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The process chain for Carbon Capture and Sequestration (CCS) includes tubing for injection of CO2 into saline aquifers. The compressed CO2 is likely to contain specific impurities; small concentrations of SO2 and NO2 in combination with oxygen and humidity are most harmful. In addition, CO2 saturated brine is supposed to rise in the well when the injection process is interrupted. The material selection has to ensure that neither CO2 nor brine or a combination of both will leak out of the inner tubing. In this comprehensive paper the investigated materials range from low-alloy steels and 13% Cr steels up to high-alloy materials. Electrochemical tests as well as long term exposure tests were performed in CO2, in brine and combination of both; pressure was up to 100 bar, temperature up to 60 °C. Whereas the CO2 stream itself can be handled using low alloy steels, combinations of CO2 and brine require more resistant materials to control the strong tendency to pitting corrosion. The corrosion behavior of heat-treated steels depends on factors such as microstructure and carbon content. For different sections of the injection tube, appropriate materials should be used to guarantee safety and consider cost effectiveness.
Technically relevant P92 steel (9% Cr) was coated with a micron-thick porous alumina layer prepared by sol-gel technique and treated with flue gas (60 CO2-30 H2O-2 O2-1 SO2-7 N2 (mole fraction in %)) at 650 ° to mimic an oxyfuelcombustion process. Local defects in the coating were marked using focused ion beam (FIB) technique and were inspected after exposition to hot flue gas atmosphere at 300, 800, and 1300 h, respectively. Local defects like agglomerated alumina sol particles tend to spall off from the coating uncovering the underlying dense chromia scale. Re-coating was found to restore the protection ability from oxidation when repeatedly treated with hot flue gas. Cracks and voids did not promote the local oxidation due to the formation of crystalline Mn/S/O species within and on top of the coating. The protective character of the steel-coating system is a result of (i) the fast formation of a dense chromia scale at the surface of sol-gel alumina-coated P92 steel bars in combination with (ii) the porous alumina coating acting as diffusion barrier, but also as diffusion partner in addition with (iii) fast Mn outward diffusion capturing the S species from flue gas.
Insights into early damage mechanisms during high-temperature gas corrosion provide important aspects for the prediction of the long-term stability of hightemperature materials exposed to a hot and corrosive environment. The current work presents a real time study concerning the combined oxidation and sulfidation of ferritic model alloys in a hot SO2 containing atmosphere using energy dispersive X-ray diffraction. The applied high temperature reactor allows the transmittance of high energetic X-rays in order to collect X-ray diffraction pattern of the sample surface in situ during the reaction with the reactive environment. The results revealed that the first phases crystallizing on iron with 2 wt% chromium and with 9 wt% chromium are oxides. The aging experiments at T = 650° C with 0.5% SO2 and 99.5% Ar were followed in situ and caused an external mixed oxide-sulfide layer on top of iron with 2 wt% chromium. On the higher alloyed material the external scale consists of iron oxides and the inner scale of mixed (Fe,Cr)-oxides and chromium-sulfides. The oxide content continuously increases parallel to an increase of the sulfide amount. Thus, the initially formed (Fe,Cr)-oxides do not have a protective character and support the transport of sulfur through the growing oxide scale.
Future coal power plants will in case of oxyfuel combustion be operated with altered atmospheres. Hence, corrosion attack might become more severe and steels have to be protected. An alumina-sol was used to coat X20CrMoV12-1 (X20) with alumina to test the protection. Testing was performed at 600 °C in flowing H2O–CO2–O2 and static laboratory air for 1000 h. Oxidation under air is minor compared to exposure in oxyfuel atmosphere. In both cases a multilayered oxide (hematite, magnetite, spinel) was formed on uncoated steels. Carburization appeared on uncoated X20 in H2O–CO2–O2. The coating demonstrates a high protection.
In Kohlekraftwerken mit Oxyfuel-Technologie erfolgt die Verbrennung unter Zufuhr von reinem Sauerstoff. Damit steht für die Abscheidung und Speicherung von CO2 ein Rauchgas mit hohem CO2-Anteil zur Verfügung (CCS-Technologie). Aufgrund dieses Verbrennungsprozesses ändert sich im Wesentlichen die Rauchgaszusammensetzung hin zu hohem H2O- und SO2 -Anteil. Deshalb wurden in verschiedenen Laboratorien kommerzielle Kraftwerksstähle unter den entsprechenden korrosiven Bedingungen getestet. Im Vergleich zur herkömmlichen Verbrennungsmethode zeigten die ferritisch-martensitischen Stähle schon nach 1000 h Auslagerungszeit unter Oxyfuel-Bedingungen eine durch einen deutlich erhöhten Materialverlust gekennzeichnete Korrosion. Eine Möglichkeit um dennoch die Lebensdauer dieser Stähle zu gewährleisten, besteht im Aufbringen geeigneter Schutzschichten auf die Stahloberfläche. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Herstellung und Bewertung von Sol-Gel-Aluminiumoxidschichten als Schutz vor Korrosion in Oxyfuel-Rauchgas-Atmosphäre. Diese wurden auf den warmfesten Stahl X20CrMoV12-1 (X20) mittels der Tauchmethode aufgebracht. Anschließend erfolgte eine Auslagerung der beschichteten Proben für 1000 h bei 600 °C in einer H2O-CO2-O2-SO2 -Atmosphäre.
