氟塑料換熱器應用于超低排放燃煤機組的可行性研究

鮑 聽，李復明， 李文華， 柳秀實

（1.浙江浙能技術研究院有限公司，杭州 310003；2.浙江浙能溫州發(fā)電有限公司，浙江 溫州 325602）

氟塑料換熱器應用于超低排放燃煤機組的可行性研究

鮑 聽1，李復明1， 李文華2， 柳秀實2

（1.浙江浙能技術研究院有限公司，杭州 310003；2.浙江浙能溫州發(fā)電有限公司，浙江 溫州 325602）

超低排放機組的水媒管式煙氣換熱器長期在酸露點溫度以下服役，面臨冷凝酸液腐蝕、積垢等問題，選擇合適的材料才能保證設備的安全穩(wěn)定運行。相比于傳統(tǒng)的金屬材料，聚四氟乙烯、可熔性聚四氟乙烯以及氟化乙烯丙烯共聚物等氟塑料在耐腐蝕、抗積灰方面具有顯著的優(yōu)勢。從材料特性、換熱器設計、經濟性等方面，對氟塑料換熱器在超低排放燃煤機組中的應用可行性進行了研究。

氟塑料；超低排放；水媒管式煙氣換熱器

0 引言

WGGH（水媒管式煙氣-煙氣換熱器）是超低排放煙氣處理系統(tǒng)的重要組成部件，通過煙氣冷卻器吸收脫硫前原煙氣的熱量，再由煙氣加熱器對脫硫后的凈煙氣進行加熱，從而消除煙囪“冒白煙”、“石膏雨”等污染現象，同時還能降低脫硫耗水量。

WGGH換熱器布置于鍋爐尾部煙道，長期在酸露點溫度以下服役，面臨低溫腐蝕[1]、飛灰積垢等問題，工作環(huán)境惡劣。目前已投運超低排放機組的WGGH換熱器一般采用ND鋼、316L等金屬管材制造，由于腐蝕引起的泄漏、積垢導致的換熱效率下降等問題較為突出。因此，有必要尋找更為合適的換熱器材料，從根本上提高WGGH的效能和壽命，確保機組運行的安全性以及可靠性。

氟塑料是部分或全部氫被氟取代的烷烴類聚合物，具有極為優(yōu)異的耐腐蝕、抗老化、非粘附等特性，被稱為“塑料王”，其特殊性能使之成為WGGH的理想候選材料。氟塑料在化工行業(yè)中作為防腐材料已得到廣泛應用，但作為換熱器應用于火力發(fā)電廠則是一個全新的領域，國內的相關研究較少。以下從材料特性、換熱器設計及經濟性方面對氟塑料換熱器在超低排放機組中的應用可行性進行了研究。

1 氟塑料的材料特性

1.1 主要氟塑料類別

目前工業(yè)化生產的氟塑料主要有PTFE（聚四氟乙烯）、PFA（可熔性聚四氟乙烯）、FEP（氟化乙烯丙烯共聚物）等。其中，PTFE在所有氟塑料中具有最好的耐腐蝕、耐高溫性能，應用最為廣泛。PFA是新開發(fā)的氟塑料品種，在具備良好的耐腐蝕、耐高溫性能的基礎上，還有較好的熱加工性能，可用于制造氟塑料焊條以及毛細換熱管。FEP的耐腐蝕、耐高溫性能不如前兩者，但熱加工性能很好，一般用于防腐要求不高的領域。以上3種氟塑料的基本特性列于表1。

表1 氟塑料類別及其特性對比

由于燃煤鍋爐尾部煙道溫度通常在70～250℃范圍，因此采用耐高溫性能最好且應用廣泛的PTFE制造煙氣換熱器較為合適。

1.2 耐腐蝕性能

圖1 換熱器材料浸泡試驗失重速率

PTFE只含有氟與碳2種元素。由于氟原子的電負性在所有化學元素中最高，氟碳鍵的鍵能非常大，使得氟塑料的分子結構非常穩(wěn)定，呈現化學惰性，在常溫下幾乎不會被任何酸、堿或鹽類溶解。

