Leghe Hastelloy nell'incenerimento dei rifiuti: resistenza alla corrosione delle condense acide dei gas di scarico

La combustione dei rifiuti solidi urbani produce più che calore e ceneri -: produce gas di scarico arricchiti con acido cloridrico, ossidi di zolfo e altri composti-che formano acidi che, una volta condensati, creano uno degli ambienti liquidi più corrosivi che qualsiasi attrezzatura industriale deve affrontare abitualmente. L'acciaio inossidabile standard, e in molti casi anche i gradi super-austenitici al 6% di molibdeno, non sono adeguati in modo affidabile in questa specifica chimica della condensa, motivo per cuiHastelloy C276, C-22 e C-2000 sono diventati materiali standard nei sistemi di lavaggio e raffreddamento degli impianti di termovalorizzazione. Questa guida spiega perché la condensa dei gas di scarico è così aggressiva, dove si forma in un impianto di incenerimento e come la famiglia di leghe Hastelloy è specificata per sopravvivere ad essa.

Perché i gas di scarico dell'incenerimento dei rifiuti creano un ambiente corrosivo così aggressivo?

I gas di scarico dell'incenerimento dei rifiuti sono aggressivi perché la combustione di rifiuti solidi urbani misti - che comunemente contengono plastica in PVC, rifiuti alimentari e altri materiali contenenti cloro- e zolfo- - rilascia acido cloridrico, ossidi di zolfo e altri gas che formano acidi-che diventano estremamente corrosivi una volta condensati in un liquido a basso-pH e ad alto-cloruro.

I rifiuti solidi urbani sono un combustibile altamente variabile e questa variabilità è proprio ciò che rende la chimica dei gas di scarico così impegnativa: il PVC e altre plastiche clorurate rilasciano gas cloruro di idrogeno (HCl) durante la combustione, i materiali contenenti zolfo- rilasciano ossidi di zolfo che possono formare acido solforico e solforoso durante la condensazione, mentre tracce di alogeni e metalli pesanti nel flusso di rifiuti aggiungono ulteriore complessità al gas risultante e alla chimica finale del condensato.

A differenza di un processo chimico ben-controllato con una materia prima nota e coerente, la composizione dei gas di scarico di un impianto di incenerimento cambia con la composizione dei rifiuti bruciati in un dato giorno, il che significa che il sistema di protezione dalla corrosione deve essere progettato per una combinazione realisticamente severa di condizioni piuttosto che per un'unica chimica caratterizzata con precisione - una filosofia di progettazione che favorisce materiali ampiamente utilizzabili e con margini elevati-rispetto a quelli strettamente ottimizzati.

Che cos'è la corrosione del punto di rugiada acido e dove si verifica in un sistema di incenerimento?

La corrosione del punto di rugiada acido si verifica quando il gas di scarico si raffredda alla temperatura specifica alla quale i vapori che formano acido-si condensano in goccioline liquide direttamente sulle superfici delle apparecchiature ed è più grave sulle superfici di trasferimento di calore-all'estremità fredda, nelle camere di raffreddamento e nei sistemi di lavaggio a umido dove questa condensa è inevitabile o deliberatamente indotta come parte del processo di controllo dell'inquinamento.

Il gas di scarico trasporta composti che formano acidi-sotto forma di vapore ad alta temperatura e, quando il gas si raffredda - attraverso apparecchiature di recupero del calore o un processo deliberato di raffreddamento e lavaggio - questi composti raggiungono una temperatura alla quale si condensano come liquido acido concentrato direttamente sulla superficie fredda più vicina. Questo punto di rugiada acido non è una singola temperatura fissa; dipende dalla miscela specifica di gas acidi e contenuto di umidità presente, ma il meccanismo sottostante è coerente: qualsiasi superficie metallica che scende al di sotto di questa soglia diventa un sito di condensazione per quello che può essere un liquido corrosivo a-estremamente basso, ad alto-cloruro e spesso concentrato localmente.

Questo è esattamente il motivo per cui le superfici dell'economizzatore- dell'estremità fredda e del preriscaldatore dell'aria, le camere di raffreddamento e i recipienti dello scrubber a umido - sono tutti progettati specificatamente per raffreddare i gas di combustione e, negli scrubber, per metterli intenzionalmente a contatto con il liquido per la rimozione del gas acido - sono le zone in cui questo meccanismo di corrosione è più grave e più importante per la selezione del materiale.

