Influence of fly ash deposits on state-of-the-art super-heater materials in oxy-lignite combustion

Transkript

1 Institut für Verfahrenstechnik und Dampfkesselwesen Institute of Process Engineering and Power Plant Technology Prof. Dr. techn. G. Scheffknecht Influence of fly ash deposits on state-of-the-art super-heater materials in oxy-lignite combustion Gosia Stein-Brzozowska, M.Sc., Eng. University of Stuttgart Institute of Process Engineering and Power Plant Technology (IVD) Department: Power Plant Technology

2 Contents Projects Facilities Experimental part Results

3 Researches and Projects within IVD on oxy-fuel combustion Assocogs Oxy-mod Oxyburner Encap COORETEC

4 COORETEC Corrosion and fouling on new materials in high-temperature power plants Project start: , duration: 4 years Aims within WP3: Characterization of deposits and their interactions with super- heater pipes Reduction and control of fly ash deposition and corrosion attack in order to increase super-heater s lifetime High-capacity power plants (short time) KSVA Lab-scale ovens (long time)

5 Technical scale and lab-facility lab-scale furnace Lausitz-TBK / air (ref.) Lausitz-TBK / Oxyfuel analytics fly-ash Gas composition: SO 2, CO 2, H 2 O, O 2, NO x analytics IVD-KSVA collection of fly-ash

6 KSVA-Oxyfuel (0,5 MW th ) CO 2 Coal feeding Burner windbox Air Gas distribution O 2 FD/ RG fan Storage tanks By-passes Air Stack O 2 CO 2 Bottom ash Heat exchanger SCR ESP ID fan

7 Lab-scale ovens, long term exposisions 10 m N3 /h

8 Experiments in lab-scale

9 Gas parameters, coal-specific [CO 2 ] = 75 % wet [H 2 O] = 20 % [O 2 ] = 3,5 % wet [SO 2 ] = 1,5 % wet T= 30 C T = 650 C

10 Coal and fly ash used H u [MJ/kg] H 2 O [% raw] Ash [% wf] Volatiles [% maf] C fix [% maf] C [% maf] H [% maf] N [% maf] S [% maf] O [% maf] Lausitz TBK 21,412 10,20 5,46 57,36 42,64 66,78 5,26 0,65 0,72 26,59 Fly ash 0,71 <0,3 <0,3 4,2 0,072 ESP 2 Oxy 2* 100 kg coal 6,08 kg ash 0,26 kg S *Oxy 2 62% reci-rate; CO 2 as coal carrier gas 30m³/h

11 Analytics Mineralogical phases / chemical composition Structure and buildup of deposit and oxide scale Corrosion rate and rest thickness And esp.: Special changes in deposit (mechanical properties, carbonization, sulphonation, fouling - phase buildup) With help of: XRD SEM-EDS / WDS Light microscope

12 Alloys to be tested austenites Ni-basis %m av DMV310N Sanicro 25 DMV617 [Cr] 25 22,5 21,5 [Ni] 21,5 25,1 54,45 [Co] - 1,5 11,5 [Mo] - - 9

13 Results 40 mm

14 DMV310N: 650 C, 250h, Oxyfuel 2,5-3 µm Cr O 1,5-2 µm Fe S

15 DMV310N: 650 C, 350h, Oxyfuel Cr 7-8 µm O Fe 8-9 µm S

16 DMV310N: 650 C, 350h, Oxyfuel (BSE) MAP

17 DMV310N: 650 C, 350h, Oxyfuel (MAP) Fe Ni O S : 8 µm

18 Results, sum-up Oxid scale: 2,5 3 um 7 8 um S-layer: 1,5 2 um 8 9 um S diffuses with t towards alloy Non-linear dh dependance on dt Longer observations needed

19 Conclusions Further expositions t = 500 h need to be done No synthetic fly ash used Materials directly from pipes producers

20 The End Thank You for Your attention

21 Gas mixing station

22 Versuchseinstellungen/Gasatmosphäre Luft/Oxyfuel IVD-KSVA Referenz Screening Luft-Ref OF-Ref #1 Luft-Referenz Leistung in kw th Stöchiometrie λ O 2 global in Vol.-% tr O 2 global in Vol.-% feucht , O 2 Abgas in Vol.-% tr Rauchgasvol. in m 3 N/h feucht Rauchgasfeuchte in Vol.-% Rezirkulationsrate in % Adiabate Flammentemp. C CO 2 : 17 % SO 2 : 580 ppm Oxyfuel-Referenz Die in der KSVA gemessenen Gasatmosphären werden mit Hilfe einer Gasmischstation (aus Reinstgasen) erzeugt CO 2 : 94 % SO 2 : 1720 ppm Festlegung der ersten zwei Gasatmosphären LA-TBK (LA-Luft/LA- Oxy) für Laborauslagerung basierend auf Messwerten (keine Verwendung meist nicht kohlespezifischer Berechnungen bzw. Literaturangaben).

23 SO 2 formation mechanism in fuel-rich region: Lausitz Coal (λ1=0.75, T1~3 Sec) Air-Blown Combustion 1200 SO2 H2S O2 CO Oxy-Coal Combustion SO2 H2S O2 CO SO2, H2S [ppm] O2, CO [vol%] SO2, H2S [ppm] O2, CO [vol%] Distance from Burner [m] Percentage conversion towards SO 2 and H 2 S Equilibrium 1 2 Measurement SO2 34% 46% 41% H2S 40% 54% 59% Equilibrium 1 2 Measurement SO2 34% 46%? 57% H2S 40% 54%? 43% 1: All S containing compounds and radicals considered i.e. SO2, H2S, S2, COS, SO, SO3, HS 2: Only SO2 and H2S considered Distance from Burner [m] Need to verify the equilibrium calculation for oxy-fuel combustion scenario, as %SO2 is much higher than % H2S) Good agreement for air-blown combustion 0

24 IVD-KSVA: Messungen Gasatmosphäre k1 Messebene 2 3 Global T (fix) Messungen in der Brennkammer: Profil Gastemperatur Profil Gasatmosphäre (O 2, CO 2, O 2, SO 2, NO) Ausbrand Beprobung Flugasche Emissionen Brennkammerende (O 2, CO 2, O 2, SO 2, NO) (gas emissions) 25 Global T (fix) 26 Quench 29

25 Slide 24 k1 Hallo Frau Schlüter, hier sehen Sie die Brennkammer der KSVA (Höhe: 7 m) und die üblicherweise durchgeführten Messungen in der Brennkammer. Die Messöffnungen werden vertikal als Ebenen (Ebene E2 bis E29, siehe Abbildung links) bezeichnet. An den verschiedenen Ebenen werden dann auch horizontal an verschiedenen Punkten Temperaturen und Emissionen gemessen, so dass i. a. Daten einer umfangreichen (Gitter-)Netzmessung vorliegen, die dann auch als Input für unser Feuerraumsimulationsprogramm AIOLOS zur Verfügung stehen. Die Netzmessungen konzentrieren sich dabei im Normalfall auf die Ebenen E2-E15, da in diesem Bereich die für eine Feuerraumsimulation besonders interessante Hauptverbrennungszone liegt. kull, 08/11/2007