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CCUS-Technologie (CO2-Abtrennung; Nutzung und Speicherung, engl. Carbon Dioxide Capture, Utilization and Storage) gilt als eine vielversprechende Methode zur Abschwächung des Beitrags von fossilen Emissionen zur globalen Erwärmung. Dabei wird das in den Verbrennungsprozessen entstandene Treibhausgas aufgefangen, zu verschiedenen Lagerstätten transportiert und langzeitig gespeichert bzw. einer chemischen Nutzung zugeführt.
In bisher veröffentlichten Untersuchungen wurde gezeigt, dass die CO2-Transport-Pipelines in hohem Maße gefährdet sind, wenn sie korrosiven Begleitstoffen des CO2-Stroms, wie SOx, NOx bei einem hohen Wasserdampfanteil ausgesetzt sind. Screening-Tests zeigten, dass bei einer Konzentration von 1000 ppmv H2O die Reaktionen und Kondensation von SO2 und NO2 mit O2 und H2O zu Säuretropfen (pH ~ 0,5) auf der Oberfläche von Metall-Prüfkörper und Gefäß führen. Die Werkstoffe 1.0582, 1.8977, 1.4313 und 1.4562 wurden in CO2-gesättigtem Kondensat mit unterschiedlichem Verhältnis der säurebildenden Komponenten untersucht. Diese Studien zeigten grundsätzlich den Mechanismus sowie die Rolle jedes CO2-Strom-Begleitstoffes auf den Korrosionsprozess. Allerdings spiegeln die bei Auslagerung und elektrochemischen Messungen in der künstlichen CO2-gesättigten Kondensat-Lösung auftretenden Bedingungen nicht im Detail die Realität in der Praxis, wo sich nur Tröpfchen bilden, wider.
Diese Arbeit konzentriert sich auf den Korrosionsprozess von Kondensat in Form von Tröpfchen, auf der Oberfläche von Rohrleitungswerkstoffen unter CO2-Atmosphäre bei 5 °C (Simulation des Transportzustandes). Die Experimente wurden nicht nur für Auslagerungsversuche, sondern auch für elektrochemische Tests mit nur einem Tröpfchen (weniger als 20 µL) konzipiert. Die Auslagerungs-versuche wurden sowohl unter Normaldruck als auch bei hohem Druck (> 70 bar) durchgeführt, wobei das CO2 als dichte – den Tropfen umgebende - Phase vorliegt. Die korrodierten Prüfkörper wurden rasterelektronenmikroskopisch (REM) und mittels Energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX) analysiert, um nicht nur Korrosionsform, sondern auch die Elementverteilung der Korrosionsprodukte zu zeigen.
Carbon Capture Utilization and Storage (CCUS) is a promising technology for the reduction of CO2 emissions from fossil-fuel operated power plants, steel and cement mills or refineries. Crucial points for a sustainable and future-proof CCUS procedure are reliability and cost efficiency of the pipeline transport network especially concerning corrosion risks under impurities and moisture in the CO2 stream. Recent studies have shown that even high alloyed steels might be susceptible to general and/or localized corrosion caused by condensates. It was concluded from our study on carbon steels in normal and high pressure conditions, that the combination of these gas impurities, resulted in the acidic condensate, is not only a simple sum of each corrosive effect, but highly accelerates the corrosion rate of the pipeline steel, indicating the need of dynamic tests before installing the network pipeline system.
Synergistic effects of impurities in the condensate on the corrosion of CO2 transport pipeline
(2017)
For the reliability of transport pipelines the corrosion resistance of the materials used needs to be determined in conditions, which are possible during the transport process. In some situations condensation of components out of the CO2 stream can occur.
To study the effect of condensate on transport pipeline steel, a “worst-case scenario” gas mixture, containing 2.5 % H2O, 1.8 % O2, 1000 ppmv NO2, and 220 ppmv SO2, was proposed, fed (1.5 L/min) into a glass reactor containing coupon-shaped specimens for 120 600 h at 278 K (to simulate the underground pipeline transport), and resulted in the condensate containing 0.114 M H2SO4 and 0.0184 M HNO3 (pH 2.13). Basing on this “original” condensate, exposure tests and electrochemical characterization together with pH and conductivity in CO2 saturated condition at the same temperature were carried out. The role of each gas impurity and the combination of them, when the condensate is formed, was studied by investigating the role of individual and varying combination of acidic components in the condensate on the corrosion behaviors of the commercial pipeline-steel (L360NB). The stability and protectability of the corrosion film were further studied by periodically changing the condensate during the exposure tests.