Quali leghe Hastelloy sono comunemente utilizzate nei servizi di incenerimento dei rifiuti e in cosa differiscono?

Hastelloy C-276, C-22 e C-2000 sono le leghe di nichel-cromo-molibdeno più comunemente specificate per il servizio di condensazione dei gas di combustione acidi, ciascuna delle quali offre un profilo di resistenza alla corrosione correlato ma distinto modellato dalle differenze nel contenuto di molibdeno, tungsteno e rame.

Un confronto tra i tre gradi Hastelloy più comunemente specificati per questo servizio:

Tabella 1. Confronto dei comuni gradi Hastelloy specificati per il servizio di incenerimento dei gas di scarico condensati. La selezione del grado dovrebbe sempre essere convalidata rispetto alla chimica specifica del condensato prevista in una determinata sede dell'impianto, idealmente supportata da test di corrosione o da esperienza sul campo documentata in servizi comparabili, piuttosto che da sole linee guida di riferimento generali.

Tutte e tre le leghe condividono la stessa base di base di nichel-cromo-molibdeno responsabile della resistenza sia all'attacco acido generale che alla corrosione localizzata indotta da cloruro-, ma ciascuna è stata sviluppata per estendere o riequilibrare tale resistenza in una direzione specifica. - Le prestazioni migliorate in condizioni di ossidazione-di C-22 e la resistenza all'acido solforico guidata dal rame di C-2000 rappresentano entrambe un obiettivo risposte metallurgiche a lacune specifiche identificate nell’esperienza sul campo con leghe di generazione precedente come C-276, che riecheggiano lo stesso tipo di perfezionamento compositivo discusso in altre guide tecniche sull’evoluzione dei gradi di acciaio inossidabile.

Perché l'acciaio inossidabile standard è generalmente inadeguato per la condensa acida dei gas di scarico?

L'acciaio inossidabile austenitico standard, e spesso anche i gradi super-austenitici al 6% di molibdeno, sono generalmente inadeguati per le zone di condensa dei gas di scarico acide più severe perché la combinazione di pH molto basso, elevata concentrazione di cloruri e specie ossidanti in questo specifico condensato supera i limiti pratici di resistenza alla corrosione offerti da questi gradi, in particolare per quanto riguarda vaiolatura, corrosione interstiziale e tensocorrosione da cloruri.

La condensa dei gas di scarico nella sua forma più grave combina simultaneamente diversi fattori di accelerazione della corrosione-contemporaneamente: concentrazione di cloruro che può salire ben al di sopra dei livelli tipici dell'acqua di processo poiché l'evaporazione concentra la condensa, pH sufficientemente basso da rappresentare un vero attacco acido piuttosto che una semplice esposizione al cloruro e combustione ossidante da parte di-prodotti che possono spingere anche le leghe resistenti al cloruro-verso i loro limiti pratici. Questa combinazione è considerevolmente più severa rispetto agli scenari generali di vaiolatura da cloruro e corrosione interstiziale discussi in altre guide tecniche sui limiti del PREN e del cloruro di acciaio inossidabile, motivo per cui gli impianti di termovalorizzazione-per-energia si rivolgono specificamente alle leghe Hastelloy a base di nichel-nelle zone più severe anziché fare affidamento sui gradi di acciaio inossidabile-PREN più elevati che funzionano bene in ambienti di cloruro meno acidi e meno ossidanti come l'acqua di mare.

In che modo il C-22 migliora rispetto al C-276 nelle condizioni ossidanti del cloruro acido?

Hastelloy C-22 migliora le prestazioni del C-276 in particolare in condizioni ossidanti di cloruro acido attraverso una composizione riequilibrata di cromo, molibdeno e tungsteno, conferendogli una migliore resistenza alla corrosione localizzata e all'attacco generale in presenza di specie ossidanti rispetto a quella offerta dal C-276, motivo per cui il C-22 è diventato sempre più preferito in molti progetti di sistemi di scrubber moderni.