以下研究設計了浸泡試驗，模擬低溫腐蝕工況，對PTFE及常用金屬材料的耐腐蝕性進行定量對比。腐蝕液成分30%H2SO4+HCl（3 000 mg/L）+HF（20 mg/L），試驗溫度70℃，時間72 h。

圖1給出了各種材料在浸泡試驗中的腐蝕速率。可以看到，所有金屬材料在浸泡72 h后均發(fā)生了腐蝕，其中316L的腐蝕速率為1.9 g/（m2·h），而PTFE無任何腐蝕失重，表現出極佳的耐腐蝕性能。

對已投用超低排放機組WGGH進行的調研，也證實了金屬換熱器在低溫煙氣中易發(fā)生腐蝕。圖2為某1 000 MW機組于2014年完成超低排放改造運行8個月后的照片，可以看到WGGH煙氣加熱器的316L管殼發(fā)生了嚴重的點蝕。

圖2 某1 000 MW機組煙氣加熱器管殼的腐蝕

表2為該機組WGGH不同位置垢樣的等效pH值及離子濃度（每份垢樣取1 g，溶解于50 mL去離子水中，測得的數據）。測試結果顯示，煙氣加熱器垢樣的pH值較低，且含有較高的Cl-以及SO42-。

表2 某1 000 MW機組WGGH垢樣分析 mg/L

根據文獻[2]，即使是昂貴的高鎳耐蝕合金，如C22與Alloy59等，在含有氯離子的硫酸溶液中的耐腐蝕性能也不甚理想。由于氟塑料的耐腐蝕性能極為優(yōu)異，若采用氟塑料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬材料制作換熱器，能夠有效地解決WGGH的腐蝕問題。

1.3 抗積垢性能

WGGH煙氣換熱器工作區(qū)域的煙氣溫度較低，在換熱管表面產生的酸性冷凝液不僅會腐蝕換熱器，還會粘附飛灰形成灰垢。灰垢在金屬管壁上不斷積累，會形成堅硬的水泥狀包覆層，牢牢附著在管壁上，很難進行徹底的清理。圖3為某1 000 MW超低排放機組運行約8個月左右，WGGH換熱器金屬管表面的積垢情況。

圖3 某1 000 MW機組WGGH換熱器積垢

積垢會對WGGH的換熱效率造成顯著影響，該機組運行時間不到1年，由于金屬換熱管積垢嚴重造成換熱效率下降，需要頻繁投用蒸汽補熱才能使排煙溫度達到設計值（≥80℃）。WGGH換熱管的積垢問題在新建及改建的超低排放機組中普遍存在，已經成為困擾WGGH安全運行的一大難題。

PTFE聚合物中的碳原子鏈被氟原子完全覆蓋，表面能非常低，難以與其他物質發(fā)生吸附作用，也不會被水、油等液體所潤濕，因此具有極佳的抗積垢性能。圖4為德國Lippendorf發(fā)電廠于1995年對PTFE換熱管進行清潔度測試的照片，試驗證明PTFE換熱管在鍋爐尾部煙氣中工作較長時間后，表面仍能保持清潔，僅有少量浮灰附著。

圖4 PTFE換熱管清潔度測試

采用氟塑料換熱器，可解決WGGH的積垢問題。此外，由于氟塑料不會被水潤濕，因此可采用噴淋裝置對換熱管進行在線清洗，清除換熱管表面的浮灰，令換熱器在運行過程仍能保持良好的清潔度。

1.4 傳熱性能

PTFE其熱導率（λ）較低，僅為0.24 W/（m·K），而金屬材料的熱導率一般為10～50 W/（m·K）。如圖5所示，PTFE的熱導率與金屬材料相比有較明顯的差距。

圖5 常用換熱器材料在25℃時的熱導率

但是，較低的熱導率并不會影響氟塑料作為換熱器材料的工程應用。因為氟塑料可以制作成小直徑薄壁管，從而提高換熱管的傳熱系數，彌補材料熱導率的不足。根據傳熱學原理，管束式換熱器的傳熱系數可按照公式（1）計算。

