P ROBLEMTYPER

Detta projekt ska samla in erfarenheter från ett antal förbränningsanläggningar av främst korrosion på matarvattenekonomisrar, på icke kondenserande fjärrvärmeekonomisrar samt på luftförvärmare, varför dessa fortsättningsvis ibland för enkelhetens skull kallas ”värmeväxlarna”.

Rökgasen vid ekonomisrar och luftförvärmare innehåller fasta partiklar och gasmolekyler, medan däremot vid de temperaturer som vanligen råder, kring 200 ºC, ingen vätska. Däremot kan temperaturen på ytorna hos ekonomisrar och luftförvärmare underskrida daggpunktstemperaturen varvid kondens faller ut på ytorna. Kondensen kan öka risken för vidhäftning av de fasta partiklarna på ytorna men också, beroende på kondensatets sammansättning, orsaka korrosion på ytorna. Fasta partiklar, i form av hygroskopiska salter, kan å sin sida ökar risken för kondensutfällning genom att höja daggpunktstemperaturen (se kap 3.3.3), och dessutom göra kondensatet mer aggressivt om det hygroskopiska saltet innehåller exempelvis klorider. Fasta partiklar behöver dock ingen närvaro av kondens för att vidhäfta mot ytorna, och vidhäftningen kan fortsätta på den initialt bildade avlagringen. Är avlagringens vidhäftning mot ytan och avlagringen i sig tillräckligt stark, kan avlagringen växa sig allt tjockare. Detta medför inte bara att värmeöverföringen från rökgasen till mediet i ekonomisern och luftförvärmaren hämmas, utan även, i förlängningen, att igensättningar uppkommer, vilket ökar risken för erosion. Är det dessutom så att beläggningen innehåller ett salt med ett lågsmältande eutektikum (se kap 3.3.3), kan rökgastemperaturen vara tillräcklig för att skapa en saltsmälta vilket kraftigt ökar risken för korrosion. Slutligen kan fasta partiklar, beroende på hårdhet och storlek, öka risken för erosion. Beroende på konstruktion och temperatur hos ekonomisern, och på grund av att den ligger före luftförvärmaren i rökgasflödet, är det främst ekonomisern som kan drabbas av igensättningar, saltsmältor och erosion av rökgasens fasta partiklar.

Rökgassidiga problem för värmeväxlarna utgörs av beläggningsbildning, igensättningar, erosionsskador samt korrosionsskador. Problem på värmeväxlarens sida med det värmeupptagande mediet utgörs rimligen endast i mycket begränsad omfattning av beläggningsbildning och erosion, utan istället av korrosion och då för vattenbaserade värmeväxlare. Den vattensidiga korrosionen får dock förmodas också vara mycket begränsad, åtminstone om man jämför med de rökgassidiga problemen. Vid samtal med representanter för de anläggningar som granskas i denna rapport (se bilaga A1) har endast vid ett fåtal tillfällen framkommit att problem uppstått på sidan med det värmeupptagande mediet, varför frågeställningar kopplade till denna typ inte tas upp i det följande.

3.3.1 Beläggningsbildning och igensättning

Beläggningsbildning kan betraktas som ett förstadium till igensättningar, och för med

sig den nackdelen att värmeväxlarens prestanda minskar. Om beläggningarna blivit så

tjocka att igensättning kan sägas ha skett, kommer rökgasens hastighet genom de ytor

som inte är igensatta att öka kraftigt, med den påföljden att erosionseffekten där också

3.3.2 Erosion

På vattensidan av ekonomisern är erosionsskador sällsynta även om de uppges förekomma [4]. Diskontinuiteter, exempelvis uppkomna på grund av anlagringar av fasta produkter på ytan, kan orsaka störningar i flödet i form av turbulens, med nötning och materialförlust som följd.