La C-276 rimane una lega eccellente e ad ampio spettro, ma l'esperienza sul campo nelle applicazioni di lavorazione chimica e di lavaggio dei gas di combustione ha identificato che le sue prestazioni potrebbero diventare più marginali, in particolare quando le condizioni del cloruro acido erano anche fortemente ossidanti - una combinazione realmente possibile nell'incenerimento della condensa dei gas di scarico dati i sottoprodotti della combustione ossidante-presenti insieme ai gas acidi. Lo sviluppo del C-22 ha mirato specificamente a questo divario, riequilibrando il rapporto cromo e molibdeno-tungsteno della lega per estendere ulteriormente le prestazioni affidabili in condizioni ossidanti senza sacrificare la resistenza agli acidi riducenti che ha reso prezioso il C-276 in primo luogo.

Questo miglioramento mirato è il motivo per cui molti moderni progetti di sistemi di scrubber a umido specificanoC22come almeno uguale al C-276, e in applicazioni soggette a-condizioni-ossidanti, a volte preferite rispetto al C-276, anche se entrambe rimangono scelte valide e attivamente specificate a seconda della chimica specifica del condensato che un dato impianto si aspetta.

Che ruolo gioca l'aggiunta di rame del C-2000 nella resistenza alla condensa dei gas di scarico?

L'aggiunta di rame di C-2000 migliora in modo specifico la resistenza all'acido solforico e a determinate condizioni di acido misto, rendendolo una scelta particolarmente rilevante laddove la condensa dei gas di scarico trasporta un componente significativo di solfato o acido solforico insieme al contenuto di cloruro più comunemente enfatizzato.

Le aggiunte di rame hanno un ruolo ben-stabilito nella metallurgia delle leghe di nichel per migliorare la resistenza in ambienti riducenti acidi, un principio discusso anche in altre guide tecniche che trattano il ruolo del rame in qualità come 904L. C-2000 applica questo stesso principio generale all'interno di una struttura Hastelloy ad alto-cromo e-molibdeno, conferendogli un profilo di resistenza alla corrosione che abbraccia sia condizioni ossidanti che riducenti, offrendo allo stesso tempo una resistenza particolare nella chimica influenzata dall'acido solforico--importante nell'incenerimento del condensato dei gas di scarico, in particolare perché i componenti di scarto contenenti zolfo-che possono produrre quantità significative contenuto di solfato e acido solforico insieme al contributo di acido cloridrico più frequentemente discusso. Laddove l'analisi chimica del condensato prevista per un impianto specifico indica che un contenuto significativo di solfati è una preoccupazione governativa, C-2000 è una lega ragionevole da valutare insieme a C-276 e C-22 piuttosto che limitarsi a una delle discussioni più incentrate sul cloruro da sole.

Dove in un impianto di incenerimento vengono specificate più comunemente le leghe Hastelloy?

Le leghe Hastelloy sono più comunemente specificate in recipienti di lavaggio a umido, camere di raffreddamento, eliminatori di nebbia e superfici di trasferimento di calore a freddo-end - le zone specifiche in cui si verifica un contatto diretto prolungato con condensa acida concentrata - mentre le zone meno severe dello stesso impianto sono spesso costruite con materiali più economici.

Una vista zona-per-zona del tipico approccio del materiale lungo il percorso dei gas di scarico di un impianto di incenerimento:

Tabella 2. Gravità della corrosione e approccio dei materiali zona rappresentativa-per-zona lungo il percorso dei gas di combustione di un impianto di incenerimento-per-energia.

Questo modello di specifica selettiva rispecchia la stessa filosofia di selezione dei materiali-basata sulla zona e specifica per il conducente-discussa in altre guide tecniche sulle strutture offshore e sulle apparecchiature per il trattamento chimico: invece di costruire un intero impianto con il materiale disponibile più resistente alla corrosione-, gli ingegneri concentrano le leghe di nichel di prima qualità specificamente nei luoghi in cui si verifica effettivamente un'esposizione prolungata e grave alla condensa acida, utilizzando materiali più economici o rivestimenti protettivi altrove nello stesso sistema.

Come dovrebbero affrontare gli ingegneri la selezione dei materiali nelle zone di corrosione di un impianto di incenerimento?

Gli ingegneri dovrebbero caratterizzare la chimica prevista del condensato - cloruro, solfato e pH - per zona, mappare la temperatura locale del metallo rispetto al punto di rugiada acido e selezionare tra C-276, C-22 e C-2000 (o una combinazione tra diverse zone) in base al carattere ossidante/riducente specifico e al contenuto di solfato del condensato previsto in ciascuna posizione.

