Yüksek hacimli Malzemenin Kömür-Fired Power Generation Evriminin Evrimi

Kömür enerji santralleri dünya çapında önemli bir elektrik kaynağı olarak kalır, özellikle de temel yük nesli önemli olan bölgelerde.Süresel enerji tesisleri, onlarca yıldır faaliyet gösteren, yüksek ısıtıcıları ve ısıtıcıları ile elde etmek için en etkili yöntemlerin bozulmasına yardımcı olur.Bu, yüksek ısıtıcıları, yüksek enerjili maddeleri, yüksek enerjilileri ve korozyona karşı en yüksek basınçları inceler.

Yüksek hacimli bileşenlerdeki temel zorluklar

Bir kömür santralındaki bileşenler sadece yüksek sıcaklıklara değil aynı zamanda koreatif yanma gazlarına, ash depozisyona ve termal bisiklete de dayanmalıdır: birincil başarısızlık mekanizmaları şunlardır:

  • [FONT:0)Creep:[Dönetici:[Dönetici: 0,4] Yavaş, yüksek sıcaklıklarda sürekli stres altında zaman bağlı deformasyon, özellikle de türbinlerin bıçakları ve kazan tüplerinde problemli.
  • [FONT:0)Oxidation: [Dönetici: [Dönüşük: 0,3] Yüksek sıcaklıklarda oksijen ile malzemenin reaksiyonları, duvar kalınlığını azaltabilecek oksit ölçekleri oluşturmak.
  • [FONT:0)Hot korozyon: [DÜDÜT:1] Kömürde kasvetli tuzlar tarafından yapılan saldırı, sodyum, potasyum ve kullanım alanı gibi, maddi kaybı hızlandıran.
  • [FONT:0] ⁇ Fatigue:[Dönetici:[Dönetici:0) Sürekli termal bisiklete neden olan Cracking, sık sık başlangıç ve kapanma deneyimleyen bileşenlerde ortak.

Austenitic paslanmaz çelikler gibi geleneksel malzemeler (örneğin, 304H, 347H) ve nikel tabanlı süperalloys (e.g., Inconel 617, Haynes 230) endüstriye iyi hizmet etti, ancak daha sonraki performansa göre daha temel olarak farklı yaklaşımlar gerektirir.

Oksijen-Enhanced Alloys: Bir Koruyucu Zırhlı Bina

Yüksek sıcaklık bileşenlerinin ömrünü uzatacak en etkili stratejilerden biri, hem yoğun hem de sağlam bir oksit tabakası oluşturmak, diffüzyon bariyeri olarak hareket eden daha fazla oksit tabakası oluşturmak için tasarlanmıştır. Oksijen-enhanced alaşımlar alumina (Al2O3) veya Kromia (Cr2O3).

Alumina-Forming Alloys

Alumina ölçekleri, FeCrAl (iron-chromium-aluminum) ve NiAl bazlı kaplamalar, 1300 °C'ye kadar koruyucu olan ince, sürekli bir ışık tabakası sunar.Bu malzemeler buharlı kombinler ve buhar iyonları gibi toparlamalar için değerlendirilir.

Chromia-Forming Alloys with Reaktif Elements

Jetrium, cerium veya kromat-form alaşımları artırmak oksit bağlılıklarını artırmak ve büyüme oranlarını azaltmak için küçük miktarlarda reaktif elementler ekleyin.Bu teknik, daha uzun kaplama yaşamında ve daha iyi termal bisiklet direnci ile sonuçlanan.

Ulusal Enerji Teknolojisi Laboratuvarı (NETL) gibi kurumlarda araştırma, birkaç ticari kömür santrallerinde bir ışıklandırmak için kullanılan çelikler olduğunu göstermiştir.

Seramik Matrix Composites: Hafif Şampiyonlar

Seramik matrix kompozitler (CMC) yüksek sıcaklık malzemelerinin bir paradigma değişikliğini temsil eder. Metallerin aksine, seramikler doğal olarak oksidasyona karşı direnir ve yüksek erime noktalarına sahiptir, ancak yüksek çözünürlükte seramik elyaflar (örneğin silikon siyonlar, SiC) ve ısı koruyucuları gibi yüzeylerde çalışır.

SiC/SiC Kompozitleri

Güç nesli için en olgun CMC sistemi silikon elyaf takviyeli silikon matrix (SiC/SiC) ile donatılmıştır. Bu kompozitler mükemmel ürpertici direnci, yüksek termal iletkenliği ve termal şoklara karşı iyi direnç göstermektedir. Yaklaşık üçte biri, nikel bazlı süperalloyların yoğunluğu, hafif dönen bileşenlere izin verir ve sente yükleri azaltır. [Dönergeli gaz türbinlerinin] [Düzerli gaz türbinlerini kullanır.