Betydligt mer vanligt förekommande är erosionsskador på rökgassidan, där en av de vanligaste bidragande orsakerna är den eroderande effekten hos rökgasen. Här är flygaskan en betydande komponent. Den påverkar både direkt genom att erodera ytan men också indirekt genom att orsaka beläggningar. Detta begränsar genomflödesarean, vilket ökar rökgashastigheten och därmed den eroderande effekten. Den eroderande effekten hos partiklar minskar när temperaturen går upp, på grund av att partiklarna blir mjukare [2]. Samtidigt kan man dock anta att beläggningsbenägenheten ökar hos partiklarna med ökad temperatur. Detta medför då en ökning av hastigheten genom ekonomisern på grund av den minskade genomflödesarean som den ökade beläggningen orsakar. Därför är det inte helt klart att en ökad temperatur hos partiklarna minskar erosionen.

Förutom flygaska kan bitar härrörande från avlossning av panntubs- och överhettaravlagringar förekomma i rökgasen. Att detta förekommer har kunnat konstateras i ett annat pågående Värmeforskprojekt [30]. Detta har säkerligen en stor betydelse för erosionen men det är oklart hur pass vanligt förekommande fenomenet är.

Partiklarnas hårdhet beror också på dess sammansättning. Här anses höga koncentrationer av aluminium och kisel ge hög grad av hårdhet [4]. Förutom partiklarnas hårdhet och koncentration har alltså rökgasens hastighet stor betydelse för korrosionen. Exempelvis anges maximal rökgashastighet för att undvika erosion till 23 m/s för bagass (sockerrörsavfall), 18 m/s för sand och 14 m/s för cementdamm. Att beakta är här att både högre last och utökat luftöverskott ökar rökgashastigheten [4].

Erosionsskador kan uppkomma även utan att igensättningar uppstått om det är brister i värmeväxlarens konstruktion, exempelvis att genomflödesarean är för liten, och då antingen genom värmeväxlaren i sig eller relativt rökgasväggen. Även andra orsaker till erosion än rökgasen kan förekomma. Här är erosion orsakad av sotblåsare av störst intresse. En felriktad blåsare tillåter en höghastighetsstråle av ånga, eller av luft innehållande kondenserade vattendroppar, att slå an mot tubytan istället för mellan tuberna. Partiklar i rökgasen kan också följa med strålen och öka bidraget till erosionen.

Slutligen kan ekonomisrar drabbas av erosionsskador i form av steam cutting, d v s

ångutsläpp från närliggande genombrottsskadad tub. Detta är som mest allvarligt där

trycket och ångtemperaturen är som störst, vilket exempelvis gör att steam cutting ger

mer omfattande skador hos överhettare. Dessutom rapporteras denna typ av skada på

ekonomisrar relativt sällan. Detta kan dock bero på förväxling med skada orsakad av

rökgaspartikelerosion, vilken ibland kan ge en liknande skadebild som steam cutting.

3.3.3 Korrosion

För ekonomisrar är rökgasens temperaturområde ca 300-450 ºC in och 150-200 ºC ut vilket gör att förutsättningar finns för att temperaturen på ekonomiserytan ska vara tillräckligt hög för att salter med lågsmältande eutektikum ska kunna bilda smältor och orsaka korrosion, se tabell 3.3-1 [20,21]. Några uppgifter om att saltsmältor ska ha orsakat skador på ekonomisrar och luftförvärmare har dock inte hittats.

Tabell 3.3-1. Blandsalter med lågsmältande eutektikum. Tmp står för ”melting point” d v s smältpunkten.

Table 3.3-1. Mixed salts with low-melting eutectic. Tmp stands for melting point.

Klorider (Zn) T

[°C] Klorider (Övr) T

[°C] Sulfater T

[°C]

För luftförvärmare är temperaturen inte tillräckligt hög för att orsaka saltsmältor, utan förutsättningen för korrosion är här istället att vattenlösning i någon form finns närvarande på det utsatta materialets yta.

Daggpunktstemperatur

Lågtemperaturkorrosion är korrosion som inträffar vid lägre temperaturer. En övre temperaturgräns för lågtemperaturkorrosion är inte bestämd, men brukar uppfattas som temperatur över vilken vattenlösningar inte är närvarande och därmed inte heller bidrar till korrosionen. För exempelvis förbränningsanläggningar med svavel i bränslet är den övre gränsen för lågtemperaturkorrosion den temperatur vid vilken svavelsyralösningar faller ut, d v s daggpunktstemperaturen, som högst, då bränslet innehåller mycket svavel, ca 140-180 ºC. För rökgaser från bränsle som inte innehåller svavel är daggpunktstemperaturen betydligt lägre. Exempelvis bränsle som förutom vattenånga endast innehåller klorväte, har en daggpunktstemperatur som är betydligt lägre, ca 60-90 ºC. En allmän uppfattning är därför att man kan undvika korrosion på ytor exponerade för rökgaser i åtminstone luftförvärmaren genom att hålla materialtemperaturen över rökgasens daggpunktstemperatur.

