DE102013101631A1

DE102013101631A1 - Korrosionsbeständiger Wärmetauscher

Info

Publication number: DE102013101631A1
Application number: DE102013101631A
Authority: DE
Inventors: Frank Adamczyk; Hilmar Schinkel
Original assignee: Babcock Borsig Steinmueller GmbH
Current assignee: Babcock Borsig Steinmueller GmbH
Priority date: 2012-03-06
Filing date: 2013-02-19
Publication date: 2013-09-12
Also published as: WO2013131922A2; WO2013131922A3

Abstract

Dargestellt und beschrieben ist ein Wärmetauscher mit einer Vielzahl von Wärmetauscherrohren (1), einem Gasboden (2), und Elementen zum Befestigen der Wärmetäuscherrohre (1), wobei die Wärmetauscherrohre (1) längsgeschweißte Rohre sind. Um Wärmetauscher, die unter korrosiven Bedingungen eingesetzt werden, insbesondere hinsichtlich bestimmter Wärmetauscherbauteile und insbesondere zum Einsatz bei der Rauchgaskühlung in Kraftwerken derart zu verbessern, dass eine bessere Beständigkeit gegen Lochkorrosion und ein besseres Korrosionsverhalten in Schwefelsäure bzw. einer Schwefelsäure enthaltende Mischsäure erreicht wird, ist vorgesehen, dass zum Erreichen von Beständigkeit gegen Korrosion wenigstens die Wärmetauscherrohre (1) aus dem Werkstoff 2.4700 ausgeführt sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit einer Vielzahl von Wärmetauscherrohren, einem Gasboden, Elementen zum Befestigen der Wärmetauscherrohre sowie mit einer einen Düsenstock und eine Mehrzahl von Sprührohren aufweisenden Reinigungseinrichtung, wobei die Wärmetauscherrohre als längsnahtgeschweißte Rohre ausgeführt sind.
Für den Einsatz in Kraftwerken werden große Wärmetauscher benötigt, die in Rauchgaskanäle eingebaut werden. Der dem Kessel nachgeschaltete Luftvorwärmer (LUVO) ist auf eine Rauchgasaustrittstemperatur von etwa 130 bis 170°C ausgelegt. Dieses Temperaturniveau richtet sich nach der Brennstoffart und liegt auf jedem Fall deutlich über dem Säuretaupunkt des Rauchgases. Würde man die Rauchgase im LUVO unter den Säuretaupunkt abkühlen, würde dieser und die nachgeschalteten Bauteile durch Korrosion zerstört werden. Deshalb muss die Rauchgastemperatur an der kältesten Stelle des LUVOs sicher über dem Säuretaupunkt liegen.
In der dem Luftvorwärmer LUVO nachgeschalteten Rauchgasentschwefelungsanlage kurz REA genannt werden jedoch je nach Fahrweise der REA nur Rauchgastemperaturen kleiner als 100 und 110°C benötigt. Diese Temperatursenke zwischen LUVO und REA von > 30 K kann zur Steigerung des Kraftwerkswirkungsgrades und damit zur Reduzierung des CO2-Ausstoßes oder aber zur Wiederaufheizung der Rauchgase hinter der REA genutzt werden. Um diese Energie zu nutzen, benötigt man jedoch säurebeständige Wärmetauscher, welche in den Rauchgasstrom geschaltet werden und mittels eines Wärmeträgermediums die Wärme abführen können.
Stand der Technik von säurefesten Wärmetauschern bei den oben beschriebenen Rauchgaskühlern sind nachfolgende Konzepte:

1. Rohre aus Vollkunststoff, Tragstruktur aus Metall
2. Rohre aus kunststoffbeschichtetem Metall, Tragstruktur aus Metall
3. Rohre aus emaillierten Metall, Tragstruktur aus Metall
4. Rohre aus Metall, Tragstruktur aus Metall

