Dans les épurateurs de désulfuration des gaz de combustion à 70 degrés, comment une concentration de chlorure supérieure à 20 000 ppm dicte-t-elle la paroi minimale du tube en titane pour la prévention des sténopés ?

Les centrales électriques alimentées au charbon et les chaudières industrielles sont équipées d'épurateurs de désulfuration des gaz de combustion (FGD) qui fonctionnent dans certaines des conditions les plus corrosives des équipements environnementaux. Le fluide de lavage est un mélange complexe de sulfite/sulfate de calcium, de cendres volantes et de chlorures dissous qui se concentrent lors de la recirculation de la boucle de lavage. Le titane grade 2 est le matériau de construction standard pour les tubes de réchauffeur et les collecteurs de pulvérisation dans les systèmes FGD en raison de sa résistance aux attaques de sulfites. Cependant, les concentrations de chlorure sont souvent supérieures à 20 000 ppm (2 %) dans les épurateurs FGD et peuvent même atteindre 50 000 -80 000 ppm dans les systèmes à rejet-liquide-zéro. À ces concentrations de chlorure, le titane est sensible aux piqûres et à la corrosion caverneuse et la seule protection contre la perforation à travers la paroi est la paroi du tube elle-même, tant en termes d'épaisseur que de qualité métallurgique. Cet article présente l'épaisseur minimale de paroi du tube en titane requise pour empêcher la perforation par piqûre en fonction de la concentration en chlorure, de la température et des crevasses dans le service d'épurateur FGD.

Piqûres de métaux dans une liqueur FGD à haute teneur en chlorure
La corrosion par piqûre du titane dans des paramètres de FGD à -Cl élevé et à pH faible-pH suit un modèle de propagation-d'initiation-bien documenté. La rupture du film passif de TiO 2 se produit à des endroits discrets où les ions chlorure remplacent l'oxygène dans le réseau du film. Une fois qu'une fosse est démarrée, la solution de chlorure acide dans la fosse (le pH peut descendre jusqu'à 1-2) continue sa dissolution active, tandis que la surface passive environnante est protégée. La fosse se dilate de manière hémisphérique et le temps de perforation est approximativement proportionnel au carré de l'épaisseur de la paroi pour un taux de croissance de fosse particulier.

La température critique de piqûre (CPT) du titane de grade 2 dans les solutions de chlorure diminue avec l'augmentation de la concentration de chlorure. À un pH de 4 (typique des épurateurs FGD), 20 000 ppm Cl- donne un CPT d'environ 85 degrés, au-dessus de la température de fonctionnement moyenne de l'épurateur de 70 degrés et fournit une marge de sécurité. À 40 000 ppm Cl-, le CPT diminue jusqu'à 70 degrés, c'est-à-dire que l'épurateur fonctionne exactement au seuil. Le CPT chute à 55 degrés à 60 000 ppm Cl- et des piqûres actives peuvent se produire à des températures de service normales. Les taux de propagation des fosses augmentent de manière logarithmique avec l'augmentation de la concentration de chlorure : à 20 000 ppm Cl- et 70 degrés, une fosse de propagation s'approfondit à raison de 0,2-0,3 mm par an ; à 40 000 ppm Cl-, le taux est de 0,5 à 0,8 mm par an ; à 60 000 ppm Cl- des taux de 1,0 à 1,5 mm par an sont enregistrés.

Épaisseur de paroi : une approche de prévention des sténopés
L'épaisseur de paroi minimale requise pour donner une durée de vie de 5 ans sans perforation par trous d'épingle des réchauffeurs et des faisceaux de tubes de l'épurateur FGD dépend du taux de propagation prévu de la fosse et de la répartition statistique des sites de démarrage de la fosse. Un modèle conservateur de croissance de la fosse (profondeur de la fosse=k*t^0,5 où k est fonction de la concentration de chlorure) est utilisé et la durée de vie du tube est supposée être déterminée par la fosse la plus profonde. L'épaisseur de paroi nécessaire est calculée comme suit :

La constante de propagation des fosses k à 20 000 ppm Cl- est de 0,28 mm/an^0,5. Pour une durée de vie de 5 ans, profondeur maximale de la fosse=0.28 × √5=0.63 mm. La marge de sécurité pour le tube à paroi de 1,2 mm est d'environ 0,6 mm, ce qui est suffisant pour des tubes propres sans problèmes préexistants.

