Fouling of heat exchanger surfaces by dust particles from flue gases of glass furnaces

Abstract

Fouling by dust particles generally leads to a reduction of the heat transfer and causes corrosion of secondary heat exchangers. A deposition model, including thermodynamic equilibrium calculations, has been derived and applied to describe the deposition (i.e. fouling) process and the nature of the deposition products in a secondary heat exchanger. The deposition model has been verified by means of laboratory experiments, for the case of flue gases from soda-lime glass furnaces. Corrosion of iron-containing metallic materials, caused by the deposition products, has been briefly investigated with the same equipment. There is a close similarity between the experimental results and model calculations. The largest deposition rates from flue gases on cylindrical tubes in cross-flow configuration, are predicted and measured at the upstream stagnation point. The lowest deposition rates are determined at downstream stagnation point locations. At tube surface temperatures of approximately 520 to 550 K, the fouling rate on the tube reaches a maximum. In this temperature region NaHSO4 is the most important deposition product. This component is mainly formed at temperatures from 470 up to 540 K. The compound Na3H(SO4)2 seems to be stable up to 570 K, for even higher temperatures Na2SO4 has been found. These deposition products react with iron, SO3, oxygen and water vapour forming the complex corrosion product Na3Fe(SO4)3. NaHSO4, which is formed at tube surface temperatures below 540 K, causes more severe corrosion of iron-containing materials than Na2SO4. Maintaining temperatures of the heat exchanger surfaces above 550 to 600 Κ reduces the fouling tendency and corrosion in case of flue gases from oil-fired soda-lime glass furnaces. Ablagerungen von Staubpartikeln in Sekundärwärmetauschern hinter Regeneratoren oder Rekuperatoren haben eine Reduzierung der Wärmeübertragung zur Folge. Ein Staubablagerungsmodell, das thermodynamische Gleichgewichtsberechnungen einschließt, wurde zur Beschreibung der Ablagerungsprozesse und der Ablagerungsprodukte entwickelt und angewendet. Das Modell wurde durch Laborexperimente mit simulierten Rauchgasen von Kalk-Natronglasschmelzöfen getestet. Mit dieser experimentellen Anordnung wurde außerdem die Korrosion von eisenhaltigen metallischen Werkstoffen bestimmt. Zwischen experimentellen Ergebnissen und Modellberechnungen wurde eine gute Übereinstimmung gefunden. Die höchsten Ablagerungsraten der Rauchgase an den Wärmetauscherrohren für den Fall von Queranströmung finden sich am stromaufwärts gelegenen Staupunkt. Am stromabwärts liegenden Staupunkt wurden sowohl bei den Berechnungen als auch bei den Experimenten die niedrigsten Ablagerungsraten bestimmt. Bei Zylindertemperaturen von 520 bis 550 Κ sind die Raten sehr hoch, und das Ablagerungsprodukt ist hauptsächlich NaHSO4. Von 470 bis ungefähr 540 Κ wird NaHSO4 gebildet, bis 570 Κ ist wahrscheinlich Na3H(SO4)2 stabil, und bei höheren Temperaturen bestehen die Staubpartikel hauptsächlich aus Na2SO4. Die ersten zwei Produkte werden aus Na2SO4 gebildet durch Reaktion mit SO3 und Wasserdampf und können weiter reagieren mit Eisen, wobei komplexe Korrosionsprodukte wie Na3Fe(SO4)3 entstehen. Bei Oberflächentemperaturen der Wärmetauscherrohre unter 540 Κ entsteht NaHSO4, das eisenhaltige Werkstoffe stärker korrodiert als Na2SO4. Deshalb sollten in ölbefeuerten Kalk-Natronglasschmelzwannen diese Temperaturen möglichst oberhalb von 550 bis 600 Κ liegen.