Desenvolvimento de revestimento para tubulação de caldeiras de centrais termelétricas que operam a carvão mineral
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Data de Publicação: | 2017 |
Tipo de documento: | Dissertação |
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Título da fonte: | Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UERJ |
Texto Completo: | http://www.bdtd.uerj.br/handle/1/11740 |
Resumo: | Generation is the segment of the electricity industry responsible for producing electricity and injecting it into the transmission (distribution and distribution) systems to reach consumers. Of the thermoelectric generation, approximately 9% of the generation of energy comes from thermal power plants that use coal as fuel. Brazilian coal has a high content of impurities and a low calorific value. The "water wall" pipes of the boilers, in which the water circulates, will become the steam that will drive the turbine are subject to high temperature and aggressive environment of the erosion caused by the gas and particulate fluxes resulting from the incomplete burning of the coal. The metal parts of the interior of the boiler, and especially the pipes of the water wall, suffer from marked wear due to the ash composition of the coal, particles rich in silica, alumina and iron oxide. The process of attacking the metal surfaces, potentially, is able to reduce the thickness of the pipes and, consequently, increase the frequency of occurrence of perforations causing unit unavailability. The objective of the present study was to elaborate a composite coating with ceramic resin and carbon fiber fabric in order to protect and delay the wear process of the metallic surfaces of coal fired boilers. For the characterization and validation of the coating, tests of abrasion wear, abrasive blasting wear, adhesion tests, tensile tests, thermal efficiency evaluation, cost analysis and thermal simulation on the critical temperature of the boilers were performed. The adhesion tests met ASTM D4541 and coatings were considered to be successful in the adhesion to substrate aspect. In the results obtained in the continuous friction and abrasive blast abrasion tests, the coating schemes did not demonstrate significant difference between them in terms of prolongation of the substrate protection time. In this manner, the use of the first coating scheme is indicated. The use of the coating implies a reduction of 8% tube wall exchange and an increase in fuel-related expenses of approximately 3.3%. In the thermal simulation test it was found that the coating degraded after a few hours exposure to high temperature (550°C). Therefore, despite the reduction of thermal exchange efficiency and cost were considered relatively high, this deleterious result on the materials obtained in the thermal simulation at the boilers operating temperature apparently disqualified the proposed coating for use in the specified situation. |
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Of the thermoelectric generation, approximately 9% of the generation of energy comes from thermal power plants that use coal as fuel. Brazilian coal has a high content of impurities and a low calorific value. The "water wall" pipes of the boilers, in which the water circulates, will become the steam that will drive the turbine are subject to high temperature and aggressive environment of the erosion caused by the gas and particulate fluxes resulting from the incomplete burning of the coal. The metal parts of the interior of the boiler, and especially the pipes of the water wall, suffer from marked wear due to the ash composition of the coal, particles rich in silica, alumina and iron oxide. The process of attacking the metal surfaces, potentially, is able to reduce the thickness of the pipes and, consequently, increase the frequency of occurrence of perforations causing unit unavailability. The objective of the present study was to elaborate a composite coating with ceramic resin and carbon fiber fabric in order to protect and delay the wear process of the metallic surfaces of coal fired boilers. For the characterization and validation of the coating, tests of abrasion wear, abrasive blasting wear, adhesion tests, tensile tests, thermal efficiency evaluation, cost analysis and thermal simulation on the critical temperature of the boilers were performed. The adhesion tests met ASTM D4541 and coatings were considered to be successful in the adhesion to substrate aspect. In the results obtained in the continuous friction and abrasive blast abrasion tests, the coating schemes did not demonstrate significant difference between them in terms of prolongation of the substrate protection time. In this manner, the use of the first coating scheme is indicated. The use of the coating implies a reduction of 8% tube wall exchange and an increase in fuel-related