Oksit-Oxide Composites

SiC'ye yapılan buhar saldırısının endişe verici olduğu ortamlar için, oksit-oksit CMC'ler (bir ışıklı bir matrixte bir ışık veya mullite matrisi) alternatif sunmak. Bu malzemeler oksitli atmosferlerde doğal olarak istikrarlı ve yanlı rigler ve kazan bileşenlerde test edilmiştir. Ancak, onların gücü SiC/SiC'den daha düşük, onları kanal ve egzoz sistemleri gibi statik yapılar için daha uygun hale getirmek.

CMC'li bir meydan okuma metalik bileşenlere katılıyor, termal genişlemedeki farklılıklar, arayüzlerde strese neden olabilir. derece katmanlılar kullanarak ve uyumlu metal kaplamalar geliştiriliyor.Sokak Ulusal Laboratuarı'nda araştırmacılar SiC/SiC ve Inconel 617 arasında başarıyla korelasyon gösterdiler.

Rerakter Metaller: Sınırda Yüksek Güç

En aşırı koşullar için, Tıraşlı metaller gibi rerakter metaller ve onların alaşımları hızla yüksek sıcaklıklarda çok yüksek ısıtılırlar.Bu metaller, nikel tabanlı süperalloyların yeteneklerinin ötesinde. Ancak, Achilles'in heel zayıf oxidasyon direncidir - yüksek sıcaklıklardan dolayı hızlı bir şekilde ısıtılırlar.

Rerakter Metaller için koruyucu kaplamalar

Kömür gücündeki rerakter metallerin kullanımını engellemeye yardımcı olmak, silikon üst kaplamalarla sağlam koruyucu kaplamalar gerektirir (örneğin, MoSi2 ve WSi2), 1200 °C'de oksijene karşı dirençli bir tabaka oluşturur.

Başka bir yaklaşım, yüksek güç verirken borosilicate cam tabakaları geliştirmektir.Bu alaşımlar bir sonraki nesil ultra-dok (Mo-Si-B) alaşımları için düşünülmüş, örneğin, yüksek güç sağlarken borosilicate cam tabakaları geliştirir.

Gelişmiş Kaplamalar ve Yüzey Tedavisi

En iyi substrat malzemeleri bile genellikle sert kömür enerji ortamında hayatta kalmak için koruyucu kaplamalar gerektirir. Kaplamalar birden fazla işleve hizmet eder: korozyona ve oksidasyona karşı bir bariyer sağlarlar, termal bariyer etkilerinden ısıtılırlar ve hatta kendi kendine özgü mikroklavlar yapabilirler.

Termal Engel Kaplamaları (TBCs)

TBCs genellikle bir seramik topcoat (genellikle yttria-stabilized zirconia, YSZ) metalik bir bağ ceketi üzerinde uygulanan. YSZ'nin düşük termal iletkenliği 100-200°C'ye kadar, önemli ölçüde genişletilmiş bir parça ömrüne kadar azalır.

Diffüzyon Kaplamaları

Diffüzyon kaplamaları, alüminyum (aluminasyon) veya kromat (kromülme) ile yüzey tabakasını zenginleştirir ve oxidasyon direnci sağlayan metalik bileşikler oluşturur. Modern paket çimento ve kimyasal buharlaştırma süreçleri kaplama kompozisyonu ve kalınlığı üzerinde kesin kontrol sağlar. Yenier bi-katlı sistemler, sinerjik bir beton tabakası ile bir iç ışık tabakası birleştirir.

Kendi kendini kınayan

Bir atılım alanı, yüksek sıcaklık laboratuarlarında otonom olarak tamir çatlakları oluşturan kendi kendini kınayan kaplama kaplamalar, çoklu çatlaklardan sonra oksidasyon direncini geri yükleyebiliyor, potansiyel olarak doubling bileşeni olarak bu akış çatlaklara ve onları yüksek sıcaklıklara maruz kaldığında mühürliyor.

Komplek Geometri için Üretim Yeniliği

Gelişmiş malzemelerin başarılı dağıtım sadece kompozisyona değil, aynı zamanda karmaşık şekilleri olan kusursuz bileşenler üreten üretim süreçleridir. Katkı üretimi (3D baskı) yüksek sıcaklık parçalarının üretimini devrimleştirmektir.

Nickel-Based Superalloys'in Katkı İmalatı

Lazer toz yatak füzyon ve enerji ayrıştırma yakın-net-shape Türbin bıçakları ve Vane segmentleri geleneksel olarak atlatabilmeleri mümkün olacaktır. Bu, tasarımcıların hem ısı transferleri hem de mekanik güç için geometriyi optimize etmesine izin verir. Kontrollü oksijen ve karbon içeriği ile özelleştirilmiş toz kompozisyonları Inconel 939 ve CM247LC gibi alaşımlarda çatlakları üretmek için geliştirilir.

Seramik 3D Printing

CMC'lerin ek üretimi daha zor ama hızla ilerliyor. Binder jetting infiltrasyon ve pyrol ile SiC/SiC bileşenleri karmaşık iç özellikleri ile üretebilir. Stuttgart Üniversitesi'ndeki araştırmacılar, bıçak ısısını 150 °C'ye kadar azaltan entegre soğutma kanallarıyla baskıya sahiptir.[0).

