For en elektrisk varmeovn i titan som brukes til å opprettholde 60 grader i et oppvarmingssystem for elektrostatisk utskillerbeholder (kondenserende svovelsyretåke), hvilken maksimal veggtykkelse forhindrer overdreven termisk lag og syrekondensering på den kalde kappen?

Grunnleggende avveining- av Titanium Heater Design for ESP Hopper Service
Flyveaske fra kull- kraftverk samles opp i beholdere ved hjelp av elektrostatiske utskillere (ESP). Beholderen bør varmes opp til 60 grader for å minimere brodannelse av aske og for å sikre flyt av materiale. Atmosfæren inneholder kondenserende svovelsyretåke (SO3 + H2O → H2SO4) med et duggpunkt typisk i området 120-140 grader. Elektriske varmeovner i titan plasseres i traktveggene eller i askebunnen. Hvis temperaturen på varmerørveggen går under surt duggpunkt, vil svovelsyre kondensere på overflaten og forårsake rask korrosjon. Termisk forsinkelse er tiden det tar for kappen å nå innstilt temperatur etter aktivering av varmeren. Det styres av veggtykkelse. Tykkere vegger har mer termisk masse, noe som betyr at de tar lengre tid å varme opp og kjøle ned. Under kaldstart eller strømkjøring kan en varmeovn med tykk vegger holde seg under duggpunktet i lange perioder, noe som muliggjør syrekondensering. Denne forskningen fastslår den maksimale veggtykkelsen som ikke vil tillate kappen å være under duggpunktet i tilstrekkelig tid til å tillate betydelig syrekondensering.

Effekt på mekanisk integritet: Syrekondensskade
Hvis temperaturen på titankappen er lavere enn duggpunktet til H 2 SO 4 (rundt 130 grader for røykgass som inneholder 10 ppm SO 3 ), kondenserer svovelsyren som en tynn film (0,5–1 μm) med høy konsentrasjon (70–90 % H 2 SO 4 ). I denne kondenserte fasen er ikke titan passivt og korrosjonshastigheten kan være så høy som 0,5-2,0 mm per år. Metall tas ut hver gang det kondenserer. Perforering kan oppstå etter 100 kondenseringssykluser (normalt for 5 års drift) med en veggtykkelse på 1,5 mm. Den viktigste parameteren er ikke den maksimale korrosjonshastigheten, men den totale tiden kappen er under duggpunktet. Varmeovner med høy-termisk-forsinkelse har en lengre periode for hver avkjøling og oppvarming i kondenseringstemperaturområdet.

Effekt på termisk ytelse: Termisk forsinkelsesberegning
Den termiske forsinkelsen til en titankappe er gitt av tidskonstanten τ=(ρ*C_p*t)/h hvor ρ=4,500 kg/m3, C_p=520 J/kgK, t=veggtykkelse og h=konvektiv varmeoverføringskoeffisient (til 2 K0 for omgivende vaskevann). For en veggtykkelse på 1,0 mm, τ=(4500 × 520 × 0,001)/50=46.8 s. For en 2,0 mm vegg, τ=93.6 s . Varigheten for avkjøling fra arbeidstemperatur (180 grader, nødvendig for å holde kappen over duggpunktet) til duggpunktet (130 grader) er omtrent 0,7 ganger τ. 1.0 mm vegg: 33 sekunder. 2.0 mm vegg: 66 sekunder. Denne avkjølingsperioden har kun kappen over duggpunktet de første sekundene, og etter at den krysser 130 grader begynner det å dannes kondens. Jo tykkere veggen er, jo lenger er den utsatt for kondenseringstemperaturområdet. Dette betyr mer syreeksponering.

Bytt-syntese: Maksimal veggtykkelse for å forhindre kondensskader
Veggtykkelse (mm) Tidskonstant (τ, s)Tid for avkjøling fra 180 grader til 130 grader (sek) Kondenseksponering per nedkjøling (sekunder) Estimert levetid med 2 nedkjølinger/dag, 5 år (total eksponeringstimer) 5 års levetid møtes?
0,8 mm 37 sek 26 sek 26 sek 26 timer Ja (lav korrosjon)
1,0 mm 47 sek 33 sek 33 sek 33 timer Ja
1,2 mm 56 sek 39 sek 39 sek 39 timer Ja
1,5 mm 70 sek 49 sek 49 sek 49 timer Marginal (trenger høy kvalitet Ti)
1,8 mm 84 sek 59 sek 59 sek 59 t Nei (alvorlig gropdannelse)
2,0 mm 94 sek 66 sek 66 sek 66 timer Nr
2,5 mm 117 sek 82 sek 82 sek 82 timer Nei (rask feil)
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 timer, gropdannelse er betydelig for større enn eller lik 1,5 mm.

Engineering Beyond the Wall: Aktiv temperaturkontroll og duggpunktkontroll
Den beste teknikken for å forhindre syrekondensering er ikke å begrense veggtykkelsen, men å alltid holde kappen over duggpunktet. Nedkjølingen elimineres totalt ved å installere en standby-oppvarmingsfunksjon som holder kappen på 150 grader når beholderen ikke er i bruk. Standby-oppvarming er bra med alle veggtykkelser. Alternativt kan senking av SO3-konsentrasjonen oppstrøms (f.eks. SO3-injeksjonskontroll eller et annet drivstoff) senke det virkelige duggpunktet for å tillate en lavere driftstemperatur og redusere behovet for termisk etterslep. Hvis duggpunktet er 110 grader i stedet for 130 grader, er en 2,0 mm vegg greit.

Konklusjon: Typisk ESP Hopper Cycle 1,2 mm Maks veggtykkelse
En elektrisk varmeovn i titan som holder en ESP-beholder på 60 grader mens den kondenserer svovelsyretåke (duggpunkt 130 grader) kan ha en veggtykkelse på 1,2 mm eller mindre, uten betydelig termisk etterslep for å holde kappen under duggpunktet lenge nok til å forårsake betydelig syrekondensasjon. Med en veggtykkelse på 1,2 mm er tidskonstanten 56 sekunder og eksponeringstiden for kondens er bare 39 sekunder hver avkjøling, noe som gir mindre enn 40 timers kumulativ eksponering på 5 år-akseptabelt for grad 2 titan. Tykkere vegger (større enn eller lik 1,5 mm) firedobler tiden det tar før kondens utvikles og forårsaker gropdannelse og for tidlig svikt. Anbefalt standard er grad 2 titankappe 1,0–1,2 mm veggtykkelse og standby-oppvarming for å forhindre nedkjølingssykluser hvis mulig. Gi produsenten det estimerte antallet nedkjølinger per dag og det virkelige syreduggpunktet for å bestemme den maksimalt tillatte veggtykkelsen. Veggtykkelse er en viktig variabel for termisk etterslep, og jo smalere jo bedre for å unngå kondens.