鍋爐尾部不同材料的低溫耐蝕受熱面比較

王 維 陸 倩

（江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院南通分院 南通 226001）

鍋爐尾部不同材料的低溫耐蝕受熱面比較

王 維 陸 倩

（江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院南通分院 南通 226001）

鍋爐低溫換熱器在運行中普遍存在低溫腐蝕、結露積灰等問題，本文從耐蝕、換熱、經濟等多個方面，比較耐候鋼、ND鋼、316L不銹鋼、石墨和氟塑料五種材料在低溫換熱器應用中的優劣與特點，促進不同使用條件下，優選出材質匹配最佳的低溫換熱器。

低溫腐蝕 性能比較 材料優選

目前，我國大型電站鍋爐每年消耗約15億噸標煤，其運行熱效率普遍在90%~94%之間，排煙熱損失占到全部熱損失一半以上，若按設計120~140℃的排煙溫度計算，進行深度余熱回收，通過利用50%的煙氣余熱可每年節約標煤0.35億噸，相當于近40臺600MW火力發電機組的年耗煤，同時余熱排放的減少，能夠有效降低環境熱污染，每年減排CO2近億噸，并實現煙氣中SOx和NOx等有害氣體的減排[1]。

針對鍋爐尾部的煙氣余熱深度回收主要是采用低溫換熱器系統，根據布置和用途又分為水媒管式GGH技術和低壓省煤器技術[2]。水媒管式GGH系統在除塵入口煙道布置降溫換熱器上，利用熱工質吸收煙氣熱量，使排煙溫度從120℃降到90℃左右，再在脫硫塔出口布置升溫換熱器，由熱工質向脫硫塔出口濕煙氣放熱，使煙溫加熱到80℃左右進入煙囪。低壓省煤器技術則是直接采用電廠回熱系統冷凝水作為回收熱工質，將回收到的煙氣熱量返回汽輪機側繼續膨脹做功，節省部分汽輪機回熱抽氣，實現低溫余熱利用，其換熱條件與省煤器相似，但水側壓力遠低于省煤器。

煙氣余熱深度回收必將進一步降低煙氣溫度，因此技術應用中必須突破材料對煙氣酸露點的限制，受熱面運行中需要克服低溫腐蝕、結露積灰等問題，同時又要綜合考慮使用壽命、造價成本、換熱運行效果等經濟性問題。

1 露點腐蝕與耐蝕材料

煙氣露點腐蝕是燃料燃燒時燃料中的硫和氯類物質形成二氧化硫、三氧化硫和氯化氫，低溫（露點及以下）遇水蒸氣形成酸從而對金屬造成的腐蝕[3]。其損傷機理如下：

煙氣中的硫或氯→SO2（SO3）或HCl

SO2+H2O→H2SO3

SO3+H2O→H2SO4

硫酸蒸汽大大提高了煙氣的露點溫度，當煙氣溫度降低到一定程度，硫酸蒸汽會在換熱器表面凝結形成持續腐蝕，并且粘附在表面的溶液會吸附煙氣中的灰顆粒，通過一系列復雜的物理化學反應形成一層“水泥狀”物質，導致嚴重積灰，惡化換熱過程。

因此，低溫換熱器的選材在保證良好低溫換熱性能的同時，需要兼顧克服稀硫酸蒸汽腐蝕、方便清理積灰等特點。目前低溫換熱面的常用材質有金屬和非金屬兩類，其中金屬材料主要有corten耐候鋼、ND(09CrCuSb)鋼和316L不銹鋼，而非金屬材料主要應用為石墨材料和氟塑料：

1）corten耐候鋼：添加少量合金元素，Cu、P、Cr、Ni、Mo等，在大氣中暴露一段時間后，在鋼的疏松外腐蝕產物層和基體之間形成含有合金元素的非晶產物層α-FeOOH層，阻礙腐蝕介質進入。

