搪瓷換熱管在燃煤發電機組MGGH上的應用研究

張全斌，朱青國，何翊皓

（1.浙江省能源集團有限公司，杭州 310007；2.浙江浙能臺州第二發電有限責任公司，浙江 臺州 318000）

搪瓷換熱管在燃煤發電機組MGGH上的應用研究

張全斌1，朱青國2，何翊皓1

（1.浙江省能源集團有限公司，杭州 310007；2.浙江浙能臺州第二發電有限責任公司，浙江 臺州 318000）

隨著國家環保要求的不斷提高，燃煤火力發電機組煙氣超低排放技術的研發和應用得到了迅速發展，火力發電企業對MGGH的需求呈井噴式發展。鑒于MGGH特殊的運行環境，解決其換熱管的低溫腐蝕是一項關鍵難題，運用搪瓷換熱管能很好地解決這個問題。并從腐蝕成因、低溫防腐材料選擇以及工程實踐等幾個方面闡述了搪瓷換熱管在MGGH設備獨特的應用前景。

搪瓷換熱管；MGGH；低溫腐蝕

0 引言

隨著國家環保要求的不斷提高，燃煤火力發電機組需要不斷降低鍋爐煙氣污染物排放以達到日益嚴格的排放指標。自2013年以來，燃煤發電廠超低排放概念逐漸深入人心，其核心理念就是燃煤發電機組的鍋爐煙氣污染物排放指標要達到燃氣輪機排放標準，即SOX≤35 mg/m3，NOX≤50 mg/m3，粉塵≤5 mg/m3（以上均換算為標準大氣壓下的數值）。作為燃煤發電廠鍋爐煙氣“超低排放”處理系統的重要組成部分，MGGH（水媒管式煙氣換熱器）通過調節、優化鍋爐煙氣溫度，提高除塵及脫硫系統效率，其作用日益受到重視。

MGGH是兩級煙氣-水換熱器，由煙氣放熱器和煙氣再熱器組成，MGGH主要是利用鍋爐低品質煙氣余熱加熱脫硫后濕式電除塵器出口的濕煙氣，抬升煙氣溫度以消除煙囪冒白煙現象。MGGH煙氣放熱器布置在鍋爐空預器出口與干式靜電除塵器之間的煙道上，利用鍋爐空預器出口煙氣余熱加熱熱媒水；煙氣再熱器布置在濕式電除塵器出口煙道上，利用熱媒水加熱濕式電除塵器出口的低溫煙氣，MGGH通過熱媒水將干式靜電除塵器入口的煙氣熱量傳遞給濕式電除塵器出口的低溫煙氣。

鑒于MGGH特殊的運行環境，其煙氣再熱器低溫腐蝕問題成為設計、制造和運行中一個關鍵的問題，運用搪瓷換熱管能很好地加以解決，并且其傳熱性能比普通熱管降低不超過5%[1]。

某發電廠工程新建2臺百萬等級超超臨界燃煤機組，鍋爐煙氣污染物排放濃度執行超低排放指標要求，設計煤種含硫量為1.0%。工程設置MGGH，MGGH煙氣放熱器設計入口煙溫127℃，出口煙溫≤85℃；煙氣再熱器設計入口煙溫48℃，出口煙溫≥80℃。

1 MGGH換熱管低溫腐蝕機理及應對措施

燃煤含有不同程度的硫，經過鍋爐燃燒后，會在煙氣中產生不同濃度的SO2及SO3，一旦與煙氣中水蒸汽結合，在尾部煙溫較低區段凝結成為酸液滴，將會對設備造成強烈的腐蝕，這一現象被稱為硫酸露點腐蝕，也稱為低溫腐蝕。強烈的低溫腐蝕通常發生在MGGH煙氣再熱器低溫段換熱管，煙氣對受熱面低溫腐蝕常用酸露點的高低來表示，露點愈高，腐蝕范圍愈廣，腐蝕也愈嚴重，其腐蝕速度與金屬壁面溫度有很大關系，如圖1所示。

