Korrosion og vedligeholdelse af affaldsforbrændingsanlæg

Transkript

1 NOTAT Dok.nr sag juli 2003 Affald Korrosion og vedligeholdelse af affaldsforbrændingsanlæg Elsam A/S Fynsværket Kemi & Miljø Vor ref. : OHL ohl@elsam.com K&M nr. : Notat nr. : Fordeling : FLU/Eltra, CHN, RUB, JOH, TV Resumé af projekt Eltra 1710

2 Side 2 1. Baggrund Den største del af det affald som ikke umiddelbart kan genanvendes direkte, afbrændes i Danmark i affaldsforbrændingsanlæg frem for at blive deponeret på lossepladser. Tidligere var affaldsforbrændingsanlæggene i Danmark med varmtvandskedler uden elproduktion, men i det seneste årti er der kommet øget fokus på at erstatte fossile brændsler med fornybare brændsler og nyere affaldsforbrændingsanlæg opført i denne periode har derfor stort set været elproducerende anlæg. I Danmark er der i dag 32 værker med affaldsforbrændingsanlæg, hvor hvert værk har mellem et og fem linier med affaldsforbrænding. Langt den største del af affaldsforbrændingen sker med samtidig elproduktion. Overgangen til elproducerende affaldsforbrændingsanlæg, der betød en væsentlig øgning af temperaturen i kedlens hedeflader, medførte problemer med korrosion i panelvægge og i overhedere samt nedbrydning af den ildfaste foring på kedelvæggene i den første del af kedlen. Denne type problemer viste sig hurtigt at være meget bekostelige i vedligeholdelse og driftstab og føre til en lav rådighed på anlæggene. Samtidig var der ikke etableret noget særligt kendskab til, hvilke typer korrosion og nedbrydningsmekanismer, der var tale om og derfor heller ikke til, hvilke typer forholdsregler, der kunne tages i anvendelse for at løse disse materialeproblemer. I starten var der meget fokus på, at der i anlæggene kunne optræde en såkaldt CO-korrosion, hvor en dårlig luftfordeling førte til dannelse af områder med reducerende forhold ved kedelvæggene og følgende korrosionsangreb. Der kom en række tiltag for at forbedre luftfordelingen, især en forbedret tilførsel af sekundærluft. Disse tiltag viste sig egnede til at løse problemerne med CO-korrosion. Det viste sig dog snart, at der også var andre mekanismer som førte til hurtige korrosionsangreb på hedefladerne i en række anlæg og der kunne samtidig anes en tendens til, at disse problemer voksede med tiden. Det blev derfor klart, at der var behov for en nærmere undersøgelse af mulighederne for at reducere korrosionsproblemer ved en optimering af samspillet mellem design, driftsforhold og materialer eller som alternativ at udvikle metoder for optimal vedligeholdelse. Med udgangspunkt i de elværksejede affaldsforbrændingsanlæg blev der etableret en erfaringsudvekslingsgruppe, som senere blev udvidet til at omfatte de fleste af de danske affaldsforbrændingsanlæg. I denne gruppe blev

3 Side 3 der foretaget en løbende registrering og undersøgelse af de omkostningskrævende og korrosionsbetingede vedligeholdelsesproblemer. Den internationale affaldsanlægsindustri har ingen effektive løsningsmetoder, og løsninger kræver derfor, at også anlægsejere involverer sig i løsninger. Da anlæggene normalt ikke har en stor økonomisk basis, er landsdækkende og internationalt samarbejde nødvendigt, hvis der skal opnås resultater for relativt begrænsede ressourcer. Gruppen har allerede opbygget et godt kontaktnet i Tyskland og dette udbygges løbende i Europa, USA og Japan. 2. Formål Projektets formål er at udvikle metoder for begrænsning af problemer med korrosion af hedeflader og nedbrydning af murværk i affaldsfyrede kedler og for optimal vedligeholdelse. 3. Projektplan Projektet består i sin oprindelige formulering i tre dele: 1. Optimering af forbrændingsforhold ved forbedret styring og regulering samt tilsætning af additiver. Forudsætningen for at kunne optimere og regulere forbrændingsforholdene er, at de kritiske komponenter i røggassen kan måles. Egnede målemetoder for alkali- og tungmetaller udvælges til fuldskalamålinger på baggrund af studier af tidligere internationale undersøgelser samt afprøvning på udvalgte danske anlæg. 2. Test af lovende materialeløsninger til beskyttelse af fordamperrør og overhederrør. Nye materialeløsninger, der implementeres på danske affaldsforbrændingsanlæg, følges tæt ved materialetekniske undersøgelser. I relation til korrosionsbeskyttelse med anvendelse af metalliske overfladelag forsøges det at beregne forholdene i blandingszonen mellem lavlegeret og højtlegeret materiale med henblik på at optimere pålægningsmetoderne. 3. Vurdering af detaljer i kedeldesign med indflydelse positiv såvel som negativ på levetidsforholdene af fordamper og overhedere. Danske og internationale erfaringer indhentes vedrørende kedeldesign, murværksdesign og spærreluftløsninger samt overhederdesign i relation til røggastemperatur, røggasretning og sodblæsere.

