International Symposium Industry

Materials resistant to high temperature corrosion in sugarcane biomass electrical energy production plants.

Abstract

The most common way to use biomass in energy production is combustion. But, the combustion of biomass and especially the residues from sugarcane agriculture (RAC) is associated with manufacturing problems related to the formation of undesirable deposits in the process and corrosion, given the aggressive chemical composition of this fuel. The incorporation of RAC into combustion together with bagasse expands the availability of biofuel in electricity generating and cogeneration plants. Corrosion above 500C is classified as “high temperature corrosion” and the current trend is to use higher temperatures to make the superheated steam production process in energy production systems more efficient. An increase of 110ºC in temperature and 10 MPa in the pressure of a steam boiler increases its efficiency by 15%. High temperatures increase the rate of corrosion and constitute the biggest problem affecting the alloys of the heat exchangers, which can cause a significant reduction in generator service time and unplanned shutdowns that cause serious economic consequences. Cuba's proposal to reduce oil consumption includes the use of biomass in the production of 14% of electrical energy in 2030. The new technologies used in biomass plants that work at temperatures above 540C require the use of alloyed steels. The most resistant alloys to high temperature corrosion, well above 540C, are austenitic stainless steels. They do not lose their mechanical strength at elevated temperatures as quickly as ferritic stainless alloys. Cr increases its resistance to corrosion, but when temperatures are close to 600C, Cr2O3 (s) has a high solubility as chromate in molten KCl-K2SO4 mixtures, which impose to look for more resistant alloys. The main alloying element proposed as an alternative to replace Cr is Al, since this element forms an alumina layer that has proven to be more protective than the Cr2O3 (s) layer. For the in situ study of high temperature corrosion in industrial biomass plants, a methodology for determining the corrosion rate has been implemented that provides useful data for the selection of the alloys to be used in the steels of the superheater tubes. The tests are carried out using two types of corrosion measurement probes; by the linear polarization resistance technique and by the weight loss technique. SEM / EDS analyzes of the coupons and deposits recovered at the test site provide useful results in determining the corrosion mechanism that can be taken as a basis for evaluating whether the corrosion rate is acceptable at a temperature of high steam or determine the steel that can be used in a superheater at a higher flue gas temperature.

Resumen

La vía más común para el aprovechamiento de la biomasa en la producción de energía es la combustión. Pero, la combustión de la biomasa y sobre todo los residuos de la agricultura cañera (RAC) está asociada a problemas fabriles relacionados con la formación de depósitos indeseables en el proceso y la corrosión, dada la composición química agresiva de este combustible. La incorporación de RAC a la combustión junto con el bagazo amplía la disponibilidad de biocombustible en las plantas generadoras y cogeneradoras de energía eléctrica. Por encima de 500ºC la corrosión se califica como “corrosión en alta temperatura” y la tendencia actual es emplear temperaturas superiores para hacer más eficiente el proceso de producción de vapor de agua sobrecalentado en los sistemas de producción de energía. Un aumento de 110ºC en la temperatura y de 10 MPa en la presión de una caldera de vapor, aumenta su rendimiento en un 15%. Las altas temperaturas incrementan la velocidad de corrosión y constituye el mayor problema que afecta a las aleaciones de sus intercambiadores de calor, lo cual puede causar la reducción significativa del tiempo de servicio del generador y paradas no planificadas que originan graves consecuencias económicas.
La propuesta de Cuba para disminuir el consumo de petróleo incluye el empleo de biomasa en la producción del 14% de la energía eléctrica en el 2030. Las nuevas tecnologías empleadas en las plantas de biomasa que trabajan a temperaturas superiores a los 540ºC exigen utilizar aceros aleados. Las aleaciones más resistentes a la corrosión en alta temperatura, muy por encima de 540ºC, son los aceros inoxidables austeníticos. Ellos no pierden su resistencia mecánica a temperaturas elevadas tan rápidamente como las aleaciones inoxidables ferríticas. El Cr aumenta su resistencia a la corrosión, pero cuando las temperaturas están próximas a 600ºC el Cr2O3(s) tiene como cromato una alta solubilidad en mezclas fundidas de KCl-K2SO4, por lo que se plantea buscar aleaciones más resistentes. El principal elemento aleante que se propone como alternativa para sustituir al Cr es el Al, debido a que este elemento forma una capa de alúmina que ha demostrado ser más protectora que la capa de Cr2O3(s).
Para el estudio in situ de la corrosión a alta temperatura en plantas industriales de biomasa se ha implementado una metodología de determinación de la velocidad de corrosión que brinda datos útiles para la selección de las aleaciones a utilizar en los aceros de los tubos del sobre-calentador. Los ensayos se realizan mediante dos tipos de sondas de medición de la corrosión; por la técnica de resistencia de polarización lineal y por la técnica de pérdida de peso. Los análisis por SEM/EDS de los cupones y los depósitos recuperados en el lugar de los ensayos, brindan resultados útiles en la determinación del mecanismo de la corrosión que se pueden tomar como base para evaluar si la velocidad de corrosión es aceptable a una temperatura de vapor elevada o determinar el acero que se puede emplear en un sobre-calentador a una temperatura de gas de combustión más alta.