A Review of Current and Planned Smooth Surface Technologies for Fouling Resistance in Boiler
Total Page：16
File Type：pdf, Size：1020Kb
MATERIAL- OCH KEMITEKNIK 1232 Smooth Surfaces: A review of current and planned smooth surface technologies for fouling resistance in boiler Robert Corkery, Linda Bäfver, Kent Davidsson, Adam Feiler Smooth Surfaces: A review of current and planned smooth surface technologies for fouling resistance in boiler. Glatta ytor: En genomgång av glatta ytor som teknik för att stå emot bildning av beläggningar på värmeöverförande ytor. Robert Corkery, Linda Bäfver, Kent Davidsson, Adam Feiler M08-838 VÄRMEFORSK Service AB 101 53 STOCKHOLM · Tel 08-677 25 80 Februari 2012 ISSN 1653-1248 VÄRMEFORSK Abstract Here we have described the basics of boilers, fuels, combustion, flue gas composition and mechanisms of deposition. We have reviewed coating technologies for boiler tubes, including their materials compositions, nanostructures and performances. The surface forces in boilers, in particular those relevant to formation of unwanted deposits in boilers have also been reviewed, and some comparative calculations have been included to indicate the procedures needed for further study. Finally practical recommendations on the important considerations in minimizing deposition on boiler surfaces are made. i VÄRMEFORSK ii VÄRMEFORSK Sammanfattning Det höga innehållet av alkali (kalium och natrium) och klor i avfall och biobränsle leder till drift- och underhållsproblem genom bildning av påslag och efterföljande korrosion på överhettare i förbränningsanläggningar. Detta projekt handlar om interaktioner på överhettartubers ytor vid förbränning av avfall och biobränsle. En genomlysning av tekniker som kan användas för att skapa glatta tubytor i pannor presenteras. Glatta ytor skall förhindra eller fördröja bildning av påslag. Påslag består av askelement från bränslet. Vid överhettare är kaliumklorid särskilt kritiskt och vid avfallsförbränning även natriumklorid. Både kalium- och natriumklorid är korrosiva. Vid avfallsförbränning kan även ämnen som bly och zink vara betydelsefulla. Hög koncentration av svavel i bränsle och därpå följande rökgas är istället positivt eftersom alkalisulfater kan bildas och de är inte lika klibbiga och korrosiva som motsvarande klorider. Både gasformiga ämnen och partiklar kan bilda påslag. De grundläggande mekanismerna för bildning av påslag är: tröghetsimpaktion (partiklar > 1 µm), diffusion (gas eller partiklar < 1 µm), termofores (partiklar < 1 µm), kondensation (gas) och kemiska reaktioner (gas eller partiklar). Vid överhettare (rökgastemperatur 800-1000 °C) är kalium- och natriumklorid i gasfas. Närmast överhettarytorna blir dock temperaturen lägre och kalium- och natriumklorid övergår till fina partiklar eller kondenserar direkt på ytorna. Ett sådant påslag kan vara tunt och homogent, medan andra påslag kan bli 10-15 cm tjocka och vara heterogent sammansatta. Man kan minska påslag genom att belägga en ståltub med en beläggning som är keramisk eller med keramisk kompositbeläggning, så att ytan blir glatt. Den stora utmaningen vid keramisk beläggning av ståltuber är skillnader i termisk utvidgning av keramiskt och metalliskt material vid uppvärmning. Det leder till sprickor eller termisk chock med avskalning och andra problem. Cykling av tubtemperaturer vid drift kan också påverka gränsytor mellan ståltub och beläggningsmaterial. Olika keramiska material kan skräddarsys för att minimera termisk utvidgning (CTE - Coefficient of Thermal Expansion) och medföljande problem, men än så länge är de inte tillräckligt inerta i förbränningsmiljöer. Termisk chock är oundviklig, men konsekvenserna kan minimeras genom att sprida ut spänningar. Det kan göras genom att med hjälp av legeringslager binda keramiskt material till tubmaterialet. Man kan använda komposit-keramer vilka innehåller partikulärt material med modifierad CTE och mer nanostrukturerade system som har mycket fina fibrer för homogen spänningsöverföring, mineralfibernätverk för flexibilitet och styrka, och till slut få en viss nivå av porositet som klarar volymförändringar utan att krackelera. I beläggningsmaterial som står emot termisk chock väl har nano- och mikrostrukturer en avgörande betydelse. När man gör keramiska beläggningsmaterial kompatibla med stål uppstår oundvikligen porositet, nano- och mikrostrukturer som gasformig alkaliklorid kan diffundera in i. Det kan orsaka problem om struktursystemen är sammankopplade, vilket sannolikt är fallet i dagens material. Det kan också uppstå problem med porer och ledning av alkali-ånga vid tillverkning av keramiska beläggningsmaterial med slamgjutning. iii VÄRMEFORSK Fördelningen av porer i en keramisk beläggning som står emot termisk chock innebär sannolikt nanoporös struktur. Kelvin-ekvationen säger att KCl kondenserar in i dessa