式中：Ko為外表面平均傳熱系數；hi為管內壁換熱系數；ho為管外壁換熱系數；ri為管內壁污垢熱阻；ro為管外壁污垢熱阻；λ為熱導率；di為管內徑；do為管外徑。

以Ф38 mm×2 mm 316L管、Ф6 mm×0.6 mm PTFE管為例，假設兩者在相同的鍋爐尾部煙氣中工作，查閱文獻[3]，取hi=120 W/（m2·K），ho=5 000 W/(m2·K)，不考慮污垢熱阻，根據公式（1）計算兩者的傳熱系數：

計算結果顯示，PTFE管的初始傳熱系數是316L管的76.5%。在實際使用過程中，金屬管的傳熱系數會隨著污垢增加而顯著下降，而PTFE管由于具備抗污垢的特性，傳熱系數能夠基本保持恒定。

綜合上述分析，通過選擇合適規(guī)格的管材，氟塑料換熱器的傳熱性能可以接近金屬換熱器的水平。

2 氟塑料換熱器的設計

2.1 換熱器結構

氟塑料換熱器在工作原理上與傳統(tǒng)金屬換熱器沒有本質區(qū)別，但由于材料特性的不同，氟塑料換熱器在實際應用時需進行有針對性的設計，例如：

（1）為了克服氟塑料導熱系數低的缺點，氟塑料換熱器需要采用小直徑薄壁管密集布置的結構，以獲得與金屬換熱器相當的傳熱性能。但管壁不能太薄，以保證有足夠的耐壓能力。管束也不宜太密，以免增加煙氣側的壓損。

（2）由于氟塑料管具有柔性，水平放置時會產生彎曲，因此換熱管適宜采用U型垂直布置，并采用框架和夾具對換熱管束進行固定。

（3）取消傳統(tǒng)的蒸汽吹灰器，改用噴水裝置對換熱器進行定期的在線清洗。

（4）對換熱器殼體的內壁、支撐梁等金屬部件包覆氟塑料，以提高換熱器整體的耐腐蝕等級。

為了探索氟塑料換熱器作為WGGH應用于燃煤機組的工程可行性，設計并制作了小型試驗裝置，放置于某330 MW機組的脫硫吸收塔出口煙道。對氟塑料換熱器在鍋爐尾部煙道惡劣工況下長期運行的可靠性進行驗證。圖6、圖7分別為試驗裝置的結構及設計參數。

圖6 氟塑料換熱器試驗裝置結構

2.2 布置方式

超低排放燃煤機組的WGGH一般采用2種布置方式。方式一是將煙氣冷卻器布置在空預器與靜電式除塵器之間，而煙氣加熱器則布置于濕式電除塵器與煙囪之間，如圖8所示。

圖7 氟塑料換熱器試驗裝置設計參數

圖8 WGGH布置方式一

方式二是將煙氣冷卻器布置在靜電式除塵器與脫硫吸收塔之間，而煙氣加熱器仍然布置在濕式電除塵器與煙囪之間，如圖9所示。

圖9 WGGH布置方式二

當采用布置方式一時，煙氣冷卻器可以獲得較高的溫壓，但由于煙氣溫度以及飛灰含量較高，氟塑料換熱管在該位置長期運行可能會面臨蠕變以及飛灰磨損的風險。當采用布置方式二時，煙氣冷卻器所處位置的煙溫已接近酸露點溫度，冷凝酸液開始形成，氟塑料換熱管恰好可以發(fā)揮耐腐蝕的優(yōu)勢，而且煙氣加熱器與煙氣冷卻器的距離更近，整套WGGH設備也可以設計的更緊湊、高效。

布置方式一、二的煙氣加熱器均位于濕式電除塵器之后。由于濕式電除塵器會定期進行噴水操作，使煙氣攜帶有水霧滴，這些水霧滴中含有較高的Cl-與SO42-，容易對金屬換熱管的迎風面造成腐蝕。若煙氣加熱器采用氟塑料換熱管，則可有效解決腐蝕問題。

基于以上比較和分析，采用氟塑料換熱器時，WGGH適宜采用布置方式二。

3 氟塑料換熱器經濟性分析

圖10給出了金屬以及氟塑料換熱管的原材料價格，可以看到氟塑料換熱管40萬元/t的價格，高于316L、鈦等大多數金屬材料，但仍低于哈氏合金C22，后者的價格高達52萬元/t。