2）ND(09CrCuSb)鋼：表面富含Cu、Sb金屬層，遇到酸腐蝕鈍化生成致密的保護膜，陽極電位極化，微弱的電流降低ND鋼腐蝕速度，使用中表現出優異耐腐蝕性。

3）316L不銹鋼：加入Cr、Ni等合金元素，室溫下獲得單相固溶組織，并提高基體金屬的電極電位，減少微電池數量，此外Cr使鋼的表面形成結構致密、不溶入腐蝕介質、電阻較高的Cr2O3鈍化膜，均能提高鋼的耐蝕性。

4）石墨：主要元素為C，具有良好的化學穩定性，在腐蝕劑酸、堿、鹽及氧化性不強的介質中基本上不受腐蝕。

5）PTFE氟塑料：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定，除了在熔融堿金屬、元素氟及芳香烴類有腐蝕現象外，在其余各種濃度的酸類、氧化劑類、堿類和有機溶劑中均呈惰性反應。

2 不同受熱面材料性能比較

針對以上五類常用耐蝕材料，可以從結構、工藝和運行等多個方面，比較分析不同材料在低溫受熱面上的應用效果，有利于根據不同換熱需求與鍋爐運行狀態，選取合理適用的低溫換熱面。

2.1 耐蝕性能

金屬材料的腐蝕速度主要受到凝結硫酸濃度和金屬壁溫等因素的影響。一般說來，金屬腐蝕速度隨著硫酸濃度增加而增快，當濃度達到56%左右時腐蝕速度最大，之后隨著鈍化作用腐蝕速度又會急劇下降；此外，金屬溫度越低，化學反應速度越慢，腐蝕速度相應降低，一般金屬尾部受熱面最大腐蝕點壁溫比酸露點低20~45℃[4]。

浙江大學周靄琳通過系列人工加速金屬材料腐蝕速率實驗，得出幾類金屬材料在常溫不同硫酸濃度和50%濃度不同溫度的具體腐蝕速率[5]：常溫時，corten耐候鋼和ND鋼最大腐蝕速率相近，前者達到66mg/(cm2·h)，后者約為58mg/(cm2·h)，而316L不銹鋼的最大腐蝕速率僅為6mg/(cm2·h)左右；隨著溫度進一步升高至80℃，corten耐候鋼腐蝕速率增大至116mg/(cm2·h)，ND鋼腐蝕速率增大至94 mg/(cm2·h)，316L不銹鋼的腐蝕速率增大最為明顯，為30mg/(cm2·h)，是常溫的5倍左右，但仍遠遠低于另兩種常用耐蝕金屬的腐蝕速率。

圖1 硫酸對金屬材料腐蝕速率比較[5]

石墨材料應用于工業，多是采用浸漬工藝或者擠壓工藝的不透性石墨，在210g/L的H2SO4溶液(約17%H2SO4)中酸煮(107℃，24h)分析石墨失重，發現酚醛壓制石墨失重為0.35%，呋喃浸漬石墨失重為0.20%[6]，即每小時石墨失重能夠控制在0.01%左右。

浙江浙能對氟塑料的腐蝕速率進行試驗比對，腐蝕液成分按照鍋爐尾部低溫腐蝕環境，選擇30%H2SO4+HCl(3000mg/L)+HF(20mg/L)的成分配比，在70℃環境腐蝕72h，其中ND鋼腐蝕速率為8.37 mg/(cm2·h)，316L不銹鋼為0.19mg/(cm2·h)，而PTFE氟塑料無任何腐蝕失重，表現出極佳的耐腐蝕性能[7]。

2.2 換熱結構與性能

金屬材料的鍋爐低溫換熱裝置多采用列管式布置，結構大致相同(見圖2)，為增加擴展受熱面，普遍采用H翅片管或螺旋翅片管，采用模塊化設計，可將換熱管排、集水箱、框架等在廠內加工完成整體出廠，減少管排吊裝過程中的變形受損和現場焊接量。

圖2 金屬低溫省煤器

三種常用耐蝕金屬在常溫條件的導熱系數，耐候鋼、ND鋼與碳鋼相近，常溫下在50W/(m·K)左右，而316L不銹鋼的導熱系數則相對較小，常溫下一般在15～16W/(m·K)。因此，采用相同結構和尺寸的換熱裝置，且換熱介質的性質、溫度、流動條件相同，即對流換熱條件相同時，按照傳熱系數計算公式，采用ND鋼和耐候鋼制造的低溫換熱器，換熱效果更佳。

