Rauchgasseitige Korrosion von Nickelbasislegierungen für zukünftige 700C-Dampfkraftwerke

Lüttschwager, Frank; Singheiser, Lorenz

doi:3855

Rauchgasseitige Korrosion von Nickelbasislegierungen für zukünftige 700C-Dampfkraftwerke = Fireside corrosion of nickel base alloys in future 700°C coal fired power plants

Lüttschwager, Frank

2012

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Frank Lüttschwager

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2012

Umfang145 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2011

Zsfassung in dt. und engl. Sprache.

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Singheiser, Lorenz (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2011-09-27

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-38553
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/51690/files/3855.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Werkstoffe der Energietechnik (FZ Jülich) (413410)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Heißgaskorrosion (Genormte SW) ; Nickellegierung (Genormte SW) ; Feuerung (Genormte SW) ; Feuerraum (Genormte SW) ; Braunkohle (Genormte SW) ; Braunkohlefeuerung (Genormte SW) ; Steinkohlenschlacke (Genormte SW) ; Steinkohlefeuerung (Genormte SW) ; Steinkohlekraftwerk (Genormte SW) ; Steinkohle (Genormte SW) ; Braunkohlenschlacke (Genormte SW) ; Kohlenschlacke (Genormte SW) ; Simulation (Genormte SW) ; Computersimulation (Genormte SW) ; Alkalien (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; coal ash (frei) ; nickel base alloy (frei) ; hot corrosion (frei) ; sodium sulphate (frei) ; potassium sulphate (frei) ; nickel sulphate (frei) ; eutectic mixture (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Kohle ist nach wie vor der bedeutendste Energieträger zur Stromerzeugung in Deutschland. Stein- und Braunkohle stellen im Jahr 2009 zusammen 42,9% der deutschen Stromerzeugung. Kohle steht weltweit in großen Mengen zur Verfügung und kann wirtschaftlich gefördert werden. Bei fortgesetzter Nutzung als Energieträger ist eine Effizienzsteigerung in der Stromerzeugung eine Möglichkeit, die Abgabe von Klimagasen in die Atmosphäre zu begrenzen oder auf einen größeren Zeitraum zu verteilen. Da viele deutsche Kohlekraftwerke das Ende ihrer technischen Laufzeit erreicht haben, bieten Neubaumaßnahmen die Chance auf hocheffiziente Kraftwerkstechnologien zu setzen. So kann die Abgabe von Klimagasen in die Atmosphäre reduziert werden. Durch Anhebung der Dampfparameter Temperatur und Arbeitsdruck sind Wirkungsgrade über 50% zu erwarten. Diese Entwicklung führt zum 700°C-Dampfkraftwerk mit projektierten Dampftemperaturen von 700-730°C und einem Arbeitsdruck von etwa 350 bar. Für dieses Kraftwerk sind die bisher verwendeten Werkstoffe der Kesselberohrung, aufgrund der dann nicht mehr ausreichenden mechanischen Eigenschaften nicht verwendbar. Die Bauteile des Kraftwerks, die diesen erhöhten Prozessbedingungen ausgesetzt sein werden, sind Nickelbasislegierungen, da diese den gestellten Anforderungen entsprechen. Aus der Korrosionsforschung ist bekannt, dass bei Betriebstemperaturen oberhalb von 884°C aus dem Rauchgas kondensierendes NaB2BSOB4B, sulfatinduzierte Hochtemperaturkorrosion auslösen kann. Bei Nickelbasislegierungen kann sich bereits oberhalb von 671°C eine eutektische Schmelze aus NiSOB4B und NaB2BSOB4B bilden. Die hier vorliegende Arbeit soll klären, ob auf Grund der teilweise hohen Gehalte an Natrium und Schwefel in vielen Kohlen sulfatinduzierte Hochtemperaturkorrosion an Kesselkomponenten aus Nickelbasislegierungen oberhalb dieser Temperaturen zu erwarten ist. Hierzu werden verschiedene Kohlen auf ihre Zusammensetzung untersucht. Ausgehend von diesen Analysen werden synthetische Aschegemische erstellt. Es wird ein elektrochemisches Verfahren entwickelt, welches es gestattet die Reaktionsraten der Hochtemperaturkorrosion unter Belagsystemen zu ermitteln. Die Korrosivität dieser Aschesysteme zusammen mit Schwefeldioxid im Rauchgas wird an den Nickelbasislegierungen Alloy 263, Alloy 617 und Alloy 740 untersucht. Für diese Werkstoffe wird ein Ranking gefunden und es kann gezeigt werden, dass die synthetische Braunkohleasche deutlich korrosiver als die synthetische Steinkohleasche ist. Untersuchungen mit dem Rasterelektronenmikroskop zeigen, dass alleine die Anwesenheit von oxidischen Belägen die Korrosionsraten vergrößert, ohne dass Schwefeloxide (SOB2B oder SOB3B) im Rauchgas enthalten sind. Anhand stark vereinfachter synthetischer Modellaschen wird aufgezeigt welche Bestandteile der Aschen korrosiv und welche Bestandteile der Aschen eher inhibierend wirken. Abschließende thermodynamische Simulationsrechnungen zeigen, welche Verbrennungsprodukte bei Nutzung verschiedener Kohlen im Kesselbereich eines Kraftwerks zu erwarten sind. Anhand der experimentellen Ergebnisse und der Simulationsergebnisse wird bei diesen Rauchgas-Asche-Systemen das zu erwartende korrosive Potential eingeschätzt.

