Selezione dei materiali del sistema FGD: desolforazione dei gas di scarico

Che cos'è la desolforazione dei gas di combustione (FGD)?

La desolforazione dei gas di scarico (FGD) è il processo industriale utilizzato per rimuovere il biossido di zolfo (SO2) - e, in misura minore, l'acido cloridrico (HCl) e l'acido fluoridrico (HF) - dai gas di scarico delle centrali elettriche a carbone-, delle fonderie, dei cementifici e degli inceneritori di rifiuti prima che vengano rilasciati nell'atmosfera.

L’SO2 è la causa principale delle piogge acide, che danneggiano gli ecosistemi, corrodono le infrastrutture e danneggiano la salute respiratoria umana. Le normative globali - tra cui il Clean Air Act degli Stati Uniti, la Direttiva UE sulle emissioni industriali (IED 2010/75/UE) e gli standard sulle emissioni GB 13271 della Cina - impongono efficienze di rimozione di SO2 superiori al 95% per la maggior parte dei grandi impianti di combustione.

La tecnologia FGD dominante a livello mondiale èOssidazione forzata del calcare umido (WLFO), che rappresenta circa l’85% della capacità FGD installata a livello globale. In un sistema WLFO, il gas di combustione viene messo a contatto con un impasto liquido di calcare (CaCO3) in un grande recipiente assorbitore. L'SO2 reagisce con l'impasto liquido per produrre solfato di calcio (gesso, CaSO4·2H2O) - un sottoprodotto commercialmente vendibile-utilizzato nella produzione di pannelli per pareti.

Perché l'FGD distrugge l'acciaio comune

I sistemi FGD sono tra gli ambienti industriali più corrosivi sulla Terra. La combinazione di fattori all'interno di uno scrubber a umido crea un ambiente chimico che distrugge l'acciaio al carbonio in pochi mesi e attacca in modo aggressivo anche gli acciai inossidabili standard:

Concentrazione di cloruro:Gli ioni cloruro (Cl⁻) - rilasciati dalla combustione del carbone e concentrati dal processo di lavaggio - si accumulano nel liquido ricircolante dell'assorbitore a livelli di 20.000–100.000 ppm. A queste concentrazioni, i cloruri penetrano nello strato di ossido passivo degli acciai inossidabili standard, dando inizio alla vaiolatura e alla corrosione interstiziale.

pH acido:L'impasto liquido assorbente funziona a pH 3–6, esponendo tutte le superfici bagnate all'acido solforico e solforoso diluito in modo continuo.

Ciclaggio della temperatura:Le superfici dei condotti sono soggette a cicli termici compresi tra 50 gradi (uscita dello scrubber a umido) e 200 gradi (ingresso pre-scrubber), sottoponendo a stress sia i materiali di base che eventuali sistemi di rivestimento.

Erosione:I liquami di calcare ricircolati a 3–8 m/s attraverso pompe, tubazioni e ugelli di spruzzatura provocano una grave usura erosiva, che agisce in sinergia con la corrosione per accelerare la perdita di materiale.

Cracking da tensocorrosione (SCC):Lo stress da trazione nelle saldature e negli elementi strutturali, combinato con liquidi contenenti cloruro-caldo, provoca SCC negli acciai inossidabili austenitici con PREN inferiore a ~40.

Dati di settore:Il sistema FGD di una centrale elettrica a carbone-da 600 MW tratta circa 2-3 milioni di Nm³/ora di gas di scarico. I vasi assorbenti nei sistemi WLFO misurano tipicamente 15–25 m di diametro e 20–30 m di altezza -, rendendo la scelta dei materiali per il rivestimento del guscio e gli interni una decisione multi-milionaria con un'aspettativa di vita progettuale di 30 anni.

Riepilogo delle condizioni della zona FGD

Tabella 1: Condizioni corrosive per zona del sistema FGD

Leghe consigliate per componente FGD

Nessuna singola lega è ottimale per ogni zona di un sistema FGD. La corretta selezione del materiale fa corrispondere la resistenza alla corrosione della lega - misurata quantitativamente dal suo numero equivalente di resistenza alla vaiolatura (PREN=%Cr + 3.3×%Mo + 16×%N) - alla specifica concentrazione di cloruri, pH, temperatura e carico meccanico di ciascuna zona del sistema.

Tabella 2: Leghe consigliate per componente FGD e condizioni operative

Riferimento alle proprietà chiave delle leghe

Tabella 3: Composizione chimica e PREN delle leghe FGD|* PREN=%Cr + 3.3×%Mo + 16×%N

Lega C276 - Il benchmark FGD

Hastelloy C276 (UNS N10276)è la lega più ampiamente specificata per impieghi FGD severi. Il suo contenuto di molibdeno del 15–17% - il più alto tra tutte le leghe di nichel prodotte in commercio - conferisce un PREN di circa 65 e un'eccezionale resistenza agli ambienti acidi sia ossidanti che riducenti. C-276 è specificato per i gusci degli assorbitori in sistemi WLFO ad alto-cloruro, rivestimenti per pile a umido e come rivestimento di carta da parati da 2–3 mm su substrati di condotti in acciaio al carbonio. È pienamente conforme alla fabbricazione dei recipienti a pressione ASME Sezione VIII e può essere saldato orbitalmente utilizzando il metallo d'apporto ERNiCrMo-4 corrispondente.

Specialista in 625 - erosione-corrosione di leghe

Lega 625 (N06625)combina elevate aggiunte di cromo (20–23%), molibdeno (8–10%) e niobio che gli conferiscono un'eccezionale resistenza all'erosione-corrosione - l'attacco combinato di particelle abrasive e mezzi corrosivi che distrugge gli ugelli di spruzzatura e le parti interne della pompa. Il suo PREN di circa 51 e l'elevata resistenza alla trazione (827–1034 MPa) lo rendono la scelta preferita per le testate di spruzzatura FGD, gli eliminatori di nebbia e le giranti delle pompe di ricircolo dove la velocità del liquame supera i 4 m/s.