Für die Rohre im Fall 4 werden in der Regel hochlegierte Edelstähle eingesetzt (z. B. DIN 1.4539, 1.4571, 1.4435), im höchstbelasteten Einsatzfall der Werkstoff DIN 2.4605. Das gleiche gilt für die Tragstruktur aus Metall und die integrierte Reinigungseinrichtung.
In einem solchen Wärmetauscher treten im Betrieb Beläge auf, die zwar regelmäßig abgereinigt werden, jedoch führen diese zeitweise vorhandenen Beläge dennoch zu einer Verstärkung der korrosiven Bedingungen.
Die von der Rauchgaseintrittstemperatur und von der Temperatur des Mediums in den Rohren abhängigen Temperaturverhältnisse im Wärmetauscher führen zu verschieden starker Belastung mit Säure und/oder Wasserkondensaten auf den Wärmetauscherbauteilen. Dies erfordert eine abgestufte Materialwahl für die einzelnen Bauteile des Wärmetauschers was auch in der Detaillierung der Patentansprüche zum Ausdruck kommt.
Wärmetauscher nach diesem beschriebenen Stand der Technik zeigen an den metallischen Bauteilen unter bestimmten Bedingungen bei dem Einsatz bei der Rauchgaskühlung und/oder Wiederaufheizung Korrosionserscheinungen, die die Funktion der Bauteile beeinträchtigen oder nicht mehr sicherstellen. Der Nickel Basis Werkstoff „2.4605” weist eine hohe Festigkeit auf und es können daher Rohre mit größerem Durchmesser verwendet werden, was der Verschmutzung des Wärmetauschers wiederum teilweise entgegenwirkt. Jedoch stößt die Korrosionsbeständigkeit dieses Materials in verschiedenen Beispielen an ihre Grenze.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Wärmetauscher, die unter korrosiven Bedingungen eingesetzt werden, insbesondere hinsichtlich bestimmter Wärmetauscherbauteile und insbesondere zum Einsatz bei der Rauchgaskühlung in Kraftwerken derart zu verbessern, dass eine bessere Beständigkeit gegen Lochkorrosion und ein besseres Korrosionsverhalten in Schwefelsäure bzw. einer Schwefelsäure enthaltende Mischsäure erreicht wird.
Gelöst wird diese Aufgabe bei einem eingangs genannten und zuvor näher beschriebenen Wärmetauscher dadurch, dass zum Erreichen von Beständigkeit gegen Korrosion wenigstens die Wärmetauscherrohre aus dem Werkstoff 2.4700 ausgeführt sind.
Die Erfindung besteht darin, den im Patent DE 197 23 49 1 C1 beschriebenen Werkstoff als längsnahtgeschweißtes Rohr einzusetzen, für die Verwendung in Wärmetauschern die unter korrosiven Bedingungen eingesetzt werden und insbesondere zum Einsatz bei der Rauchgaskühlung in Kraftwerken.
Aufgrund der geringen Wanddicken werden solche Wärmetauscherrohre ohne Schweißzusatzwerkstoff nach den Schutzgasschweißverfahren WIG (141, EN 14610) oder Laserstrahlschweißen (52, EN 14610) hergestellt. Die Besonderheit liegt in der schweißtechnischen Ausführung der Längsnaht für diesen Werkstoff nach den zuvor genannten Schweißverfahren mit anschließender Wärmebehandlung, da die durch den Schweißprozess beeinflusste Wärmeeinflusszone hinsichtlich der Korrosionsbeständigkeit eine Schwachstelle darstellt. Das Laserstrahlschweißen zeigt gegenüber dem Schutzgasschweißen eine wesentlich schmalere Schweißnahtausbildung und somit ein besseres Korrosionsverhalten gegenüber aggressiven Medien. Begünstigt wird dieses noch durch einen geringeren Abbrand von Legierungselementen im Bereich der Schweißstelle.
Der für sich bekannte Werkstoff mit der Werkstoffnummer 2.4700 weist gegenüber dem für Wärmetauscher bekannten Werkstoff 2.4605 eine Änderung der chemischen Zusammensetzung auf, die Wirksumme steigt somit. Die mechanischen Eigenschaften sind vergleichbar zu dem Werkstoff 2.4605, hervorzuheben sind die leicht höhere Streckgrenze und Zugfestigkeit. Es wird eine bessere Beständigkeit gegen Lochkorrosion und ein besseres Korrosionsverhalten in Schwefelsäure erreicht. Damit kann man bei dem Werkstoff 2.4700 (bei gleicher Belastung im Vergleich zu dem Werkstoff 2.4605) beim Einsatz in korrosionsbelasteten Wärmetauschern mit geringeren Abtragsraten rechnen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung können die Wärmetauscherrohre mittels Laserstrahl-Schweißverfahren oder alternativ auch durch Schutzgas-Schweißverfahren hergestellt sein. Beim Laserstrahlschweißen können CO2-Laser oder Festkörperlaser zum Einsatz kommen. Als Schutzgas-Schweißverfahren können sowohl das Wolfram-Schutzgasschweißen als auch das Metall-Schutzgasschweißen eingesetzt werden. Beim Wolfram-Schutzgasschweißen unterscheidet man Wolfram-Inertgasschweißen (WIG), Wolfram-Plasmaschweißen (WP) und Wolfram-Wasserstoffschweißen (WHG). Das Metall-Schutzgasschweißen unterscheidet das Schweißen mit Inertgas (MIG) oder Aktivgas (MAG).
