排煙脱硫装置の再加熱器では、フライアッシュ粒子の存在により、曲げ部でチタンチューブの上流側が優先的に侵食されるのはなぜですか?
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石炭火力発電所の排煙脱硫（FGD）装置では、再熱器を使用して、浄化された排ガスが煙突に入る前に温度を上げます。{0}}チタンは、酸性の塩化物が豊富な環境での耐食性により、最適な材料です。-ただし、FGD 排ガスには、サイズが 1 ～ 100 µm の範囲の角張った硬い飛灰粒子 (主にシリカとアルミナ) が含まれています。{4}これらの粒子はガスとともに 15 ～ 25 m/s の速度で移動します。ガス流がチタンチューブの曲がりに遭遇すると、重い粒子はガスのように急速に方向を変えることができません。それらは元の軌道に沿って進み、曲げの外側半径でチューブ壁に衝撃を与えます。この粒子の衝撃により浸食が引き起こされ、曲げの上流側から材料が優先的に除去されます。時間が経つと、壁が薄くなり、穴が開いたり、排ガスや凝縮水が漏れたりします。
チューブ曲げ部におけるフライアッシュ浸食のメカニズム
侵食メカニズムは、衝撃摩耗と切削の組み合わせです。フライアッシュ粒子は、表面接線に対して通常 20 ～ 50 度の角度でチタン表面に衝突します。チタンは強靱ではありますが、シリカ (約 1,200 HV) に比べて比較的低い硬度 (グレード 2 で 180 ～ 220 HV) を持っています。粒子が衝突するたびに、20 m/s で 20 µm の粒子に対して 1～10 µm3 程度の少量のチタンが移動します。-侵食率はべき乗則に従います: 侵食 ∝ (V)^n × (d)^m × (粒子濃度)。ここで、V は速度、d は粒子直径、n はチタンの場合約 2.3、m は約 2.0 です。曲がり部分では、曲線付近の粒子の加速により、実効衝撃速度がバルクガス速度よりも高くなります。チューブの上流側は、粒子が以前の衝突によってまだ偏向されていないため、最も高い密度の衝撃を受けます。
さまざまな曲げ位置での定量的な浸食速度
現場での測定と実験室でのテスト (ガス速度 20 m/s、フライアッシュ 50 mg/m3、平均粒子サイズ 20 μm) により、グレード 2 チタンの次の浸食速度が確立されました。
直管部、均一流：年間0.05～0.10mmの侵食速度。材料の除去は円周全体で比較的均一です。壁厚 1.5 mm で 10 ～ 15 年の耐用年数が許容されます。
曲げ外径、90度エルボ、上流側：年間0.6～1.2mmの侵食速度。最大の壁損失は、粒子の軌道が最初にチューブに接触する点で発生します。局所的な薄化により、1 ～ 2 年以内に 1.5 mm の壁に穴が開く可能性があります。
曲げ外径、下流側（衝撃後）：年間0.2～0.4mmの侵食速度。粒子は最初の衝突後に運動エネルギーを失います。二次浸食は依然として顕著です。
曲げ内側半径 (内部半径)：年間0.02～0.05mmの侵食速度。粒子衝突密度が低い。通常はガス境界層によって保護されています。
連続した複数の曲がり (例: 蛇行再熱器): 最初の衝撃後に粒子がより角張って攻撃的になるため、その後の曲げごとに侵食率が 20 ～ 50% 増加します。
侵食の軽減と設計の選択ガイド
次の表は、粒子負荷とガス速度に基づいてチタン チューブの曲げ部分でのフライアッシュの侵食を管理するための意思決定の枠組みを示しています。
| FGD再熱器の状態 | 推奨される浸食保護 | 曲げ部での予想される浸食率 | 推奨肉厚 |
|---|---|---|---|
| 灰の負荷が低い (<20 mg/m³), low velocity (<15 m/s) | 標準グレード 2、保護なし | 0.2～0.4mm/年 | 1.5mm |
| 中程度の灰 (20 ～ 50 mg/m3)、速度 15 ～ 20 m/s | 特大曲げ半径 (3D 以上)、グレード 7 チタン | 0.3～0.5mm/年 | 2.0mm |
| 高灰分 (50 ～ 100 mg/m3)、速度 20 ～ 25 m/s | 上流側の曲げ面にタングステンカーバイドオーバーレイ (0.5 mm) | <0.05 mm/year (coated) | 1.5mm コーティングあり |
| Severe ash (>100 mg/m3)、研磨性フライアッシュ (高シリカ) | 屈曲部の交換可能な摩耗プレートまたはスリーブ | 該当なし (摩耗部品は交換済み) | 1.2 mm チューブと 2 mm ウェアプレート |
| 既知の曲げエロージョンのある既存の FGD | ベンドの上流にターニングベーンを設置する | 侵食を 60 ～ 80% 削減します | N/A |
耐浸食性を超えたエンジニアリング
チタン合金のグレードは耐浸食性に影響します。グレード 7 (パラジウム-安定化)は、グレード 2 と同様の硬度 (180～220 HV) と浸食速度を持っています。グレード 12 (モリブデン-ニッケル) はわずかに硬く (200～240 HV)、浸食を 15～20% 低減します。表面処理により耐浸食性を向上させることができます。窒化により TiN 表面層 (500 ～ 800 HV) が生成され、浸食が 70 ～ 80% 減少しますが、コストがかかります。曲がり部分のチューブの壁の厚さは、直線部分の要件を超えて厚くする必要があります。一般的な設計では、直線部分には 1.5 mm の壁を使用し、曲げの外側半径には 2.5 mm の壁を使用します。曲げの形状は重要です。長い-半径の曲げ(R=5D)は、標準の-半径の曲げ(R=1.5D)よりも侵食が50%低くなります。ガスの流れのパターンは、曲がりの上流で羽根を回転させることで修正でき、粒子の方向を外側の半径から遠ざけることができます。
情報に基づいた仕様の作成
フライアッシュを使用した FGD サービス用のチタン再熱管を指定する場合は、ガス経路のすべての曲がりを確認してください。曲げごとに、より厚い壁を持つ継ぎ目のない曲げチューブを使用するか、上流側にチタンまたはタングステンカーバイドの溶接肉盛を適用することにより、外側の半径で肉厚の増加 (2.0 ～ 2.5 mm) を指定します。再熱器を通過する粒子軌道の数値流体力学 (CFD) モデリングをリクエストして、高侵食ゾーンを特定します。-動作中は、曲げの外側半径で超音波厚さテストを毎年実行します。チューブを交換または修理する必要がある臨界肉厚閾値 (たとえば、残り 0.8 mm) を確立します。新規設置の場合は、最小曲げ半径 3D (チューブ外径の 3 倍) を指定します。スペースの制約により厳しい曲げ（R=1.5D）が必要な場合は、炭化タングステン コーティングまたは交換可能な摩耗スリーブが必要です。エンジニアは、明確な設計上の考慮事項として屈曲部での優先浸食に対処することで、飛散灰-を含んだ排ガス流中でのチタン FGD 再熱器の耐用年数を 1～2 年から 10～15 年に延長しました。
