ cứng tương tự (180–220 HV) và tốc độ ăn mòn như Lớp 2. Lớp 12 (molypden-niken) cứng hơn một chút (200–240 HV) và giảm xói mòn từ 15–20%. Xử lý bề mặt có thể cải thiện khả năng chống xói mòn: thấm nitơ tạo ra lớp bề mặt TiN (500–800 HV) giúp giảm xói mòn 70–80% nhưng tăng thêm chi phí. Độ dày thành ống tại các điểm uốn phải được tăng lên vượt quá yêu cầu của mặt cắt thẳng. Một thiết kế điển hình sử dụng tường 1,5 mm cho các đoạn thẳng và tường 2,5 mm cho bán kính ngoài uốn cong. Hình dạng uốn cong rất quan trọng: các đường cong bán kính dài{22}}(R=5D) có độ xói mòn thấp hơn 50% so với các đường cong bán kính-tiêu chuẩn (R=1.5D). Mô hình dòng khí có thể được sửa đổi bằng cách quay các cánh đảo ngược dòng uốn cong để chuyển hướng các hạt ra khỏi bán kính bên ngoài.
Thực hiện một đặc điểm kỹ thuật có hiểu biết
Khi chỉ định ống hâm nóng bằng titan cho dịch vụ FGD có tro bay, hãy xác định tất cả các điểm uốn trong đường dẫn khí. Đối với mỗi lần uốn, hãy chỉ định độ dày thành tăng (2,0–2,5 mm) ở bán kính ngoài, bằng cách sử dụng ống uốn liền mạch với thành dày hơn hoặc bằng cách áp dụng lớp phủ mối hàn bằng titan hoặc cacbua vonfram ở phía trước. Yêu cầu lập mô hình động lực học chất lỏng (CFD) tính toán về quỹ đạo của hạt thông qua thiết bị hâm nóng để xác định các vùng xói mòn-cao. Trong quá trình vận hành, thực hiện kiểm tra độ dày siêu âm hàng năm tại bán kính uốn cong bên ngoài. Thiết lập ngưỡng độ dày thành tới hạn (ví dụ: còn lại 0,8 mm) tại đó ống phải được thay thế hoặc sửa chữa. Đối với các cài đặt mới, chỉ định bán kính uốn cong tối thiểu là 3D (gấp ba lần đường kính ngoài của ống). Nếu hạn chế về không gian yêu cầu phải uốn cong chặt (R=1.5D), hãy yêu cầu lớp phủ cacbua vonfram hoặc ống bọc chống mòn có thể thay thế. Bằng cách giải quyết vấn đề xói mòn ưu tiên ở các khúc cua như một yếu tố thiết kế riêng biệt, kỹ sư đã kéo dài tuổi thọ sử dụng của thiết bị hâm nóng FGD bằng titan từ 1–2 năm lên 10–15 năm trong các luồng khí thải chứa đầy{19}}tro bay{20}}.