40 000 ppm Cl- k=0.48 mm/an^0,5 Profondeur maximale de la fosse en 5 ans=0.48 * sqrt(5)=1.07 mm. 1.65mm le tube mural fournit une marge, un tube de 1,2 mm percerait.

k=0.70 mm/an 0,5 à 60 000 ppm Cl-. Profondeur maximale de la fosse en 5 ans=0.7 × √5=1.57 mm. Un tube mural de 2,0 mm est nécessaire pour un service fiable de 5 ans.. 1.65 mm ne donnera que 3 à 4 ans.

Tubes en titane pour matrice d'application du laveur FGD
Type de système FGD Concentration typique en chlorure Qualité de titane recommandée Épaisseur de paroi minimale Durée de vie prévue
Centrale électrique au charbon, calcaire humide (flux de purge régulé)15 000-25 000 ppm Nuance 2 1.2-1.5 mm 5-8 ans
Centrale électrique au charbon, charbon à haute teneur en chlorure 25 000-40 000 ppm Grade 2 ou Grade 7 1.65 mm 4-6 ans
FGD à décharge-liquide-zéro (boucle fermée) 40 000 à 60 000 ppm Grade 7 (Ti-0,15Pd) 2,0 mm 5 à 7 ans
Chaudière industrielle FGD (charbon variable) 10 000-20 000 ppm Grade 2 .8-.12 mm 8-10 ans
Déchets-valorisation-énergie FGD (forte teneur en chlorure provenant des déchets) 50 000 à 80 000 ppm Grade 12 ou Grade 7 2.5 mm 4 à 6 ans
Problèmes de qualité des tubes et de crevasses
Les-crevasses préexistantes dans le tube n'empêchent pas la perforation par sténopé, même si l'épaisseur de la paroi est augmentée. Dans le service d'épuration FGD, des crevasses sont présentes au niveau des joints roulés des tubes-à-plaques tubulaires, sous les joints et sous les dépôts de gypse ou de cendres volantes. La corrosion caverneuse augmente le taux d'initiation et de propagation des piqûres d'un facteur de 3 -10. Les jonctions soudées tube--plaque tubulaire (sans fissures) sont préférées aux connexions laminées ou à brides à toute concentration de chlorure supérieure à 20 000 ppm. Les surfaces des tubes doivent être exemptes de tartre, de particules de fer incrustées (provenant des outils de formage) et de rayures de surface dépassant 10 % de l'épaisseur de la paroi. La meilleure résistance aux piqûres est offerte par les finitions électropolies ou décapées.

Pour les épurateurs FGD fonctionnant à 70 degrés avec des concentrations de chlorure supérieures à 20 000 ppm, une épaisseur minimale de paroi de tube en titane de 1,65 mm est requise pour le grade 2 dans les systèmes modérément concentrés (20 000-40 000 ppm), pouvant atteindre 2,0 mm pour les systèmes de grade 7 au-delà de 40 000 ppm. Les ingénieurs doivent spécifier des surfaces de tubes décapées ou électropolies, des joints de tube à plaque tubulaire soudés plutôt que laminés et surveiller la concentration de chlorure chaque semaine pour détecter les perturbations avant que des perforations par piqûres ne se produisent. Pour les niveaux de chlorure supérieurs à 60 000 ppm, d'autres matériaux tels que le titane ou le zirconium de grade 12 doivent être envisagés.