Im Vergleich zum unbeschichteten Stahl X20 war der Materialverlust des beschichteten Stahls deutlich geringer. Insbesondere konnte durch die Aluminiumoxidschicht der Transport von CO2 und SO2 zur Stahloberfläche verhindert werden.
In Kohlekraftwerken mit Oxyfuel-Technologie erfolgt die Verbrennung unter Zufuhr von reinem Sauerstoff. Damit steht für die Abscheidung und Speicherung von CO2 ein Rauchgas mit hohem CO2-Anteil zur Verfügung (CCS-Technologie). Aufgrund dieses Verbrennungsprozesses ändert sich im Wesentlichen die Rauchgaszusammensetzung hin zu hohem H2O- und SO2 -Anteil. Deshalb wurden in verschiedenen Laboratorien kommerzielle Kraftwerksstähle unter den entsprechenden korrosiven Bedingungen getestet. Im Vergleich zur herkömmlichen Verbrennungsmethode zeigten die ferritisch-martensitischen Stähle schon nach 1000 h Auslagerungszeit unter Oxyfuel-Bedingungen eine durch einen deutlich erhöhten Materialverlust gekennzeichnete Korrosion. Eine Möglichkeit um dennoch die Lebensdauer dieser Stähle zu gewährleisten, besteht im Aufbringen geeigneter Schutzschichten auf die Stahloberfläche. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Herstellung und Bewertung von Sol-Gel-Aluminiumoxidschichten als Schutz vor Korrosion in Oxyfuel-Rauchgas-Atmosphäre. Diese wurden auf den warmfesten Stahl X20CrMoV12-1 (X20) mittels der Tauchmethode aufgebracht. Anschließend erfolgte eine Auslagerung der beschichteten Proben für 1000 h bei 600 °C in einer H2O-CO2-O2-SO2 -Atmosphäre.
Im Vergleich zum unbeschichteten Stahl X20 war der Materialverlust des beschichteten Stahls deutlich geringer. Insbesondere konnte durch die Aluminiumoxidschicht der Transport von CO2 und SO2 zur Stahloberfläche verhindert werden.
The need for a more efficient coal power plant generation (e.g. oxyfuel technology) results in modified process parameters and enhanced corrosion. To reach the necessary service life of high temperature parts protective coatings may be a sufficient technical solution. A modified Yoldas sol (Al2O3 based) was used to coat X20CrMoV12-1 by spin coating. After appropriate heat treatments transition alumina coatings being about 400 nm thick were obtained. Oxidation studies were carried out in laboratory air at temperatures up to 650 °C for up to 500 h exposure time. In case of the uncoated sample a rough oxide layer formed on the surface and a remarkable weight gain (2.62 mg/cm²) were detected. The sol–gel alumina layer (mainly δ-Al2O3) demonstrated a high protection, i.e. a very low weight gain (0.05 mg/cm²). Diffusion of alloying elements into the coating was observed. No indication of spallation of the coating occurred. Local defects (2 µm–30 µm) in the coating led to the formation of iron-oxide islands.
Carbon capture and storage (CCS) includes processing of supercritical carbon dioxide (scCO2). The carbon dioxide (CO2) stemming from flue gases contains acid forming impurities, especially in the case of coal fired power plants. In the present work, the mobility and reactivity of acids in supercritical scCO2 was investigated. The corrosive attack of low alloyed carbon steel (material 1.0484) by water (H2O) alone in scCO2 was negligible. Nitric acid (HNO3) was very mobile and corrosive towards the carbon steel while sulfuric acid did not migrate through the scCO2 to react with the steel surface. Hydrochloric acid in scCO2 was very mobile and reactive towards both carbon steel and high alloyed test equipment. Gravimetric analyses revealed a severe material loss after corrosion in the presence of HNO3. Thickness measurements showed localized material losses.