圖1 低溫腐蝕與管壁溫度關系（腐蝕曲線）

隨著金屬管壁溫的降低，腐蝕曲線圖出現了2個腐蝕嚴重區和2個安全區。當壁溫大于酸露點時，腐蝕速度很低，稱為第Ⅰ安全區。當壁溫小于酸露點，硫酸開始凝結，引起腐蝕，但由于酸濃度較高（一般在80%以上），凝結酸量較少，腐蝕速度不大；隨著壁溫降低，凝結酸量增加，硫酸濃度下降，腐蝕速度增大，當管子壁溫低于酸露點10～30℃時，金屬腐蝕速度達到最大值，此溫度附近稱為第Ⅰ腐蝕嚴重區。隨著壁溫進一步降低，腐蝕速度亦隨之下降，直到達到腐蝕最輕點，形成第Ⅱ安全區。壁溫再繼續下降，由于凝結的酸液濃度接近50%，同時凝結量又多，因此腐蝕速度又上升，當壁溫達到水露點，有大量水蒸汽及稀硫酸凝結，使腐蝕劇烈增加，形成第Ⅱ腐蝕嚴重區。

針對MGGH煙氣再熱器煙氣運行溫度區間為48～80℃，熱媒水運行溫度處于75～105℃，可以估算煙氣再熱器低溫段處于第Ⅱ腐蝕嚴重區，而煙氣再熱器的中、高溫段則處于第Ⅱ安全區。

對于MGGH煙氣再熱器低溫段，目前主要有2種工程技術手段控制低溫腐蝕速率：

（1）依據有限腐蝕理論[2]，通過調節進入換熱管的水溫將其管道壁溫控制在合理的范圍之內。

（2）換熱管采用耐低溫腐蝕性能好的材料，如耐酸鋼、不銹鋼、玻璃、石墨以及復合材料。

所謂有限腐蝕理論是指管道金屬壁溫低于煙氣酸露點時，存在兩個低腐蝕速率區域，就是圖1所示的2個安全區域。在工程實踐中，將換熱管的水溫控制在煙氣露點以上25℃且小于105℃的區間，就可以將金屬低溫腐蝕速率控制在0.2mm/a以內的安全區域。而實際運行中，燃煤成分和鍋爐設備的負荷波動十分頻繁，精確控制換熱管的水溫十分困難，有限腐蝕理論在實際應用中存在一定的制約條件。選擇耐低溫腐蝕性能優良的管材則是目前解決MGGH煙氣再熱器低溫腐蝕的主要途徑。

2 低溫段換熱管選用搪瓷管的可行性

目前，常規耐硫酸腐蝕管材主要有ND鋼、不銹鋼（304，316L，DIN1.4529，254SMo等）和復合材料（包塑管、搪瓷管）等。

MGGH煙氣再熱器換熱管管材的工程選擇要求：首先，管材必須具有優異的耐硫酸腐蝕能力，理想的材料能夠保證與發電廠同等的設計使用壽命，至少確保一個大修周期的使用年限，即6～10 a；其次，材料應該具有良好機械性能和熱傳導性，滿足運行環境下的防沖刷抗磨損要求，具有足夠的強度、剛度和韌性，以及與普通金屬鋼管同一數量級的熱傳導性能；最后，選定的廠商應具有規?；a能力，能提供性價比良好的換熱管管材。

對可選的MGGH煙氣再熱器換熱管材質316L、包塑管、DIN1.4529和搪瓷管（其中包塑管和搪瓷管復合材料基材考慮采用20鋼或ND鋼）進行研究、調研、比選，決定選用搪瓷換熱管，可滿足本工程要求。從以下幾方面論證其可行性。