Ett annat förhållande som gör det möjligt att få vätska närvarande även om inte

daggpunktstemperaturen underskrids, är om hygroskopiska salter finns närvarande på

materialytan. Detta kan beroende på att salt höjer temperaturen för vätskenärvaro med

åtminstone ca 30 ºC [5], och troligen än mer. Denna temperatur är inte formellt att

uppfatta som daggpunktstemperatur men eftersom vätska ändå finns närvarande under

denna temperatur finns anledning att kalla temperatur vid vilken kondensat finns

närvarande för kondenseringstemperaturen. Dessutom, om närvaron av kondensat beror

på närvaro av salter, kan temperaturen anges som den hygroskopiska

Ytterligare en sak som ofta förbises vid bedömning av daggpunktstemperaturen för bränslen utan svavelinnehåll är i de fall tillsatser till eldstaden görs av svavel i någon form för att komma tillrätta med kloridsmältor på panntuber. Genom att tillsätta svavel exempelvis i form av ammoniumsulfat enligt metoden ChlorOut [7] eller i form av svavelgranulat [8], binds svavel i form av sulfat till alkalimetaller som annars skulle bilda kloridsmältor, och kloriderna försvinner med rökgaserna i form av HCl. Detta innebär dock att daggpunktstemperaturen kan riskera att höjas kraftigt genom det svavel som inte reagerar med alkalimetallerna, och som då går vidare med rökgaserna för att omvandlas till svavelsyra i ett senare skede.

En metod att bestämma kondenseringstemperaturen är teoretisk. För rena oljeeldade verk, då i stort sett den enda kondenserbara gasen över rumstemperatur utöver vattenånga är svavelsyraånga, anses av vissa att teoretiska beräkningar ger ett bra värde på kondenseringstemperaturen [9,10,11,12]. För koleldade, bioeldade och avfallseldade kraftverk är den resulterande rökgasen mer sammansatt. Även om vissa hävdar att man ändå har teoretiska uttryck för att utifrån rökgassammansättningen kunna erhålla värdet på kondenseringstemperaturen [6], får detta anses betydligt osäkrare än för rökgaser från ren oljeeldning, framförallt som den teoretiska underbyggnaden för metoderna är tveksam [6]. Än osäkrare blir det att bestämma kondenseringstemperaturen vid närvaro av hygroskopiska salter, och framförallt då dubbelsalter.

Ett annat sätt att bestämma metoden är experimentellt. En kommersiellt tillgänglig daggpunktstemperaturmätare tillhandahålls av företaget Land Instrument International [13]. Instrumentet bygger på den ändring i resistans som uppkommer mellan två elektroder då kondensat faller ut i samband med att enheten med de två elektroderna kylts under daggpunktstemperaturen. Ytterligare en daggpunktsmätare har utvecklats av Swerea KIMAB [14,15]. Den bygger också på den ändring i resistans som uppkommer mellan två elektroder då kondensat faller ut i samband med att enheten med de två elektroderna kyls under daggpunktstemperaturen. Dock avviker Swerea KIMABs utrustning från den som Lands konstruerat, både i fråga om utformning och ifråga om elektrokemisk mätmetod.

Erosionskorrosion

Ytterligare ett område som är värt att nämna är den skadehöjande effekt som korrosion

och erosion tillsammans kan ge. Underskrids daggpunktstemperaturen faller kondensat

ut och tuben börjar korrodera. Korrosionsprodukten har en viss avskärmande effekt på

kondensatet, varför korrosionshastigheten blir lägre än vad den var initialt då inga

korrosionsprodukter var närvarande. Förekommer erosion av tillräckligt hög grad

kommer dock korrosionsprodukten att erodera bort varvid korrosionen fortsätter med

lika hög hastighet som den hade initialt.