Coal is still the most important energy source in Germany. In 2009 it produced 42.9% of the overall German electrical power. Coal is available world-wide in large quantities and can be delivered economically. One of the possible ways to reduce COB2B pollution is the increase of efficiency of coal fired power plants, which requires steam conditions of up to 700°C-730°C and 350 bar. Because many German power units will reach the end of their technical lifespan in a few years or the following decade, one will have the possibility to build up modern types of power plants with increased efficiency of more than 50%. Some international standards (European Pressure Equipment Directive or ASME Boiler and Pressure Vessel Code) require 100000 hour creep rupture strength of 100 MPa at 750°C. Therefore, nickel base alloys are in the focus of material qualification processes. Nickel base alloys are well investigated due to their hot corrosion behaviour. It is known that sodium sulphate may generate hot corrosion on those alloys at temperatures above its melting point of 884°C. On nickel base alloys an eutectic mixture of nickel sulphate and sodium sulphate with a melting point of 671°C can be generated, which leads to accelerated corrosion. This work examines, whether the high amount of sulphur and alkali metals will induce hot corrosion at the estimated working temperature on devices manufactured from nickel base alloy. Two synthetic coal ash deposits, according to the chemical composition of hard coal and lignite, and typical flue gases with and without sulphur dioxide were blended of pure agents. The reactions of the deposits with heater tubes´ materials and synthetic flue gases are examined in the temperature range from 650°C to 800°C and different time ranges up to 2000 hours. The corroded specimen are examined with SEM/EDX to identify relevant corrosion products and determine the corrosivity of deposited compounds. Deposits increase the corrosion rate of nickel base alloys in comparison to air oxidation, even when there is no gaseous sulphur oxide, like SOB2B or SOB3B. This effect may be found by examining model systems, for example inert deposits like metal oxides, silicates or aluminosilicates and corrosive deposits like alkali sulphates. Kinetic investigations are carried out with a newly developed electrochemical pickling method, which allows to calculate the rates of hot corrosion underneath deposits. A material ranking is given for the alloys 263, 617 and 740, and it can be shown that under coal firing conditions lignite ash is much more corrosive than hard coal ash. Finally, thermodynamical calculations show possible reaction products formed during the combustion of various world market coals in power units. The coals’ potential of corrosion attacks is evaluated qualitatively by using experimental and thermodynamical data.

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