式中：

K——總傳熱系數，W/(m2·K)；

αW，αN——內、外表面對流換熱系數，W/(m2·K)；

δ——管壁厚度，m；

λ——管壁導熱系數，W/(m·K)；

天然石墨為疏松多孔材料，通過擠壓、浸漬等不同工藝加工的石墨材料，在保留優良耐蝕性能的同時，導熱系數能達到40~120W/(m·K)，因此在化工貯存、換熱等領域得到廣泛的應用。石墨材料在鍋爐尾部低溫換熱面得到試驗性運用[8]，換熱元件主要有石墨管和石墨換熱塊兩種(見圖3)，石墨管用于常見的列管式換熱結構，石墨圓塊縱向和橫向開有相互交錯的孔道，橫向孔內通過鍋爐軟水，縱向孔內流過高溫煙氣，二者進行熱量交換。

圖3 石墨換熱器主要換熱元件

氟塑料的主要缺點是導熱系數較低，一般是金屬的1/30~1/10，因此所需換熱面積較大，實際應用中采用薄壁小直徑管密集排列技術保證換熱面積[9](見圖4)，并提高流速增加對流換熱系數。換熱管壁厚約為1 mm，每個管束包含有上千根懸吊結構管子，中間設隔板隔開，可以按照換熱面積需求增減管束。此外，由于氟塑料不黏附的特性，與長期運行結垢的金屬換熱器相比，二者傳熱系數差值隨著長期運行逐漸縮小。

圖4 氟塑料換熱器管束

2.3 經濟性能

耐蝕金屬價格與耐蝕性能相對應，耐蝕性能越優良，所制低溫換熱器使用壽命越長，金屬價格越貴，目前市場上耐候鋼管在5000元/t左右，所制低溫換熱器使用壽命2~3年，ND鋼管價格則在8000~10000元/t，所制低溫換熱器使用壽命3~5年，316L不銹鋼管價格普遍要達到30000元/t以上，但其使用壽命也超過10年。

石墨換熱器價格普遍在800~1500元/m2，內部采用石墨換熱元件，外殼采用金屬內襯防腐材料，整體造價低于316L不銹鋼換熱器，但略高于ND鋼低溫換熱器，其使用壽命從目前試驗數據來看，可以穩定運行8年以上。

氟塑料低溫省煤器內部采用密集排布小徑管，為降低換熱系數影響，保證換熱效果，其換熱面積一般設計為金屬換熱器的三倍，更因其密集管束與管板連接難度較高，因此整體造價約為316L不銹鋼換熱器的1.5~2倍，但其使用壽命也長達15年以上。

2.4 局限性

金屬制低溫換熱器的局限性主要體現在使用結垢問題。水側由于鈣、鎂硫酸鹽及懸浮物質，結成水垢的導熱系數僅為金屬的幾十分之一，煙氣側由于煙氣中的飛灰與水蒸氣冷凝，結成的灰垢的導熱系數更是僅為金屬的幾百分之一，并且由于金屬清理的耐磨、防水等限制，因此，長期運行換熱面換熱效率變差，且煙風阻力上升，會增加鍋爐風機電耗。

非金屬制低溫換熱器普遍不易黏附且耐磨性能良好，可以設計蒸汽吹掃或者清水沖洗的方式進行清理，但其換熱面積設計存在一定局限性：石墨材料由于脆性問題，目前換熱管都是壁厚大于5mm、長度小于10m的光管，在換熱面積需求較大時，需要采用多個模塊串聯或者并聯的方式，會進一步制造成本和流通阻力；氟塑料因為導熱性能較差，換熱器相應設計換熱面積較大，換熱管大量采用管徑小于20mm、長度大于10m小徑光管，長期運行撓曲變形嚴重，影響煙氣通路，需要增加隔斷保持一定剛度，但管板、隔斷及外殼內壁的防腐性能都難以匹配換熱管壽命，使換熱器整體運行壽命縮短。