It can be concluded that although the condensation of NOx in form of HNO3 causes faster corrosion rate, it is the condensation of SOx or the combination of SOx and NOx that may cause much more severe problems in form of localized and pitting corrosions. Different to the corrosion products formed in CO2 atmosphere without impurities (mainly iron carbonate) the corrosion products resulted from these acidic condensation have no protectability, indicating the need of controlling gas quality during the transportation within the pipeline network.
Korrosion von Stählen in flüssigen und überkritischen CO2–Strömen unter realitätsnahen Bedingungen
(2017)
CCUS-Technologie gilt als eine vielversprechende Methode zur Abschwächung des Beitrags von fossilen Emissionen zur globalen Erwärmung. Dabei wird das in den Verbrennungsprozessen entstandene Treibhausgas aufgefangen, zu verschiedenen Lagerstätten transportiert und langzeitig gespeichert bzw. einer chemischen Nutzung zugeführt.
CO2-Transport-Pipelines sind potentiell gefährdet, wenn sie korrosiven Begleitstoffen des CO2-Stroms, wie SOx, NOx bei einem hohen Wasserdampfanteil ausgesetzt sind. Screening-Tests zeigten, dass bei einer Konzentration von 1000 ppmv H2O die Reaktionen und Kondensation von SO2 und NO2 mit O2 und H2O zu Säuretropfen (pH ~ 0,5) auf der Oberfläche von Metall-Prüfkörpern und Gefäßen führen. Die Werkstoffe 1.4313 1.8977 und 1.4562 wurden in CO2-Atmosphäre mit unterschiedlichen Verhältnissen der säurebildenden Komponenten SO2, NO2, H2S mit H2O untersucht. Diese Studien zeigten grundsätzlich den Mechanismus sowie die Rolle jedes CO2-Strom-Begleitstoffes auf den Korrosionsprozess.
CCS technology - Carbon Dioxide Capture and Storage, has been recognized as an excellent technology to reach the target of CO2 reduction. However, the safety issue and cost effectiveness currently hinder the future of CCS. Recent studies have shown that even at a very low concentration of impurities (less than 100 ppmV of SO2, NO2, O2 and H2O) the droplet formation and condensation of sulfuric and nitric acids in dense phase CO2 are possible and observable [1-3].To reveal the mechanism of droplet corrosion in dense CO2 at high pressure and low temperature, further studies on factors that affect wettability and resulting corrosion behaviors of transport pipeline steels are needed.
In this work, carbon steel 1.8977 (L485MB), CrMo-alloyed steel 1.7225 (42CrMo4), martensitic steel 1.4313, and superaustenite steel 1.4562 (alloy 31) were investigated. The wettability was determined by contact angle measurement of sessile drop in CO2 atmosphere, at different pressure and temperature. The corrosion behavior of steels was investigated with standard exposure tests, followed by mass loss determination, surface characterization by scanning electron microscope (SEM) and chemical analysis by Energy Dispersive X-Ray Analysis (EDX). Exposure tests with and without the synthetic CO2 saturated water droplets were performed at both low temperature (278 K) and higher temperatures (288 K and 313 K) at high pressure where CO2 is supercritical or in dense phase. The investigated flue gases were SO2 (70-220 ppmV) and O2 (6700 ppmV) and water (50-200 ppmV). To reveal the effects of surface morphology, carbon steel coupons with different surface roughness were prepared to expose to CO2 stream containing oxidizing/reducing impurities to observe the condensation and the corrosion process that followed.
Die Analyse von Bruchflächen wird in der Schadensanalyse meist auf der Basis von Erfahrungswissen vorgenommen, welches aus vorliegenden Untersuchungen, eigenen Vergleichsversuchen und aus der Literatur stammt. Durch Vergleiche mit bereits vorliegenden Bildern werden qualitativ Bruchmechanismen ermittelt. Grundlage sind zumeist zweidimensionale Bilder aus licht- und elekt-ronenoptischen Verfahren. Quantitative Aussagen beziehen sich bislang beispielsweise auf makroskopische Anteile von Bruchmechanismen oder die Ausmessung von Schwingstreifen. In jüngerer Zeit gibt es vermehrt Ansätze, Computer-Algorithmen einzusetzen, die in der Lage sind, unterschiedlich strukturierte Bruchmerkmale zu finden und zu klassifizieren. Im hier vorgestellten IGF-Vorhaben „iFrakto“, IGF Vorhaben Nr.: 21477 N, werden licht- und elektronenoptisch Topographie-Bilder erzeugt und die gewonnenen 3D-Informationen zusammen mit den klassischen 2D-Bildern ausgewertet.