expenses of approximately 3.3%. In the thermal simulation test it was found that the coating degraded after a few hours exposure to high temperature (550°C). Therefore, despite the reduction of thermal exchange efficiency and cost were considered relatively high, this deleterious result on the materials obtained in the thermal simulation at the boilers operating temperature apparently disqualified the proposed coating for use in the specified situation.A geração é o segmento da indústria de eletricidade responsável por produzir energia elétrica e inseri-la nos sistemas de transporte (transmissão e distribuição) para que chegue aos consumidores. Da parcela de geração termelétrica, aproximadamente 9% da geração de energia provém de centrais térmicas que utilizam carvão mineral como combustível. O carvão brasileiro possui um alto conteúdo de impurezas e um baixo poder calorífico. Os tubos das paredes d água das caldeiras nos quais circula a água que se transformará no vapor que movimentará a turbina, estão sujeitos a alta temperatura e ambiente agressivo da erosão causada pelos fluxos de gases e particulados resultantes da queima incompleta do carvão. As partes metálicas do interior da caldeira e, em especial, os tubos da parede d água, sofrem desgaste acentuado em função da composição das cinzas do carvão mineral, partículas ricas em sílica, alumina e óxido de ferro. O processo de ataque às superfícies metálicas, potencialmente, é capaz de reduzir a espessura dos tubos e, por consequência, aumentar a frequência de ocorrência de perfurações, causando a indisponibilidade da unidade. O objetivo do presente trabalho foi elaborar um revestimento composto com resina cerâmica e tecido de fibras de carbono com a finalidade de proteger e retardar o processo de desgaste das superfícies metálicas das caldeiras movidas à carvão mineral. Para a caracterização e validação do revestimento foram realizados testes de desgaste por abrasão, desgaste por jateamento abrasivo, testes de adesão, ensaios de tração, um modelo de transferência de calor / eficiência térmica análise de custos e simulação térmica na temperatura crítica de operação das caldeiras. Os testes de adesão atenderam à norma ASTM D4541 e os revestimentos foram considerados bem sucedidos no aspecto adesão ao substrato. Nos resultados obtidos nos ensaios de abrasão por fricção contínua e por jateamento abrasivo, os esquemas de revestimento não demonstraram entre si diferença significativa quanto prolongamento do tempo de proteção do substrato. Desta maneira, indica-se o uso do primeiro esquema de revestimento. O uso do revestimento implica em uma redução da troca térmica da parede do tubo de 8% e um aumento de despesas relacionadas ao combustível de aproximadamente 3,3%. No teste simulação térmica foi constatado que o revestimento degradou-se após poucas horas de exposição à alta temperatura (550 °C). Então, apesar da redução de eficiência de troca térmica e o custo terem sido considerados relativamente elevados, este resultado deletério sobre os materiais obtido na simulação térmica na temperatura de operação das caldeiras aparentemente foi o que desqualificou o revestimento proposto para uso na situação especificada.Submitted by Boris Flegr (boris@uerj.br) on 2021-01-06T19:13:37Z No. of bitstreams: 1 Pamella Kesseler de Campos.pdf: 2940679 bytes, checksum: 74a35f9273b241ef3df7c5572e076183 (MD5)Made available in DSpace on 2021-01-06T19:13:37Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Pamella Kesseler de Campos.pdf: 2940679 bytes, checksum: 74a35f9273b241ef3df7c5572e076183 (MD5) Previous issue date: 2017-08-21application/pdfporUniversidade do Estado do Rio de JaneiroPrograma de Pós-Graduação em Engenharia MecânicaUERJBRCentro de Tecnologia e Ciências::Faculdade de EngenhariaMechanical EngineeringSurfaces, PipesBoilerCoatingCarbon fiberCeramic resinEngenharia mecânicaSuperfícies, TubulaçõesCaldeiraRevestimentoFibra de carbonoResina cerâmicaCNPQ::ENGENHARIASDesenvolvimento de revestimento para tubulação de caldeiras de centrais termelétricas que operam a carvão mineralBoiler tubes coating development for thermoelectric power plants whose operate using coal as fuelinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UERJinstname:Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ)instacron:UERJORIGINALPamella Kesseler de Campos.pdfapplication/pdf2940679http://www.bdtd.uerj.br/bitstream/1/11740/1/Pamella+Kesseler+de+Campos.pdf74a35f9273b241ef3df7c5572e076183MD511/117402024-02-27 15:31:11.992oai:www.bdtd.uerj.br:1/11740Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttp://www.bdtd.uerj.br/PUBhttps://www.bdtd.uerj.br:8443/oai/requestbdtd.suporte@uerj.bropendoar:29032024-02-27T18:31:11Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UERJ - Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ)false |
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