Για έναν ηλεκτρικό θερμαντήρα τιτανίου που χρησιμοποιείται για τη διατήρηση 60 μοιρών σε σύστημα θέρμανσης χοάνης ηλεκτροστατικής κατακρήμνισης (συμπύκνωση ομίχλης θειικού οξέος), ποιο μέγιστο πάχος τοιχώματος αποτρέπει την υπερβολική θερμική καθυστέρηση και τη συμπύκνωση οξέος στο κρύο περίβλημα;

Το βασικό εμπόριο-του σχεδιασμού θερμαντήρα τιτανίου για το ESP Hopper Service
Η ιπτάμενη τέφρα από σταθμούς παραγωγής ενέργειας που τροφοδοτούνται με άνθρακα- συλλέγεται σε χοάνες χρησιμοποιώντας ηλεκτροστατικούς κατακρημνιστές (ESP). Η χοάνη θα πρέπει να θερμαίνεται στους 60 βαθμούς για να ελαχιστοποιηθεί η γεφύρωση της τέφρας και να εξασφαλιστεί η ροή του υλικού. Η ατμόσφαιρα περιέχει συμπυκνωμένη ομίχλη θειικού οξέος (SO3 + H2O → H2SO4) με σημείο δρόσου συνήθως στην περιοχή 120-140 μοίρες. Οι ηλεκτρικές θερμάστρες τιτανίου τοποθετούνται στα τοιχώματα της χοάνης ή στο κρεβάτι της τέφρας. Εάν η θερμοκρασία του τοιχώματος του σωλήνα του θερμαντήρα πέσει κάτω από το όξινο σημείο δρόσου, το θειικό οξύ θα συμπυκνωθεί στην επιφάνεια και θα προκαλέσει ταχεία διάβρωση. Θερμική καθυστέρηση είναι ο χρόνος που χρειάζεται για να φτάσει η θήκη στη θερμοκρασία ρύθμισης μετά την ενεργοποίηση του θερμαντήρα. Διέπεται από το πάχος του τοίχου. Οι παχύτεροι τοίχοι έχουν περισσότερη θερμική μάζα, που σημαίνει ότι χρειάζονται περισσότερο χρόνο για να ζεσταθούν και να κρυώσουν. Κατά τη διάρκεια των ψυχρών εκκινήσεων ή του κύκλου ισχύος, ένας θερμαντήρας με παχύ τοίχωμα μπορεί να παραμείνει κάτω από το σημείο δρόσου για μεγάλες χρονικές περιόδους, επιτρέποντας τη συμπύκνωση οξέος. Αυτή η έρευνα καθορίζει το μέγιστο πάχος τοιχώματος που δεν θα επιτρέψει στη θήκη να βρίσκεται κάτω από το σημείο δρόσου για αρκετό χρόνο ώστε να επιτραπεί σημαντική συμπύκνωση οξέος.

Επίδραση στη μηχανική ακεραιότητα: Ζημιά από συμπύκνωση οξέος
Εάν η θερμοκρασία του περιβλήματος τιτανίου είναι χαμηλότερη από το σημείο δρόσου του H 2 SO 4 (περίπου 130 μοίρες για καυσαέρια που περιέχουν 10 ppm SO 3 ), το θειικό οξύ συμπυκνώνεται ως λεπτή μεμβράνη (0,5–1 μm) με υψηλή συγκέντρωση (70–90% H 2 SO 4 ). Σε αυτήν τη συμπυκνωμένη φάση, το τιτάνιο δεν είναι παθητικό και ο ρυθμός διάβρωσης μπορεί να φτάσει τα 0,5-2,0 mm ανά έτος. Το μέταλλο αφαιρείται κάθε φορά που συμπυκνώνεται. Η διάτρηση μπορεί να συμβεί μετά από 100 κύκλους συμπύκνωσης (κανονικό για 5 χρόνια λειτουργίας) με πάχος τοιχώματος 1,5 mm. Η πιο σημαντική παράμετρος δεν είναι ο μέγιστος ρυθμός διάβρωσης αλλά ο συνολικός χρόνος που η θήκη βρίσκεται κάτω από το σημείο δρόσου. Οι θερμαντήρες υψηλής-θερμικής-καθυστέρησης έχουν μεγαλύτερη περίοδο για κάθε ψύξη και προθέρμανση στο εύρος θερμοκρασίας συμπύκνωσης.

Επίδραση στη θερμική απόδοση: Υπολογισμός θερμικής καθυστέρησης
Η θερμική υστέρηση μιας θήκης τιτανίου δίνεται από τη σταθερά χρόνου τ=(ρ*C_p*t)/h όπου ρ=4,500 kg/m3, C_p=520 J/kgK, t=πάχος τοιχώματος και h=συντελεστής μεταφοράς θερμότητας pack, Wm2 στάχ 5. Για πάχος τοιχώματος 1,0 mm, τ=(4,500 × 520 × 0,001)/50=46.8 s. Για τοίχο 2,0 mm, τ=93.6 s . Η διάρκεια ψύξης από τη θερμοκρασία λειτουργίας (180 μοίρες , που απαιτείται για να διατηρείται η θήκη πάνω από το σημείο δρόσου) έως το σημείο δρόσου (130 μοίρες ) είναι περίπου 0,7 φορές τ. 1.0 mm τοίχος: 33 δευτερόλεπτα. 2.0 mm τοίχος: 66 δευτερόλεπτα. Αυτή η περίοδος ψύξης έχει τη θήκη πάνω από το σημείο δρόσου μόνο για τα πρώτα δευτερόλεπτα, και αφού περάσει τους 130 βαθμούς, αρχίζει να σχηματίζεται συμπύκνωση. Όσο πιο παχύ είναι το τοίχωμα, τόσο περισσότερο εκτίθεται στο εύρος θερμοκρασίας συμπύκνωσης. Αυτό σημαίνει περισσότερη έκθεση σε οξύ.