Bei der Untersuchung von Bruchflächen werden zunächst Beobachtungen gemacht, d.h. makroskopische und mikroskopische Merkmale analysiert und in Bildern dokumentiert. Im zweiten Schritt werden anhand der gefundenen Merkmale Rissverlauf und Bruchmechanismen ermittelt. Abschließend sollen diese Ergebnisse in einem Bericht oder Gutachten zusammengefasst werden. Hierbei ist eine skizzenhafte Darstellung der fraktographischen Befunde hilfreich für das Verständnis des Lesers. Ein vorgefertigter fraktographischer Symbolsatz würde dies erheblich vereinfachen.
Skizzen von fraktographischen Befunden sind in der Literatur recht häufig zu finden, z.B. in der VDI 3822 oder dem ASM Handbook Fractography, allerdings gibt es hierzu keine umfassende Systematik, wie sie z.B. aus der Meteorologie (Wetterkarten), Geographie (Landkarten, Seekarten) oder Geologie (Bodenkarten) seit langer Zeit bekannt sind. Deshalb wird hier der Versuch unternommen, einen Symbolsatz zu entwickeln und zur Verfügung zu stellen, mit dessen Hilfe fraktographische Befunde in eindeutiger und übersichtlicher Weise veranschaulicht werden können. Der fraktographische Symbolsatz ("Fracto Graphics") befindet sich in Entwicklung, ist offen zur Diskussion sowie für Verbesserungen.
Die „auffälligen großen Streifen“ sind von echten Schwingstreifen nur sehr schwer zu trennen, weil sie parallel zu den Schwingstreifen verlaufen und meistens ebenfalls nicht sehr groß sind. Die im Labor getesteten Proben zeigten, dass diese großen Streifen zusammen mit Verreibungen auftraten und „tire tracks“ („Reifenspuren“) verursachten. Dies wurde durch eine hochauflösende REM-Untersuchung bestätigt, die „tire tracks“ auf den „großen Streifen“ zeigte. Ein weiterer Hinweis ist die Änderung des R-Werts von -1 auf 0,1, was zu einer Bruchfläche ohne große Streifen und „tire tracks“ führt.
Impact of acid condensation on wetting and corrosion behavior of CO2 transport-pipeline steel
(2018)
Es ist allgemein akzeptiert, das Korrosion in CO2-Transport-Pipelines vernach¬lässigbar ist, solange der Wassergehalt des CO2-Stroms deutlich unter der maximal löslichen Menge liegt. Bisher gibt es keinen allgemeinen Konsens darüber, welcher maximale Wassergehalt in zu transportierendem CO2 zugelassen werden sollte. Bei einem Druck von 100 bar und im Temperaturbereich von 277 K bis 298 K beträgt die Löslichkeit von Wasser in CO2 ca. 1.900 bis 3.200 ppmv, aber die Korrosionsrate von Stählen steigt schon ab einem Wassergehalt von 500 ppmv deutlich an. Bei Anwesenheit von Begleitstoffen wie SO2, NO2 und O2, können sich HNO3, H2SO3 und H2SO4 bilden. Menge und Zusammensetzung von kondensierter Säure sind von der Gaszusammensetzung abhängig, und der Korrosionsmechanismus und die Korrosionsform sind vom Kondensationsverhalten abhängig.
Carbon Capture and Storage (CCS) is identified as an excellent technology to reach the target of CO2 reduction. However, the safety issue and cost effectiveness hinder the future of CCS. For the reliability and safety issues of injection wells the corrosion resistance of the materials used needs to be determined.
In this study, representative low cost materials including carbon steel 1.8977 and low alloyed steel 1.7225 were embedded in cement to mimic the realistic casing-cement interface. Electrochemical studies were carried out using these metal-cement specimens in comparison with those made of metal only in CO2 saturated synthetic aquifer fluid, at 333 K, to reveal the effect of cement on the steel performance. The results showed the protective effect of cement on the performance of pipeline metals during polarisation process. However, the corrosion current density was high in all cases, with and without cement, indicating that the corrosion resistance of these materials is low. This conclusion was supported by the surface analysis of the polarized specimens, which revealed both homogenous and pitting corrosions. Furthermore, to reveal the possible protective performance of FeCO3, the pipeline steels were pre-carbonated and then tested in the same condition as freshly polished specimens.