Corrosion mechanisms on a superheater tube of carbon steel in waste incineration plants

Krumm, Ludmila; Krupp, Ulrich; Galetz, Mathias

doi:41200

Corrosion mechanisms on a superheater tube of carbon steel in waste incineration plants = Korrosionsmechanismen auf Überhitzerrohren aus unlegiertem Stahl in Müllverbrennungsanlagen

Krumm, Ludmila

2021 & 2022

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Dipl.-Ing. Ludmila Krumm

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2021

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2022

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Krupp, Ulrich (Thesis advisor)^RWTH* ; Galetz, Mathias (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-11-04

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2022-01070
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/840156/files/840156.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
active oxidation (frei) ; chlorine corrosion (frei) ; high temperature (frei) ; superheater tube (frei) ; waste incineration (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die Hochtemperatur-Korrosion in Kesseln und Feuerungen zählt zu den Korrosionsformen mit dem höchsten Werkstoffverbrauch. Hierbei wird angenommen, dass gasförmige chlorreiche Spezies wie Chlorwasserstoff oder Alkalichloride, die in der Verbrennungs-atmosphäre enthalten sind, die Hauptursache für die beschleunigte Korrosion an den Überhitzerrohren sind. Der genaue Mechanismus ist jedoch noch nicht vollständig geklärt. Ziel dieser Arbeit ist, zu einem besseren Verständnis der Korrosionsmechanismen in Müllverbrennungsanlagen (MVA) beizutragen. Zu diesem Zweck wurde ein Rückläuferrohr aus dem Werkstoff 16Mo3 (1.5415) genauestens untersucht. Neben einer Untersuchung des zugehörigen Querschliffs wurden die Ablagerungen sowie Korrosionsprodukte Schicht für Schicht analysiert. In Übereinstimmung mit vergleichbaren Literaturergebnissen wurde eine vielschichtige Korrosions-schicht mit dem Aufbau Substrat / Eisenchlorid / Eisensulfid / Magnetit / Hämatit gefunden. Außerdem wurde eine weitere Schicht bestehend aus kristallinen Eisenoxiden an der Grenzfläche zwischen Eisensulfid und Magnetit beobachtet. Um die vielfältigen Mechanismen, die zu dem beschriebenen Korrosionsschichtaufbauführen, zu identifizieren, wurden umfangreiche Laboruntersuchungen systematisch durchgeführt. Zunächst wurden einfache Bedingungen, bei denen nur der Einfluss der Atmosphäre auf die Korrosion berücksichtigt wurde, betrachtet. Dabei wurde von dem für MVA typischen Gasgemisch ausgegangen und dessen Komponenten schrittweise auf die für die Korrosion wesentlichen Bestandteile reduziert. Eine besondere Beachtung wurde hierbei dem Einfluss des Verhältnisses von Sauerstoff zu Chlor zuteil. Im nächsten Schritt wurde dann die Auswirkung der Beläge auf die Korrosionsmechanismen untersucht. Dazu gehört ein Vergleich der Schichtbildung und des Materialabtrags unter unterschiedlichen inerten Aluminiumoxid-Pulverbelägen verschiedener Partikelgrößen mit Auslagerungen in synthetischem Salz und in Anlagenbelag. Basierend auf den Ergebnissen dieser Arbeit wurde ein Modell ausgearbeitet, das die Korrosionsmechanismen auf einem Überhitzerrohr in einer Müllverbrennungsanlage beschreibt. Außerdem wurde das Verständnis zum Mechanismus der „Aktiven Oxidation“ erweitert sowie ein entscheidender Angriff identifiziert, der die Schutzwirkung der Oxid-schicht herabsetzt.

High temperature corrosion in boilers and combustion plants is one of the high temperature corrosion mechanisms that cause the highest material loss. In the combustion gas hydrogen chlorine and alkaline chlorides are present as aggressive species, which are involved in the rapid corrosion of superheater tubes, but the detailed mechanism and kinetics of corrosion are still not clear. The aim of this work is to get an improved understanding of the corrosion mechanisms occurring on superheater tubes in waste to energy (WTE) plants. For this purpose, a field-returned superheater tube of carbon steel 16Mo3 (1.5415) was analyzed in detail. In addition to cross-section analysis, the different scales were investigated layer by layer using microscopic, diffraction, and spectroscopic techniques. In accordance with the results presented in comparable literature, a multilayered corrosion scale consisting of iron chlorides, iron(II) sulfide, and mixed oxide scale was observed on the tube surface. Furthermore, an additional scale of pronounced iron oxides was found at the interface of iron sulfide and iron oxides. In order to understand the different mechanisms responsible for the formation of such a structured scale and for the different corrosion products formed at the tube, extensive laboratory tests were carried out following a systematic approach. At first the focus was put on the effect of the atmosphere. Here the typical flue gas mixture of WTE plants was reduced to simpler systems, so the impact on corrosion rate of certain gaseous species typically contained in WTE plants atmospheres could be distinguished. Special attention was paid to the oxygen to chlorine ratio in the testing atmosphere. In the next step the contribution of deposits to the corrosion mechanisms was investigated. This includes a comparison of the scale formation and metal wastage under different chemically inert alumina deposits with different grain sizes to a synthetic salt as well as to an actual deposit taken from a superheater tube in a plant. Based on the results of this work a model describing the corrosion mechanisms on superheater tubes in WTE plants is proposed. Furthermore, a root cause for the disability to form a protective scale under oxidizing-chloridizing conditions was identified as well as further details of “active oxidation” mechanisms.

OpenAccess:
PDF
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