Trade-off synthesis: Μέγιστο πάχος τοιχώματος για αποφυγή ζημιών από συμπύκνωση
Πάχος τοιχώματος (mm) Χρόνος σταθερά (τ, s) Χρόνος ψύξης από 180 μοίρες σε 130 μοίρες (δευτ.) Έκθεση συμπύκνωσης ανά ψύξη (δευτερόλεπτα) Εκτιμώμενη διάρκεια ζωής με 2 ψύξεις/ημέρα, 5 χρόνια (συνολικές ώρες έκθεσης) 5 χρόνια ζωή Συναντάται;
0,8 mm 37 sec 26 sec 26 sec 26 ώρες Ναι (χαμηλή διάβρωση)
1,0 mm 47 sec 33 sec 33 sec 33 ώρες Ναι
1,2 χιλ. 56 δευτ. 39 δευτ. 39 δευτ. 39 ώρες Ναι
1,5 mm 70 sec 49 sec 49 sec 49 ώρες Οριακό (χρειάζεται Ti υψηλής ποιότητας)
1,8 mm 84 sec 59 sec 59 sec 59 h Όχι (σοβαρή διάτρηση)
2,0 mm 94 sec 66 sec 66 sec 66 ώρες Αρ
2,5 mm 117 sec 82 sec 82 sec 82 hr Όχι (ταχεία αποτυχία)
For a typical ESP hopper with two cooldowns/day (e.g., weekend shutdowns and daily load cycling), a wall thickness of up to 1.2 mm results in less than 40 hours total acid exposure over 5 years-acceptable for Grade 2 titanium (0.1 mm corrosion). With a cumulative exposure of >50 ώρες, η διάτρηση είναι σημαντική για μεγαλύτερο ή ίσο με 1,5 mm.

Engineering Beyond the Wall: Active Temperature Control & Dew Point Control
Η καλύτερη τεχνική για την αποφυγή της συμπύκνωσης οξέος δεν είναι να περιοριστεί το πάχος του τοιχώματος, αλλά να διατηρείται πάντα η θήκη πάνω από το σημείο δρόσου. Η ψύξη εξαλείφεται εντελώς με την εγκατάσταση μιας λειτουργίας θέρμανσης σε κατάσταση αναμονής που διατηρεί τη θήκη στις 150 μοίρες όταν η χοάνη δεν χρησιμοποιείται. Η θέρμανση σε αναμονή είναι καλή με οποιοδήποτε πάχος τοίχου. Εναλλακτικά, η μείωση της συγκέντρωσης SO3 ανάντη (π.χ. έλεγχος έγχυσης SO3 ή διαφορετικό καύσιμο) μπορεί να μειώσει το πραγματικό σημείο δρόσου για να επιτρέψει χαμηλότερη θερμοκρασία λειτουργίας και να μειώσει την απαίτηση θερμικής καθυστέρησης. Εάν το σημείο δρόσου είναι 110 μοίρες αντί για 130 μοίρες, ένας τοίχος 2,0 mm είναι εντάξει.

Συμπέρασμα: Τυπικός κύκλος χοάνης ESP 1,2 mm μέγιστο πάχος τοιχώματος
Ένας ηλεκτρικός θερμαντήρας τιτανίου που συγκρατεί μια χοάνη ESP στους 60 βαθμούς ενώ συμπυκνώνει νέφος θειικού οξέος (σημείο δρόσου 130 μοίρες) μπορεί να έχει πάχος τοιχώματος 1,2 mm ή λιγότερο, χωρίς σημαντική θερμική υστέρηση ώστε να διατηρεί το περίβλημα κάτω από το σημείο δρόσου αρκετά μεγάλο χρονικό διάστημα ώστε να προκαλεί σημαντική συμπύκνωση οξέος. Με πάχος τοιχώματος 1,2 mm, η χρονική σταθερά είναι 56 δευτερόλεπτα και ο χρόνος έκθεσης στη συμπύκνωση είναι μόνο 39 δευτερόλεπτα κάθε ψύξη, δίνοντας λιγότερες από 40 ώρες αθροιστικής έκθεσης σε 5 χρόνια-αποδεκτή για τιτάνιο Βαθμού 2. Τα παχύτερα τοιχώματα (μεγαλύτερα από ή ίσα με 1,5 mm) τετραπλασιάζουν το χρόνο για την ανάπτυξη συμπύκνωσης και προκαλούν διάτρηση και πρόωρη αστοχία. Το συνιστώμενο πρότυπο είναι θήκη τιτανίου 2 βαθμού πάχους τοιχώματος 1,0–1,2 mm και θέρμανση σε κατάσταση αναμονής για την αποφυγή κύκλων ψύξης, εάν είναι δυνατόν. Δώστε στον κατασκευαστή τον εκτιμώμενο αριθμό ψύξης ανά ημέρα και το πραγματικό σημείο δρόσου οξέος για να προσδιορίσετε το μέγιστο επιτρεπόμενο πάχος τοιχώματος. Το πάχος του τοιχώματος είναι μια ζωτική μεταβλητή για τη θερμική υστέρηση και όσο πιο στενό τόσο το καλύτερο για την αποφυγή συμπύκνωσης.