4 Side 4 Disse punkter er i projektet forsøgt belyst gennem følgende aktiviteter. 1. Litteraturstudier 2. Inspektion af affaldsfyrede kedler under revisionsstop samt ved udfald grundet skader i ovn og kedel. Inspektionerne omfatter i videst muligt omfang højtemperaturområdet fra rist/ovn, via de tomme træk og til overhederområdet. 3. Udtagning og analyse af prøver af belægninger, korrosionsprodukter og rørprøver 4. Udtagning og analyse af prøver af slagger, kedelaske og flyveaske 5. Indsamling af data vedrørende ovn- og kedeldesign, driftsdata og materialer 6. Sammenstilling og evaluering af design-, drifts- og materialedata samt resultater af inspektioner og analyser 7. Gennemførelse af fuldskalaforsøg til vurdering af effekt af ændrede driftsforhold og af additiver På basis af disse aktiviteter er de væsentligste problemområder karakteriseret, hvorefter mekanismerne i nedbrydning af materialer i disse områder er beskrevet. Endeligt er løsningsmuligheder beskrevet for at håndtere disse problemer som typisk resulterer i høje vedligeholdelsesomkostninger og reduceret rådighed af anlæggene. Løsningsmuligheder er vurderet bredt, men med speciel fokus på primære tiltag, hvor det søges at påvirke røggasmiljøet i en mindre aggressiv retning ved at justere forbrændingsforholdene og ved anvendelse af additiver. Disse tiltag er undersøgt gennem fuldskala forsøg på Sønderborg Kraftvarmeværk. 4. Sammenfatning og konklusion I projektet er der gennemført en undersøgelse af de væsentligste materialeproblemer i affaldsforbrændingsanlæggenes højtemperatur områder. De væsentligste områder, som er behandlet i dette projekt indbefatter de ildfaste foringer i ovn og kedel, panelvægge bag de ildfaste foringer, panelvægge efter afslutning af de ildfaste foringer og overhederne. Vurderingerne af materialeproblemerne er udført gennem undersøgelser på en stor del af de danske affaldsforbrændingsanlæg, fuldskalaforsøg på et dansk affaldsforbrændingsanlæg, analyser af prøver fra affaldsforbrændingsanlæg, modelleringsarbejde på IPL, DTU samt gennem litteraturstudier og samarbejde og erfaringsudveksling med kontakter i udlandet. På materialeområdet adskiller affaldsforbrændingsanlæg sig markant fra kul og biomasse fyrede anlæg på flere områder, blandt andet: 1) røggassen er ekstrem aggressiv således at korrosion optræder ved lavere temperaturer,