317LMN - La via di mezzo- dal costo effettivo

Grado 317LMN (S31726) - una versione migliorata del 317L con molibdeno al 4–5% e aggiunta controllata di azoto - raggiunge un PREN di circa 40 a un costo significativamente inferiore rispetto alle leghe di nichel. È ampiamente utilizzato per i gusci degli assorbitori FGD in applicazioni per carichi moderati-dove le concentrazioni di cloruro sono inferiori a 30.000 ppm e il pH rimane superiore a 4. Rappresenta l'opzione in acciaio inossidabile completamente austenitico più conveniente-per le nuove costruzioni FGD in cui il C-276 non può essere giustificato economicamente.

Rivestimento e rivestimento: combinazione di robustezza e resistenza alla corrosione

Per i vasi e i condotti assorbitori FGD di-diametro grande, l'utilizzo di piastre solide C-276 ha un costo-proibitivo. La soluzione industriale è la costruzione composita: un guscio in acciaio al carbonio o a bassa lega fornisce resistenza strutturale, mentre un sottile rivestimento in lega fornisce protezione dalla corrosione:

Rivestimento della carta da parati (sovrapposizione di saldatura):2–3 mm C-276 applicato mediante rivestimento a nastro o sovrapposizione di saldatura automatizzata all'interno dell'acciaio al carbonio. Conveniente-per la copertura di aree-grandi; l'overlay deve raggiungere un deposito minimo di due- passaggi per garantire che la composizione corretta per la diluizione soddisfi i requisiti PREN.

Piastra rivestita-incollata a esplosione:Piastra rivestita in acciaio al carbonio/C-276 prodotta in fabbrica, fabbricata nei gusci dei recipienti. Fornisce uno spessore della lega preciso e uniforme (tipicamente 3–5 mm); preferito per i serbatoi assorbitori che richiedono il timbro del codice ASME.

Rivestimenti in lega sciolti:Fogli sottili (1,5–2 mm) C-276 o 625 fissati meccanicamente o incollati con adesivo a condotti in acciaio al carbonio. Installabile sul campo-; utilizzato in progetti di retrofit in cui il lavoro a caldo è limitato.

Informazioni sui costi:La lamiera solida C-276 costa circa 8-12 volte il prezzo dell'acciaio al carbonio in peso. Il rivestimento della carta da parati riduce il contenuto di lega al 15–25% del costo di costruzione del solido fornendo allo stesso tempo una protezione anticorrosione equivalente sulla superficie bagnata, rendendolo la soluzione standard per i serbatoi assorbitori FGD che superano i 10 m di diametro.

Requisiti di fabbricazione e qualità

Metalli d'apporto per saldatura:C276 richiede il riempitivo ERNiCrMo-4 (AWS A5.14); La lega 625 utilizza ERNiCrMo-3; 317LMN utilizza ER317L o 309LMo sovrastrato. I riempitivi corrispondenti o sovralegati impediscono alla diluizione del metallo di saldatura di ridurre il PREN al di sotto del livello del metallo base.

Controllo della tinta termica:Le saldature in lega di nichel devono essere spurgate-con argon puro al 99,995% per prevenire la formazione di ossido sulle perle della radice. La tinta dovuta al calore sulle saldature C-276 indica un esaurimento locale del molibdeno e deve essere rimossa mediante decapaggio o finitura meccanica.

Trattamento post-saldatura:Le leghe di nichel non richiedono il trattamento termico post-saldatura (PWHT) e vengono degradate da esso (precipitazione in fase sigma).. 317Le saldature LMN nel servizio FGD sono generalmente solubilizzate-ricotte se la sensibilizzazione è un problema.

Ispezione:Test radiografico (RT) o ultrasonico (UT) al 100% di tutte le saldature contenenti pressione-nei vasi assorbitori; test con coloranti penetranti (PT) su tutti gli strati di saldatura C-276 per confermare l'assenza di crepe e mancanza di fusione.

Standard applicabili

Lastre, fogli, nastri e tubi ASTM B575 / B622 - C-276 e C-22

ASTM B443 / B444 - Piastra e tubo in lega 625

Prodotti laminati piatti-in acciaio inossidabile ASTM A240 - 316L, 317L, 317LMN

ASME Sezione VIII Div. 1 - Fabbricazione di recipienti a pressione (recipienti assorbitori)

NACE MR0103 - Materiali resistenti allo stress cracking da solfuro in ambienti acidi di raffineria

ISO 9001 / EN 10204 Tipo 3.1 - Certificazione e tracciabilità dei materiali per la costruzione FGD

Conclusione

La selezione dei materiali è la decisione ingegneristica più importante nella progettazione del sistema FGD. Specificare la lega giusta - abbinata alla concentrazione di cloruro, al pH, alla temperatura e al carico meccanico di ciascuna zona del sistema - fa la differenza tra una durata di servizio di 30 anni e un costoso guasto prematuro.

La gerarchia è chiara: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 di cloruro, pH<4, or wet stack conditions demands maximum corrosion performance.

Con l'inasprimento delle normative ambientali a livello globale e gli investimenti dei servizi pubblici nell'ammodernamento delle centrali elettriche obsolete con sistemi FGD, la domanda di leghe ad alte-prestazioni-adattate all'applicazione e conformi ai codici-continuerà a crescere. Ottenere le specifiche del materiale già in fase di progettazione è l'investimento più conveniente-nell'affidabilità del sistema FGD.