Vaka Çalışmaları: Yeni Malzeme Performansı

Birkaç gösteri programı, gelişmiş yüksek sıcaklık malzemelerinin gerçek kömür bitki koşullarındaki performansını doğruladı.

Gelişmiş Ultra-Super critical (A-USC) Kazan Malzemeleri

ABD Enerji A-USC programı, 5 MW. pilot kazanda buharlı su ısıtıcısı için aday alaşımları test etti.Inconel 740H ve Haynes 282 tam boy maruz kalma için değerlendirildikten sonra, her iki alaşım da kabul edilebilir ve oxidasyon performansı gösterdi, Inconel 740H üstün buharlı direnç sergiledi.

CMC Koud Segmentleri Kömür-Fired Türbinlerde

Illinois'de 500 MW kömür santrali, SiC/SiC shroud segmentleri ilk aşama türlerinde kuruldu ve 8,000 saatten fazla ameliyat etti. CMCs, daha geniş bir erozyon veya oksidasyon için yol göstermedi ve daha düşük ısı iletkenliği, ısı transferini rotora düşürdü, % 0,5 oranında artırdı. Bu pilot proje CMC'lerin şiddetli bir ortamdaki feazibilitesini gösterdi.

Ekonomik ve Çevresel Bakışlar

Gelişmiş malzemelerin benimsenmesi daha yüksek fiyatlarla gelir, ancak yaşam döngüsü ekonomileri genellikle olumludur. Örneğin, metalik meslektaşları ile beş kat daha pahalı olmasına rağmen,% 2 ve daha uzun hizmet yaşamlarında, 20 yıl boyunca 300 dolar tasarruf etmek için geçici olarak daha fazla maliyet kazandırmaktadır.

Çevresel faydalar eşit derecede zorlayıcıdır. Yüksek verimlilik, megawatt-saat başına CO2 emisyonlarını azaltır ve azaltılır. Ayrıca, gelişmiş malzemeler kömür santrallerinin daha esnek çalışmasını sağlar - geçici yenilenebilir enerjilerini tamamlamak için hızlı bir şekilde - bu esnekliğin, değiştirilebilir kaynaklanma ömrünü korumak için önemlidir.

Future Outlook: Next-Generation Materials

Devam eden araştırmalar yüksek sıcaklık malzeme performansının sınırlarını zorlamaya devam ediyor. Anahtar eğilimleri şunları içerir:

  • [FONT:0) Yüksek performanslı yüzeyler (HEPA): [FONTT:1) Bu alaşımlar birden çok temel element içerir ve yüksek sıcaklıklarda olağanüstü mekanik özelliklerle tek fazlı veya multi-faze mikroyapılar oluşturabilir. CoCrFeNiAl- bazlı HEAs 900°C'nin üzerinde ürpertici direniş için incelenir.
  • [FONT:0]MAX Fazlar: [Dönemli: 1) Seramik ve metallerin özelliklerini birleştiren bir tabakalı ternary bileşikleri sınıfı.Onlar chinable, hasar tolerant ve termal şoka karşı dayanıklıdırlar. Ti2AlC ve Cr2AlC yüksek sıcaklık elektrik kontakları ve ısıtma elementleri için umut vericidir.
  • [FONT:0]Nanoyapılı Kaplamalar:[Dönetici: 0,4][/FONT=0) Katı kaplamalar gibi daha fazla tahıl sınırı sağlayarak yüksek oksidasyon direncini sergileyebilir.
  • [FONT:0) Dijital Twins ve Machine Learning:[Döneticileri) Tahmin eden Predictive modeller malzeme seçimi ve bakım programlarını optimize edebilir. Alan verileri üzerinde eğitilmiş makine öğrenme algoritmaları, başarısız gerçekleşmeden önce bileşeni önerebilir.

Ürünler, araştırma laboratuvarları ve üreticiler, Avrupa Birliği'nin H2020 projesi gibi bu yeniliklerin ticarileştirilmesini hızlandırmaları için gerekli olacaktır. ”Yeni Malzemeler Yüksek Enerji Bakanlığı'nın "Crosscutting Research" inisiyatifi, yüksek hacimli kömür üretimi için finansman sağlayacaktır.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Yüksek sıcaklık malzemeleri kömür santralleri için evrimi, her yeni malzeme belirli bir başarısızlık mekanizmasına hitap ediyor ve birleştirilmiş patentler, seramik matrisler, yüksek karbonlu enerjiye geçiş yapan metaller, ve kendi kendine özgü yüzey tedavilerinin operasyonel zarfını sürdürüyorlar. Her yeni malzeme belirli bir başarısızlık mekanizmasına hitap ediyor ve bir araya getirilen bir uygulama, kömür tesislerini daha verimli, seramik matrisleri ve daha esnek hale getirme vaatlerini bir araya getiriyor.