3 結論

通過分析五種耐蝕材料性能與低溫省煤器應用經驗，將其應用于鍋爐低溫受熱面的優劣特點列入表1進行比較，得出以下幾點結論：

表1 不同材料應用于鍋爐低溫受熱面比較

1）金屬制換熱器均存在長期運行結垢難清理問題，非金屬制換熱器耐蝕性能不易結垢，積灰清理相對容易；

2）低合金鋼制換熱器（耐候鋼和ND鋼）換熱性能良好，造價低廉，但耐蝕性較差，使用壽命相對較短，不銹鋼換熱器（316L）耐蝕性能良好，但造價較高，且換熱效果一般；

3）石墨低溫換熱器耐蝕與換熱效果均表現良好，但脆性結構導致換熱面積增加困難，難于滿足大型鍋爐的低溫換熱面積需求；氟塑料換熱器耐蝕性能優異，且不易結垢，但換熱效果較差，長期運行后結垢金屬換熱器相比差距減小。

因此，為鍋爐配置低溫換熱器進行余熱回收時，考慮以上各種材料的優缺點，建議選取低溫換熱器材質原則如下：

1）在用鍋爐添設低溫換熱器節能時，根據鍋爐剩余壽命或改造周期，選擇使用壽命與造價成本適合的低溫換熱器，譬如按照城市規劃五年以內會拆除的鍋爐，可以選擇造價低廉、換熱良好的ND 鋼換熱器；

2）大型鍋爐出廠配套時，為盡量保證使用壽命，可以使用316L不銹鋼換熱器或者氟塑料換熱器，以減少運行周期內頻繁更換換熱器造成的運行成本損耗；

3）考慮到石墨低溫換熱器優良的耐蝕與換熱性能，且造價適中，在小型燃油燃氣鍋爐進行冷凝余熱回收時，能夠保證余熱回收效果的同時，具有較長使用壽命；

4）大型低溫換熱裝置可以采用多級不同材料組裝形式，譬如前兩組高溫區采用ND鋼，在后兩組低溫區采用316L不銹鋼，在降低造價成本、保證余熱回收的同時，亦能有效地減少低溫腐蝕問題。

[1] 黃圣偉．大型燃煤電站鍋爐煙氣余熱利用系統節能分析與優化研究[D]． 北京：華北電力大學，2013．

[2] 舒喜，申智勇，葉毅．低溫省煤器在燃煤電廠的應用[C]．第16屆中國電除塵學術會議論文集，2015：281-285．

[3] GB/T 30579—2014 承壓設備損傷模式識別[S]．

[4] 韓明杰，劉金敬．燃氣鍋爐尾部受熱面低溫腐蝕的原因及預防措施[J]．冶金動力，2007，(4)：51-52．

[5] 周靄琳．低溫換熱器系統的腐蝕積灰試驗研究[D]．北京：華北電力大學，2015．

[6] 畢立強．酸站用石墨換熱材料的試驗[J]．人造纖維，1997，(6)：24-26．

[7] 鮑聽，李復明，李文華，等．氟塑料換熱器應用于超低排放燃煤機組的可行性研究[J]．浙江電力，2015，(11)：74-78．

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[9] 徐慎忠，劉文卜，陸倩．石墨換熱元件與天然氣冷凝鍋爐的研發[C]．2012年全國特種設備安全與節能學術會議，2012．

Comparison of Low-Temperature Heating Surfaces with Different Corrosion-resistant Material at the Tail of Boiler

Wang Wei Lu Qian
(Jiangsu Province Special Equipment Safety Supervision Inspection Institute Nantong 226001)

The boiler low-temperature heating exchanger has such problems as low temperature corrosion, condensation and deposition commonly. This paper compared the merits and characteristics of fve materials used in the low-temperature heating exchanger, including weathering resistant steel, ND steel, 316L stainless steel, graphite and fuorine plastic, from several aspects of anti-corrosion, heat exchange, economy, etc., to help for the selection of low-temperature heating exchanger with the best matching material in different use conditions.

Low-temperature corrosion Performance comparisons Material optimized

X933．2

B

1673-257X(2016)12-0055-04

10．3969/j．issn．1673-257X．2016．12．013

王維(1980～)，男，本科，從事鍋爐檢驗、壓力容器檢驗工作。

2016-06-13）