Salt melt induced corrosion of metallic materials in waste incineration plants

Abstract

This paper presents the analysis of corrosion damages of metallic materials after application in waste fired boilers. The first part gives a description of corroded metallic specimens, collected from different grate fired plants in Germany and it will provide the base information for thermodynamic calculations and laboratory experiments, described in the second part of the paper. In deposits from boiler tubes of waste incinerators there are significant amounts of molten phases, consisting of calcium-, potassium- and sodium-sulfates and/or potassium- and sodium-chlorides containing heavy-metals like lead and zinc. These heavy-metals are decreasing the melting point of the deposits and severe corrosion occurs especially by the molten phase. A thermodynamic approach is given which describes the stability of chlorides with respect to sulfates in deposits from waste fired boilers. It is shown that in HCl-containing gases especially heavy-metal sulfates will react to corresponding volatile chlorides. In addition, laboratory experiments are presented on the effect of heavy-metal sulfates and chlorides in the corrosion of several metallic materials. The experiments were carried out beneath a CaSO4- K2SO4- Na2SO4- ZnSO4- PbSO4 salt mixture at 600 °C, beneath the heavy-metal chlorides PbCl2, ZnCl2 and also beneath a ZnCl2- KCl mixture at 300–600 °C. The results of these studies show clearly the strong corrosive effect of heavy-metal rich salt mixtures in the corrosion of steels and nickel-based alloys. Salzschmelzeninduzierte Korrosion metallischer Werkstoffe in Müllverbrennungsanlagen Die vorliegende Veröffentlichung stellt Korrosionserscheinungen an metallischen Werkstoffen aus Müllverbrennungsanlagen vor. Im ersten Teil wird ausführlich auf die Untersuchung korrodierter Werkstoffe aus deutschen Müllverbrennungsanlagen mit Rostfeuerung eingegangen. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen liefern die Grundlage für die im zweiten Teil vorgestellten thermodynamischen Berechnungen und experimentellen Studien. In den Ablagerungen der Überhitzerrohre aus Müllverbrennungsanlagen bilden sich signifikante Mengen geschmolzener Salze. Diese entstehen zum einen aus Sulfaten des Calziums, Kaliums und des Natriums und/oder Chloriden hauptsächlich des Kaliums und des Natriums, denen in allen Fällen noch Schwermetallchloride wie PbCl2 und ZnCl2 beigemengt sind. Diese Chloride senken den Schmelzpunkt von Anteilen der Beläge deutlich ab, so daß es zur verstärkten Korrosion durch geschmolzene Salze kommt. Thermodynamische Berechnungen dienen zur Beschreibung relevanter Chlorid-/Sulfatgleichgewichte in Ablagerungen aus Müllverbrennungsanlagen. Dabei wird gezeigt, daß speziell Schwermetallsulfate in HCl-haltiger Atmosphäre zu entsprechenden gasförmigen Chloriden umgesetzt werden können. Desweiteren wurden Laborexperimente an unterschiedlichen metallischen Werkstoffen durchgeführt, um die Wirkung von Schwermetallsulfaten und -chloriden auf metallische Werkstoffe genauer zu studieren. Die Experimente wurden durchgeführt unter einer CaSO4- K2SO4- Na2SO4- ZnSO4- PbSO4- Salzmischung bei 600 °C sowie unter den Schwermetallchloriden PbCl2, ZnCl2 und einer ZnCl2- KCl-Salzmischung bei 300–600 °C. Die Ergebnisse der Untersuchungen belegen deutlich den starken korrosiven Effekt schwermetallhaltiger Salzschmelzen auf Stähle und Nickelbasiswerkstoffe.