Nickel- and iron-based HVOF thermal spray coatings for high temperature corrosion protection in biomass-fired power plant boilers

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Chemical Technology | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2015-01-23
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2015
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
87 + app. 112
Series
VTT Science, 74
Abstract
Biomass burning for production of electricity and heat has been increasing due to legislation in Europe. Growing awareness of environmental problems has led to strict restrictions on greenhouse emissions in the energy sector, and increased demand for higher use of renewable energy sources and carbon-neutral fuels, such as biomass. There are over 1000 biomass boilers in Europe, and the number is increasing. These plants often face serious problems due to high temperature corrosion. Fouling and corrosion in biomass boilers can lead to tube failure and leakage. In addition, demand for higher efficiency of electricity and heat generation requires an increase in steam temperatures, which raises the material temperatures of boiler tubes and may result in more severe corrosion problems. To overcome corrosion damages to boilers, commonly used low-alloyed steels are being replaced by higher-alloy tube materials. However, the high price and sometimes difficult machinability of these materials hinders their adoption. Thermal spray coatings can offer an attractive solution for corrosion protection of boiler tubing. The objective of this work was to determine the corrosion resistance of thermal spray coatings in biomass combustion conditions. The overall research aim was to enhance the lifetime of the heat exchanger surfaces of biomass power plant boilers. The research focused mainly on improving the high temperature corrosion resistance of thermal sprayed HVOF (high velocity oxy-fuel) coatings by optimizing their structure and verification of corrosion performance in biomass boiler conditions. Focus was also placed on determining the corrosion mechanisms of nickel- and iron-based coatings. The corrosion performance of the selected coatings was validated in both laboratory conditions and real biomass boiler conditions. According to this research, the tested HVOF sprayed nickel- and iron-based coatings can offer protection for low-alloy substrates in biomass boiler conditions. The results of the present study will help optimize the coating process for high temperature corrosion applications, and in adopting the use of thermal spray coatings for protection of the heat exchanger surfaces of biomass boilers.

Eurooppalainen lainsäädäntö on lisännyt biomassan käyttöä polttoaineena sähkön ja lämmön tuotannossa. Lisääntynyt ympäristötietoisuus ja huoli maapallon tilasta ovat johtaneet tiukkoihin kasvihuonekaasujen päästörajoituksiin energiasektorilla ja lisänneet uusiutuvien energialähteiden ja hiilineutraalien polttoaineiden kysyntää. Euroopassa on yli 1000 biomassaa polttavaa voimalaitosta ja määrä on kasvamassa. Kuitenkin nämä polttolaitokset kärsivät usein vakavista korkean lämpötilan korroosio-ongelmista. Likaantuminen ja korroosio voivat aiheuttaa putkivaurioita ja pahimmassa tapauksessa putkivuotoja biomassaa polttavissa laitoksissa. Lisäksi energiatehokkuusvaatimukset sähkön ja lämmön tuotannossa johtavat höyryn lämpötilan nostamiseen, mikä aiheuttaa korkeammat materiaalilämpötilat ja mahdollisesti aikaisempaa vakavammat korroosio-ongelmat. Tyypillisesti korroosiota torjutaan vaihtamalla niukkaseosteiset teräkset enemmän seostettuihin putkimateriaaleihin. Nämä ovat kuitenkin kalliita ja niiden työstettävyys on joskus hankalaa, mikä hankaloittaa niiden käyttöönottoa. Termisesti ruiskutetut pinnoitteet voivat tarjota houkuttelevan ratkaisun kattilaputkien korroosionsuojaukseen. Tämä tutkimus tehtiin termisesti ruiskutettujen pinnoitteiden korroosionkestävyyden varmistamiseksi biomassapolton olosuhteissa. Tutkimuksen avulla pyritään nostamaan biomassaa polttavien voimalaitoskattiloiden lämmönvaihdinpintojen elinikää tulevaisuudessa. Työ kohdistui pääasiassa termisesti ruiskutettujen HVOF (suurnopeusruiskutus) -pinnoitteiden korkean lämpötilan korroosionkestävyyden parantamiseen optimoimalla pinnoitteiden rakennetta ja pinnoitteiden korroosionkestävyyden todentamiseen biomassapolton olosuhteissa. Tutkimuksessa tarkasteltiin myös nikkeli- ja rautapohjaisten pinnoitteiden korroosiomekanismeja. Valittujen pinnoitteiden korkean lämpötilan korroosionkestävyys testattiin laboratoriossa ja aidoissa biomassakattiloissa. Tutkimuksen perusteella testatut HVOF-ruiskutetut nikkeli- ja rautapohjaiset pinnoitteet tarjoavat suojan niukkaseosteisille putkimateriaaleille biomassapoltto-olosuhteissa. Tutkimuksen tulokset auttavat optimoimaan pinnoitusprosessia korkean lämpötilan korroosiosovelluksia varten ja mahdollistavat termisesti ruiskutettavien pinnoitteiden käyttöönottoa biomassaa polttavien voimaloiden lämmönvaihdinpintojen korroosion suojaukseen.
Description
Supervising professor
Hannula, Simo-Pekka, Prof., Aalto University, Department of Materials Science and Engineering, Espoo, Finland
Thesis advisor
Turunen, Erja, Prof., VTT Technical Research Centre of Finland, Espoo, Finland
Keywords
thermal spray, coating, process optimization, high temperature corrosion, biomass burning, corrosion protection, terminen ruiskutus, pinnoite, prosessin optimointi, korkean lämpötilan korroosio, biopoltto, korroosiosuojaus
Other note
Parts
  • [Publication 1]: Maria Oksa, Erja Turunen, Tomi Suhonen, Tommi Varis, and Simo-Pekka Hannula. 2011. Optimization and characterization of high velocity oxy-fuel sprayed coatings: techniques, materials, and applications. Coatings, volume 1, number 1, pages 17-52. doi:10.3390/coatings1010017.
  • [Publication 2]: M. Oksa and J. Metsäjoki. Optimizing NiCr and FeCr HVOF coating structures for high temperature corrosion protection applications. Journal of Thermal Spray Technology, published online 20.11.2014. doi:10.1007/s11666-014-0192-0.
  • [Publication 3]: M. Oksa, J. Metsäjoki, and J. Kärki. 2015. Thermal spray coatings for high-temperature corrosion protection in biomass co-fired boilers. Journal of Thermal Spray Technology, volume 24, numbers 1-2, pages 194-205. doi:10.1007/s11666-014-0155-5.
  • [Publication 4]: Maria Oksa, Pertti Auerkari, Jorma Salonen, and Tommi Varis. 2014. Nickel-based HVOF coatings promoting high temperature corrosion resistance of biomass-fired power plant boilers. Fuel Processing Technology, volume 125, pages 236-245. doi:10.1016/j.fuproc.2014.04.006.
  • [Publication 5]: Maria Oksa, Tommi Varis, and Kimmo Ruusuvuori. 2014. Performance testing of iron based thermally sprayed HVOF coatings in a biomass-fired fluidised bed boiler. Surface & Coatings Technology, volume 251, pages 191-200. doi:10.1016/j.surfcoat.2014.04.025.
  • [Publication 6]: Maria Oksa, Satu Tuurna, and Tommi Varis. 2013. Increased lifetime for biomass and waste to energy power plant boilers with HVOF coatings: High temperature corrosion testing under chlorine-containing molten salt. Journal of Thermal Spray Technology, volume 22, number 5, pages 783-796. doi:10.1007/s11666-013-9928-5.
Citation