圖10 換熱管原材料價格

氟塑料換熱器由于原材料價格較高，制造工藝也相對復雜，因此投資費用高于傳統(tǒng)的金屬換熱器。但氟塑料換熱器的的后期維護成本顯著低于金屬換熱器。因此，不能單純考慮初期投資，而應該以全壽命周期成本來比較氟塑料換熱器與傳統(tǒng)的金屬換熱器的經濟性。

以一臺1 000 MW超低排放機組為例，預計使用年限為20年。WGGH采用金屬時，煙氣冷卻器換熱面積約為60 000 m2，換熱管及殼體采用ND鋼，重量約200 t。煙氣加熱器換熱面積約為40 000 m2，換熱器及殼體采用2205、316L及ND鋼，重量約為600 t。加上熱媒水循環(huán)系統(tǒng)，初期投資約為4 000萬元。后期維護費用方面，根據日本碧南發(fā)電廠的運行經驗，金屬WGGH每隔3年需要更換部分換熱管，單臺檢修費用約為300萬元，20年的維護費用累計約為2 000萬元。

WGGH采用氟塑料時，煙氣冷卻換器、煙氣冷加熱器PTFE換熱管總重量約120 t，煙道包覆氟塑料面積約5 000 m2，加上熱媒水循環(huán)系統(tǒng)，初期投資約為5 500萬元。氟塑料換熱器的設計使用壽命超過20年，基本不產生后期維護費用。

由表3可見，1 000 MW超低排放機組采用氟塑料WGGH時，其20年的全壽命周期成本低于金屬WGGH。

表3 金屬與氟塑料WGGH經濟性對比

4 結論

從材料特性、換熱器設計以及經濟性等方面，對氟塑料在超低排放燃煤機組WGGH中的應用的可行性進行了研究，并得出以下結論：

（1）氟塑料PTFE具有優(yōu)異的耐腐蝕及抗積灰特性，采用氟塑料換熱管代替金屬換熱管在技術上完全可行，并能夠從根本上提高WGGH的使用壽命和效能。

（2）在工程實際應用中，氟塑料WGGH應盡量采用小徑管密集布置的設計，以達到與金屬換熱器相近的傳熱系數，其理想的布置位置在脫硫吸收塔的入口及出口煙道。

（3）氟塑料WGGH的初期投資較高，但維護成本低，其全壽命周期成本低于金屬WGGH，具有較好的經濟性。

[1]張基標，郝衛(wèi)，趙之軍，等.鍋爐煙氣低溫腐蝕的理論研究和工程實踐[J].動力工程學報，2011，31（10）∶730-733.

[2]陸世英主編.超級不銹鋼和高鎳耐蝕合金[M].北京：化學工業(yè)出版社，2012.

[3]錢頌文．換熱器設計手冊[M].北京：化學工業(yè)出版社，2002.

原標題：氟塑料換熱器在超低排放燃煤機組中的應用研究

（本文編輯：陸 瑩）

Feasibility Study on Application of Fluoroplastic Heat Exchanger in Coal-fired Power Generating Units with Ultra-Low Emission

BAO Ting1，LI Fuming1，LI Wenhua2，LIU Xiushi2
（1.Zhejiang Zheneng Technology Research Institute Co.，Ltd.，Hangzhou 310003，China) 2.Zhejiang Zheneng Wenzhou Power Generation Co.，Ltd.，Wenzhou Zhejiang 325602，China)

Water medium heat pipe gas-gas heater（WGGH）of coal-fired power generating units with ultra-low emission is long in service under acid dew point temperature and faces condensed acid liquor corrosion，scaling，etc.To ensure operation safety and stability of generating units，proper materials must be chosen.Compared with traditional metallic materials，fluoroplastics such as PTFE，PFA and FEP are advantageous in corrosion resistance and dust mitigation.Application feasibility of fluoroplastic heat exchanger in coal-fired power generating units with ultra-low emission in terms of material property，heat exchanger design,economical efficiency，etc.

fluoroplastic；ultra-low emission；water medium heat pipe gas-gas heater

TK225

B

1007-1881（2015）11-0074-05

2015-09-17

鮑 聽（1983），男，工程師，從事電站設備失效分析、新材料研究。