Em purificadores de dessulfurização de gases de combustão a 70 graus, como a concentração de cloreto acima de 20.000 ppm determina a parede mínima do tubo de titânio para prevenção de furos?

As usinas-movidas a carvão e as caldeiras industriais são equipadas com lavadores de dessulfurização de gases de combustão (FGD) que operam em algumas das condições mais corrosivas dos equipamentos ambientais. O fluido do purificador é uma mistura complicada de sulfito/sulfato de cálcio, cinzas volantes e cloretos dissolvidos que se concentram à medida que o circuito de lavagem é recirculado. O titânio Grau 2 tem sido o material padrão de construção para tubos de reaquecedor e cabeçotes de pulverização em sistemas FGD devido à sua resistência ao ataque de sulfito. No entanto, as concentrações de cloreto costumam ser superiores a 20.000 ppm (2%) em lavadores FGD e podem até chegar a 50.000-80.000 ppm em sistemas de descarga-de líquido-zero. Nessas concentrações de cloreto, o titânio é sensível à corrosão por pites e frestas e a única proteção contra a perfuração através da parede é a própria parede do tubo, tanto em espessura quanto em qualidade metalúrgica. Este artigo apresenta a espessura mínima da parede do tubo de titânio necessária para evitar a perfuração de furos em função da concentração de cloreto, temperatura e fenda no serviço de purificador FGD.

Pitting de metais em licor FGD com alto teor de cloreto
A corrosão por pite do titânio em configurações FGD de alto-Cl e baixo-pH segue um padrão de propagação de-iniciação{3}}bem documentado. A quebra do filme passivo de TiO 2 ocorre em locais discretos onde os íons cloreto substituem o oxigênio na estrutura do filme. Uma vez iniciada a fossa, a solução de cloreto ácido na fossa (o pH pode cair para 1-2) continua a dissolução ativa, enquanto a superfície passiva circundante é protegida. A cava se expande hemisférica e o tempo até a perfuração é aproximadamente proporcional ao quadrado da espessura da parede para uma determinada taxa de crescimento da cava.

A temperatura crítica de corrosão (CPT) do titânio Grau 2 em soluções de cloreto diminui com o aumento da concentração de cloreto. Em um pH de 4 (típico de lavadores FGD), 20.000 ppm Cl- fornecem um CPT de cerca de 85 graus, acima da temperatura média de trabalho do purificador de 70 graus e fornece uma margem de segurança. A 40.000 ppm Cl- o CPT diminui para 70 graus, ou seja, o purificador funciona exatamente no limite. O CPT cai para 55 graus a 60.000 ppm Cl- e corrosão ativa pode ocorrer em temperaturas normais de serviço. As taxas de propagação de fossas aumentam logaritmicamente com o aumento da concentração de cloreto: a 20.000 ppm Cl- e 70 graus, uma fossa de propagação se aprofunda a 0,2-0,3 mm por ano; a 40.000 ppm Cl- a taxa é de 0,5-0,8 mm por ano; a 60.000 ppm de Cl- são registradas taxas de 1,0-1,5 mm por ano.

Espessura da parede: uma abordagem de prevenção de furos
A espessura mínima da parede necessária para proporcionar 5 anos de vida útil sem perfuração de furos de aquecedores de purificação FGD e feixes de tubos depende da taxa de propagação de cava prevista e da distribuição estatística dos locais de início da cava. Um modelo conservador de crescimento de cava (profundidade de cava=k*t^0,5 onde k é uma função da concentração de cloreto) é usado e a vida útil do tubo é considerada determinada pela cava mais profunda. A espessura de parede necessária é calculada como:

A constante de propagação do poço k a 20.000 ppm Cl- é 0,28 mm/ano^0,5. Para uma vida útil de 5 anos, profundidade máxima do poço=0.28 × √5=0.63 mm. A margem de segurança para o tubo de parede de 1,2 mm é de cerca de 0,6 mm, o que é suficiente para tubos limpos e sem problemas pré-existentes.

40.000 ppm Cl- k=0.48 mm/ano^0,5 Profundidade máxima do poço em 5 anos=0.48 * sqrt(5) Tubo de parede de=1.07 mm. 1.65mm fornece margem, tubo de 1,2 mm perfuraria.

k=0.70 mm/ano 0,5 a 60.000 ppm Cl-. Profundidade máxima da cava em 5 anos=0.7 × √5=1.57 mm. Um tubo de parede de 2,0 mm é necessário para um serviço confiável de 5 anos. 1.65 mm fornecerá apenas 3-4 anos.

Tubos de titânio para matriz de aplicação de purificador FGD
Tipo de sistema FGD Concentração típica de cloretoRecomendado Grau de titânio Espessura de parede mínima Vida útil esperada
Usina de energia movida a carvão, calcário úmido (fluxo de sangramento regulado) 15.000-25.000 ppm Grau 2 1.2-1.5 mm 5-8 anos
Usina termelétrica a carvão, carvão com alto teor de cloreto 25.000-40.000 ppm Grau 2 ou Grau 7 1.65 mm 4-6 anos
Descarga-líquida-zero FGD (circuito fechado) 40.000-60.000 ppm Grau 7 (Ti-0,15Pd) 2,0 mm 5-7 anos
Caldeira industrial FGD (carvão variável) 10.000-20.000 ppm Grau 2 .8-.12 mm 8-10 anos
Resíduos-em-energia FGD (alto teor de cloreto de resíduos) 50.000-80.000 ppm Grau 12 ou Grau 7 2.5 mm 4-6 anos
Problemas de qualidade e fendas do tubo
Fendas-pré-existentes no tubo não impedem a perfuração de furos, mesmo que a espessura da parede seja aumentada. No serviço de purificação FGD, fendas estão presentes nas juntas laminadas do tubo-à-folha do tubo, sob as juntas e sob depósitos de gesso ou cinzas volantes. A corrosão em fendas aumenta a taxa de iniciação e propagação do poço por um fator de 3-10. Junções soldadas de tubo-com espelho de tubo (sem fissuras) são preferíveis a conexões laminadas ou flangeadas em qualquer concentração de cloreto acima de 20.000 ppm. As superfícies dos tubos devem estar desprovidas de incrustações, partículas de ferro incrustadas (das ferramentas de conformação) e arranhões superficiais com profundidade superior a 10% da espessura da parede. A melhor resistência à corrosão é oferecida por acabamentos eletropolidos ou decapados.

Para lavadores FGD trabalhando a 70 graus com concentrações de cloreto acima de 20.000 ppm, é necessária uma espessura mínima de parede do tubo de titânio de 1,65 mm para Grau 2 em sistemas moderadamente concentrados (20.000-40.000 ppm), aumentando para 2,0 mm para sistemas de Grau 7 além de 40.000 ppm. Os engenheiros devem especificar superfícies de tubos decapadas ou eletropolidas, juntas soldadas em vez de tubos laminados-com espelhos de tubos e monitorar semanalmente a concentração de cloreto para detectar perturbações antes que ocorra perfuração por pite. Para níveis de cloreto acima de 60.000 ppm, outros materiais como titânio grau 12 ou zircônio devem ser considerados.