Un approccio pratico alla selezione:

1. Caratterizzare i gas di scarico previsti e la chimica del condensato,compresi gli intervalli di cloruro, solfato e pH, idealmente basati sulla composizione effettiva o rappresentativa del flusso di rifiuti piuttosto che su ipotesi generiche.

2. Mappare la temperatura locale del metallo rispetto al punto di rugiada acidoper ciascuna zona, identificando i punti in cui è probabile che si formi condensa anche al di fuori delle zone volutamente umide come gli scrubber e le camere di raffreddamento.

3. Valutare il carattere ossidante/riducente della condensa previstacome fattore primario nella scelta tra C-276 e C-22, in linea con i principi di selezione dei materiali guidati da meccanismi discussi in altre guide tecniche sugli ambienti ossidanti rispetto a quelli riducenti la corrosione.

4. Considerare il C-2000 specificamente laddove il contenuto di solfato o acido solforico è un componente significativo e documentatodella chimica del condensato prevista, invece di limitarsi a confronti di qualità focalizzati-sul cloruro.

5. Applicare le leghe premium selettivamente per zona,riservando le qualità Hastelloy per luoghi con esposizione prolungata e grave alla condensa acida, utilizzando materiali più economici o rivestimenti protettivi in ​​altre parti dello stesso impianto.

Domande frequenti

L'acciaio inossidabile duplex o super duplex può essere utilizzato ovunque nel percorso del gas acido di un impianto di incenerimento dei rifiuti?

Sì, nelle zone meno severe in cui la chimica della condensa è meno aggressiva o la temperatura del metallo rimane costantemente al di sopra del punto di rugiada acido, i gradi duplex e super duplex possono offrire un'alternativa più economica alle leghe Hastelloy, ma generalmente non sono considerati adeguati per il contatto diretto e prolungato con gli scrubber più severi e il condensato della camera di raffreddamento.

La composizione del flusso di rifiuti influisce in modo significativo sul grado di Hastelloy appropriato?

Sì - poiché la composizione dei rifiuti solidi urbani varia in base alla regione e nel tempo, gli impianti che bruciano flussi di rifiuti con un contenuto insolitamente elevato di plastica clorurata, materiale contenente zolfo-o co-combustione di rifiuti industriali possono vedere una chimica della condensa significativamente diversa rispetto a un tipico flusso di rifiuti urbani, motivo per cui si consiglia la caratterizzazione chimica specifica del sito-piuttosto che presumere che un'unica lega scelta si applichi universalmente a tutti gli impianti di incenerimento.

Le leghe Hastelloy vengono utilizzate come costruzione solida di recipienti o, più spesso, come rivestimenti e rivestimenti?

Entrambi gli approcci vengono utilizzati nella pratica - la costruzione solida in Hastelloy è comune per componenti più piccoli e elementi critici come gli eliminatori di nebbia, mentre il rivestimento o il rivestimento di un substrato strutturale più economico con uno strato di Hastelloy è un approccio comune in termini di costi-economici per le navi più grandi, con la scelta che dipende dalle dimensioni della nave, da considerazioni di fabbricazione e dall'economia del progetto.

La saldatura delle leghe Hastelloy nella fabbricazione di impianti di incenerimento è diversa dalla saldatura in altri settori?

I principi fondamentali della saldatura - selezione appropriata del metallo d'apporto, controllo dell'apporto di calore e-pulizia post-saldatura - sono coerenti con la pratica di saldatura Hastelloy in tutti i settori, sebbene la fabbricazione dell'impianto di incenerimento dovrebbe comunque seguire una procedura di saldatura qualificata specifica per la lega e l'applicazione esatta piuttosto che presumere che le linee guida generali sulla saldatura delle leghe di nichel si applichino senza verifica.

L'utilizzo di una lega Hastelloy di alta qualità elimina la necessità di ispezioni regolari nei sistemi di lavaggio degli impianti di incenerimento?

Nessuna lega - nemmeno altamente resistente alla corrosione-trae vantaggio da un programma di ispezione documentato, in particolare data la reale variabilità nella chimica dei gas di scarico dell'incenerimento durante la vita operativa di un impianto; l'ispezione rimane un importante complemento alla selezione dei materiali piuttosto che un passaggio che la selezione della lega premium rende superflua.