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Organisationseinheit der BAM
Basic research on the corrosive effect of flue gases has been performed at the BAM Federal Institute for Materials Research and Testing (Germany). Conditions at both high and low temperatures were simulated in specially designed experiments. Carburization occured in flue gases with high CO2 content and temperatures higher than 500 °C. In SO2 containing flue gases sulphur was detected in the oxide scale. At lower temperatures no corrosion was observed when gases with low humidity were investigated. Humidity higher than 1500 ppm was corrosive and all steels with Cr contents lower than 12% revealed corroded surfaces. At low temperatures below 10 °C a mixture of sulphuric and nitric acid condensed on metal surfaces. Acid condensation caused severe corrosion. Humidity, CO2, O2, and SO2 contents are the important factors determining corrosion. Below 300 °C acid condensation is the primary reason for corrosion. Low humidity and low temperatures are conditions which can be expected in the CO2 separation and treatment process. This work includes major conditions of the flue gas and CO2 stream in CCS plants and CCS technology.
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.
The most efficient construction materials for boiler water walls and superheaters in
steam power plants are ferritic and martensitic steels. In practical operation tubes are
simultaneously exposed to combustion gas and air/steam on their opposite surfaces. The
corrosion behaviour of ferritic-martensitic steels under such dual atmospheres is nondistinctive
and has therefore been investigated in a special designed test equipment between 500 and
620°C. The power plant conditions were simulated wi th a flowing and pressurised (80 bar)
combustion gas on the inner side of the tube which mainly consists of H2O and/or CO2. On the
outer side, the tube material was exposed to air. It was discovered that under similar
temperatures the oxides formed on the air side under dual atmosphere conditions were
significantly different to the oxide scales formed when the alloy was exposed to air only. It is
assumed that the anomalous corrosion behaviour during the dual atmosphere exposure is due
to the hydrogen transport through the bulk alloy from the combustion gas side to the air side.
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.
Comparative study on high temperature oxidation of T92 steel in dry and wet oxyfuel environments
(2015)
Fireside oxidation of T92 steel was studied after exposure times up to 1000 h in the temperature range of 580–650 °C in simulated dry (CO2–27 % N2–2 % O2–1 % SO2) and wet (CO2–20 % H2O–7 % N2–2 % O2–1 % SO2) oxyfuel environments. Water vapour addition to the oxyfuel gas substantially increased the oxidation rate. The oxide scales developed under wet environment contained more defects, resulting in higher access of oxidants to the substrate material and enhanced oxidation. In addition, the oxide scales had lower chromium enrichment in the inner layer as compared to that in the dry condition. The oxide scales consisted of hematite and magnetite in the outer layer and a mixture of (Fe, Cr)-spinel, sulphides and wustite in the inner layer. The sulphur distribution differed between the oxide scales developed in dry and wet oxyfuel environments. Sulphur was mainly concentrated in the inner layer and at the oxide/alloy interface. In contrast to the wet oxyfuel gas, very high sulphur concentration was measured in the inner oxide scale formed in the dry oxyfuel gas. Additionally, Fe-sulphide was formed at the interface of inner and outer oxide layer in the wet condition.
The materials in oxyfuel power plant will be subjected to CO2– and SO2–rich gases on the fireside. The oxidation behaviour of two 9–12 % Cr steels T92 and VM12 was studied under dry oxyfuel environment in the temperature range of 580–650 °C for up to 1,000 h. The oxide structure and morphology were analyzed using various experimental techniques. A complex temperature dependence of oxidation rate is observed for both T92 and VM12 whereby the oxidation rate decreased with increasing temperature. This is attributed to increased Cr-enrichment in the inner scale with increasing temperature. T92 and VM12 alloys are also susceptible to carburization in an oxyfuel environment.