Nach einer weiteren Lehre der Erfindung ist wenigstens der Gasboden aus dem Werkstoff 2.4700 ausgeführt und so sicher gegen Korrosion geschützt.
Bevorzugt werden Wärmetauscher verwendet, bei denen die Elemente zum Befestigen der Wärmetauscherrohre vordere und hintere Abhängungen aufweisen. Hierbei sind in besonderer Ausbildung der Erfindung die hinteren und ggf. auch die vorderen Abhängungen aus dem Werkstoff 2.4700 ausgeführt.
Wenn zwischen den Abhängungen als Abstandshalterungen dienende Spacerrahmen und -bleche zur Aufnahme der Wärmetauscherrohre vorgesehen sind, sieht eine weitere Ausgestaltung der Erfindung vor, dass wenigstens die Spacerrahmenaus dem Werkstoff 2.4700 ausgeführt sind. Bevorzugt sind auch die Spacerbleche aus dem Werkstoff 2.4700 ausgeführt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind auch der Düsenstock, die Sprührohre, und alle vorhandenen Befestingungs- und Anschlusselemente des Düsenstocks und/oder der Reinigungseinrichtung aus dem Werkstoff 2.4700 ausgeführt.
Nach einer weiteren Lehre der Erfindung verfügt der Wärmetauscher über eine schweißtechnische Verbindung der Wärmetauscherrohre mit dem Rohrboden einer darüber liegenden Wasserkammer aus nichtrostenden austenitischen Stählen (beispielsweise 1.4301, 1.4541 oder 1.4571). Alternativ kann diese Verbindung auch aus nichtrostenden höher legierten austenitischen Stählen oder Nickelbasislegierungen (beispielsweise 1.4539, 1.4529, 2.4605 oder 2.4700) oder auch aus unlegierten C-Stählen (beispielsweise P 235 GH oder P 265 GH) bestehen.
Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Wärmetauschers und seiner wesentlichen Baugruppen ist in der nachfolgenden Zeichnung dargestellt. In den Zeichnungen zeigen
1 einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher in Seitenansicht und
2 eine Ebene des Gegenstands aus 1 in perspektivischer Darstellung.
Der im einzigen Ausführungsbeispiel gezeigte und insofern bevorzugte Wärmetauscher weist eine Vielzahl von längsgeschweißten Wärmetauscherrohren 1 auf, die erfindungsgemäß aus dem Werkstoff 2.4700 ausgeführt sind.
Diese Wärmetauscherrohre 1 sind jeweils zu Gruppen zusammengefasst und unterhalb eines Gasbodens 2 angeordnet. Vordere und hintere Abhängungen 3 und 4 sorgen für die notwendige Stabilität, indem sie in verschiedenen horizontalen Ebenen (sog. ,Spacerebenen') mit sog. Spacerrahmen 6 verbunden sind. Die Spacerrahmen 6 dienen zur Halterung der sog. Spacerbleche 6A, von denen eine Vielzahl, im dargestellten und insoweit bevorzugten Ausführungsbeispiel wellenförmig gebogen ausgeführt und parallel zueinander derart angeordnet sind, dass die darin verlaufenden Wärmetauscherrohre 1 mit Abstand zueinander fixiert werden (vgl. auch 2). Bevorzugt sind auch die Teile der ,Spacerebenen' aus dem Werkstoff 2.4700 gefertigt.
Der Wärmetauscher verfügt ferner über ein Reinigungssystem. Dazu verläuft auf der linken Seite des in 1 dargestellten Wärmetauschers ein sich nahezu über die gesamte Höhe des Wärmetauschers erstreckender Düsenstock 5, von dem Sprührohre 7 ausgehen, welche unterhalb der Spacerrahmen 6 verlaufen und durch diese gehalten sind. Nach oben endet der Düsenstock 5 mit einem Anschlussstück 8. Bevorzugt sind auch diese Teile aus dem Werkstoff 2.4700 gefertigt.
In 2 wird die Anordnung der Spacerbleche 6A und ihre Befestigung an den Rohren der Spacerrahmen 6 deutlich, da dort nur ein Teil der Wärmetauscherrohre 1 dargestellt sind.
Erfindungsgemäß ist es je nach Einsatzzweck möglich, entweder den gesamten Wärmetauscher oder aber auch nur einzelne Baugruppen davon aus dem korrosionsbeständigen Werkstoff 2.4700 zu fertigen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19723491 C1 [0011]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN 1.4539, 1.4571, 1.4435 [0005]
DIN 2.4605 [0005]
EN 14610 [0012]
EN 14610 [0012]