porer, väl under mättnadstryck för KCl i gasbulken, så vätskeformig KCl stabiliseras även vid högre temperaturer. Vidare så stabiliseras dessa vätskor av små porer. På så sätt stabiliseras vätskor vid mycket lägre temperaturer i den keramiska beläggningen på panntuben. Sammanfattningsvis så kondenserar KCl i porer med hjälp av kapillär kondensation, trots att KCl är i gasfas vid den aktuella rökgastemperaturen och de små porerna kommer också hjälpa till att transportera KCl mellan keramisk beläggning och ståltub. Ytkrafter gås igenom utgående från beskrivna utmaningar för att belägga ståltuber med keramiskt material. Slutsatsen är att bästa metoden för att minimera påslag och korrosion med hjälp av keramisk beläggning, och upprätthålla livslängden för en keramisk beläggning är att använda keramisk nanokomposit som är resistent mot termisk chock med ”tie layer” till ståltub. Mer arbete behövs för att förstå den exakta ytkemin för alkaliklorid och interaktioner i sprickor och mikrostrukturer med hänsyn till olika keramiska lager. Ett idealt material skulle innebära en keram med modifierad CTE, ett ”tie layer” för kohesion, stängd porositet och termisk och kemisk inert i överhettarmiljö. iv VÄRMEFORSK Executive Summary This project has been predominantly focused on surface interactions related to boiler deposits in superheater zones of Waste to Energy (WTE) and biomass boilers. We have reviewed the literature and mechanisms of deposit formation, the nature of the deposits, in particular the initial stages of deposition. It is not a classical thin boundary layer deposit, but can be 10-15 cm thick and with a very heterogeneous chemical and physical nature. The corrosion problems are complex, the fluid dynamics and thermodynamics are likewise. In order to simplify the understanding of the problem, we have reviewed the composition of fuels, and the composition of deposits relevant to the initial stages of deposition. While many factors are involved in this initial stage too, it is considered that the increase in roughness is brought about through condensation of volatile chlorides, in particular alkali chlorides which are abundant in biomass and waste streams fed in as fuel. While it is true that more complex chemistry may occur in the earliest stages, the importance of KCl seems clear from the literature as both a key early depositor on surfaces, and also a key source of aggressive chloride for corrosion. From reviewing the literature, and from interpreting the literature with the aid of some calculations we can make some conclusions and recommendations, and possibly some new observations. In superheater zones with fireside temperatures between 800-1000°C, KCl can exist in the gaseous state until close to the cooler surfaces of the boiler tubes, at which time it can condense. This is well enough known that additives are used by plant operators to reduce alkali chloride concentrations in the vapour, giving rise to HCl(g) which is less harmful on account of their higher volatility and can be scrubbed. Other interventions to reduce boiler tube damage by flue gas include the coating of steel boiler tubes with thin ceramic and ceramic composite coats. The role of these is to block corrosive chemical attack from the fireside without compromising heat transfer and to minimize deposits. One great challenge with ceramic coatings of ferrous and nonferrous alloy boiler tubes is differential thermal expansion leading to cracks or thermal shock leading to wholesale delamination and other failure modes. Various ceramics can be tailored to minimize coefficient of thermal expansion mismatch and yet these are not necessarily of the best chemical composition to remain inert with respect to the fireside chemistry. Inevitably, thermal shock damage in the surface coatings on boiler tubes can be reduced by spreading stresses, for example, using bond layers or through nanocompositing and by maintaining a certain level of porosity that can accommodate volume changes. Cycling of tube temperatures during operations can affect the interfaces in these materials and inevitably, even in the most thermally shock resistant coatings, nano- and microfractures will play the role of stress distributors. In making ceramic coatings compatible with steels there is invariably porosity or nano and microfractures for gaseous KCl to diffuse into. These will offer a barrier only as long as these fracture systems remain disconnected, and this is probably not the case in v VÄRMEFORSK today’s materials. Secondly the porosity formed during slip casting and green body firing of sol gel ceramics will remain to also be a conduit for KCl gas. Pore sizes in thermally shock-resistant ceramic coats are likely to be in the nanometric range. The Kelvin equation tells us that KCl will condense into these pores below the saturation pressure of KCl