5 Side 5 hvilket betyder at også fordamper panelvægge udsættes for alvorlige korrosionsangreb og overhedere ligeledes udsættes for korrosionsangreb ved lavere temperaturer; 2) der anvendes ildfaste foringer som både skal arbejde sammen med og beskytte panelvægge mod korrosionsangreb. Disse forhold betyder, at driften af elproducerende affaldsforbrændingsanlæg ofte er forbundet med store vedligeholdelsesomkostninger og reduceret rådighed. Mekanismerne i nedbrydningen af materialer er undersøgt. Nedbrydning af ildfaste foringer er ofte et komplekst sammenspil mellem termiske, mekaniske og kemiske påvirkninger, hvor især forskelligheder i termisk ekspansion gør det vanskeligt at få panelvæg og foringsmateriale til at arbejde sammen og gennemtrængelighed af aggressive salte giver ofte korrosionsangreb på stifter og beslag til at fastholde foringerne og korrosion på selve panelvæggene bag foringen. Korrosion af panelvægge og overhedere er næsten altid relateret til afsætning af metalklorider på hedefladerne. På fordamperpanelerne har de alvorligste korrosionsangreb karakter af saltsmeltekorrosion, især af alkali-, Zn- og Pbklorider. Disse salte har smeltepunkter ned til ca. 220 C, altså lavere end overfladetemperaturen på panelvæggene i de elproducerende anlæg. Korrosion af overhederne er i højere grad karakteriseret ved gasfase kloridkorrosion, hvor der afsættes metalklorider på overhederrørene og ved sulfatering heraf frigives Cl-gas tæt på metaloverfladen. Korrosionsformen kan være kombineret med saltsmeltekorrosion, f.eks. med FeCl 2 -KCl-salte. Der er undersøgt og vurderet en række løsningsmuligheder for at reducere de ovennævnte problemer. Disse er opdelt i muligheder indenfor design, materialer og påvirkning af røggasmiljøet. Indenfor design vil den mest markante reduktion af korrosionsproblemer kunne opnås ved reduktion af dampdata. Dette påvirker selvfølgelig elvirkningsgrad og økonomi og i et anlægsprojekt skal disse faktorer holdes op mod hinanden. Til brug for vurderingen af sammenhæng mellem dampdata og korrosionsproblemer er der udført en omfattende indsamling af korrosionsdata fra de danske affaldsforbrændingsanlæg. Levetiden af overhederne er desuden i høj grad bestemt af røggastemperaturen, hvilket der skal tages højde for i udlægningen og i overvejelser af renseanordninger til de tomme træk. Materialemæssigt ligger mulighederne primært indenfor valg af ildfast foring og i anvendelse af metalliske overfladebeskyttelseslag som Inconel oversvejsning.

6 Side 6 Valg af ildfaste foringer er et meget vigtigt element, hvor der både skal tages højde for dets evne til at modstå de termiske, mekaniske og kemiske påvirkninger og for deres egenskaber med hensyn til varmegennemgang og slagge/aske-afvisning. Det er desuden vigtigt, at udvikle metoder til bestemmelse af foringernes restlevetid og til brug for skadesundersøgelser Området efter afslutningen af den ildfaste foring er typisk meget udsat for korrosionsangreb og den væsentligste beskyttelsesmetode i dette område indbefatter anvendelse af metalliske overfladebeskyttelseslag. På nuværende tidspunkt er den bedste løsning anvendelse af oversvejsning med Ni-baseret materiale af sammensætning som Inconel 625. Der konstateres imidlertid stadig store korrosionsskader på Inconel oversvejsninger og i en del tilfælde synes dette at være relateret til oversvejsningens mikrostruktur. Derfor er der indledt en undersøgelse af sammenhæng mellem mikrostruktur og korrosionsresistens og af hvilke faktorer som påvirker mikrostrukturen, herunder svejsefaktorer og sammensætning af tilsatsmateriale. Undersøgelserne på de danske affaldsforbrændingsanlæg viser dels, at selv anvendelse af de bedste til rådighed stående materialer i en del tilfælde ikke er tilstrækkelig til at give en fornøden korrosionsbeskyttelse og dels at aggressiviteten af røggassen varierer fra anlæg til anlæg og også på det enkelte anlæg over tid. Der er derfor også startet undersøgelser af mulighederne for at påvirke røggassens kemi i en mere gunstig retning. Et element heri indbefatter undersøgelser af sammenhænge mellem materialenedbrydning, karakteristika af belægninger og korrosionsprodukter og anlægsspecifikke forhold vedrørende design og drift på anlæggene. Dette skal føre til udredning af de vigtigste faktorer for aggressiviteten af røggassen og anvisning af tiltag for at reducere korrosionsbelastningen. Der er endvidere undersøgt muligheder for anvendelse af additiver til at reducere materialebelastningen. Korttidsforsøg viser, at belægningsdannelse og korrosion kan reduceres ved anvendelse af aluminiumsilikat additiv. Resultaterne af de udførte fuldskala forsøg er dog ikke helt entydige, blandt andet med hensyn til additivets virkemåde, de væsentligste karakteristika af additiver og til den nødvendige doseringsmængde. På baggrund af projektets resultater vurderes det, at der især er behov for videre undersøgelser på ildfaste foringer, metalliske overfladebeskyttelseslag og på det kemiske miljø. Dette er de væsentligste emner i de to efterfølgende PSO-projekter 1988 og Det er desuden fundet meget væsentligt at anvende og udvide et internationalt kontaktnet på området for at opnå hurtigere og bedre resultater.