Claims

Wärmetauscher mit einer Vielzahl von Wärmetauscherrohren (1), einem Gasboden (2), und Elementen zum Befestigen der Wärmetauscherrohre (1), wobei die Wärmetauscherrohre (1) längsgeschweißte Rohre sind, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erreichen von Beständigkeit gegen Korrosion wenigstens die Wärmetauscherrohre (1) aus dem Werkstoff 2.4700 ausgeführt sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsnaht der Wärmetauscherrohre (1) mittels – Laserstrahl-Schweißverfahren hergestellt ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsnaht der Wärmetauscherrohre (1) mittels Schutzgas-Schweißverfahren hergestellt ist.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens der Gasboden (2) aus dem Werkstoff 2.4700 ausgeführt ist.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Elemente zum Befestigen der Wärmetauscherrohre (1) vordere und hintere Abhängungen (3, 4) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens die hinteren Abhängungen (3) aus dem Werkstoff 2.4700 ausgeführt sind.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Elemente zum Befestigen der Wärmetauscherrohre (1) vordere und hintere Abhängungen (3, 4) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens die vorderen Abhängungen (4) aus dem Werkstoff 2.4700 ausgeführt sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 5 oder 6, wobei zwischen den Abhängungen (3, 4) als Abstandshalterungen dienende sog. ,Spacerebenen' mit Spacerrahmen (6) und Spacerbleche (6A) zur Aufnahme der Wärmetauscherrohre (1) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens die Spacerrahmen (6) aus dem Werkstoff 2.4700 ausgeführt sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Spacerbleche (6A) aus dem Werkstoff 2.4700 ausgeführt sind.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Wärmetauscher ein wenigstens einen Düsenstock (5) und eine Mehrzahl von Sprührohren (7) aufweisendes Reinigungssystem aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens der Düsenstock (5) aus dem Werkstoff 2.4700 ausgeführt ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Sprührohre (7) aus dem Werkstoff 2.4700 ausgeführt sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 9, wobei der Düsenstock (5) wenigstens ein Anschlussstück (8) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlussstück (8) aus dem Werkstoff 2.4700 ausgeführt ist.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens die Sprührohre (7) aus dem Werkstoff 2.4700 ausgeführt sind.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch die schweißtechnische Verbindung der Wärmetauscherrohre (1) mit dem Rohrboden einer darüber liegenden Wasserkammer aus nichtrostenden austenitischen Stählen.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch die schweißtechnische Verbindung der Wärmetauscherrohre (1) mit dem Rohrboden einer darüber liegenden Wasserkammer aus nichtrostenden höher legierten austenitischen Stählen oder Nickelbasislegierungen.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch die schweißtechnische Verbindung der Wärmetauscherrohre (1) mit dem Rohrboden einer darüber liegenden Wasserkammer aus unlegierten Carbonstählen.