2.1 耐硫酸腐蝕能力

根據參考文獻匯總了主要金屬材料耐硫酸露點腐蝕能力參考值，如表1所示。

表1 主要金屬材料耐硫酸露點腐蝕能力對照表

表1中各類金屬材料腐蝕速率的測試環境與某發電廠MGGH煙氣再熱器運行環境相接近，處于或接近第Ⅱ腐蝕嚴重區，硫酸酸液濃度接近50%，測試數據顯示ND鋼、316L和DIN1.4529鋼具有較好的耐腐蝕能力，而普通碳鋼無法滿足工程要求。根據實際工程使用情況，316L并不是理想的材料，圖2為某發電廠運行3個月后MGGH煙氣再熱器低溫段的腐蝕情況，肉眼可見銹蝕。

圖2 某發電廠MGGH換熱管低溫腐蝕（316L）照片

另據腐蝕試驗[3]，得到碳鋼、不銹鋼和搪瓷在不同濃度硫酸溶液的腐蝕速率變化曲線，如圖3所示。

圖3反映出搪瓷在硫酸中具有非常優秀的耐腐蝕能力，與碳鋼和不銹鋼比較，腐蝕速率可降低2～3個數量級，數據顯示搪瓷在稀硫酸中耐腐蝕能力較差，隨著硫酸濃度的增加，腐蝕速率不斷減少。MGGH煙氣再熱器低溫段換熱管接觸的煙氣硫酸濃度一般高于50%，搪瓷換熱管在這種工作環境下具有優越耐腐蝕性能。包塑管與搪瓷換熱管具有類似的耐腐蝕性能。

2.2 機械性能

圖3 不同材料在硫酸溶液的腐蝕速率

工程MGGH煙氣再熱器換熱管外徑規格為Φ38mm，長度規格為12040mm，設計搪瓷層厚度為170～300 μm。試驗數據顯示[4]，當搪瓷換熱管工作溫差不超過150℃，搪瓷層厚度小于1mm時具有較高的熱穩定性，搪瓷換熱管完全可以滿足MGGH煙氣再熱器的熱沖擊要求，搪瓷層厚度與最大應力的關系如圖4所示。

圖4 搪瓷層厚度與最大應力的關系

同時，搪瓷復合換熱管的物理機械性能由基材的金屬機械性能所決定，技術數據與基材基本一致。

2.3 熱傳導性能試驗

針對2種基材的搪瓷換熱管進行了導熱系數驗數據測試?；牟捎?0鋼和3組不銹鋼的搪瓷換熱管規格分別為Φ38mm×4mm和Φ38mm×3mm，兩者的設計搪瓷層厚度均為170～300 μm。經檢測，室溫20.5℃時，20鋼的導熱系數為57.29 W/（m·K），搪瓷后為54.53 W/（m·K），導熱系數下降約4.8%；316L鋼的導熱系數為116.0 W/（m·K），搪瓷后為111.5 W/（m·K），導熱系數下降約3.9%。

由于搪瓷層的厚度相對管壁厚度不到十分之一，搪瓷層與碳鋼結合緊密，涂搪瓷后對換熱管傳熱系數的影響很小，能夠滿足MGGH的換熱要求。

2.4 防沖刷抗磨損能力試驗

為了測試搪瓷換熱管的耐沖刷能力，工程方委托某著名高校無機非金屬材料研究所就搪瓷管與ND鋼管進行耐沖刷比較實驗和材料壽命預估。實驗樣板采用外徑Φ38mm、長度100mm的短管。通過模擬發電廠的煙氣環境，在煙塵濃度35 g/m3、煙氣流速10 m/s的情況下，厚度為4 ms的ND鋼管壽命預估值為40000～50000 h；搪瓷層厚度為300 μm的搪瓷管（搪瓷層）壽命預估值為80000～100000 h，搪瓷管壽命是ND鋼管的2倍。

另外，對包塑管的防沖刷抗磨損能力進行調研，發現包塑管的包塑質量是決定包塑管壽命的一個關鍵因素，如果質量不穩定，對MGGH的使用壽命產生不利影響，甚至是致命的。圖5為其他發電廠包塑管使用情況照片，顯示包塑管存在開裂現象。

圖5MGGH包塑管開裂照片

2.5 工程造價

MGGH煙氣再熱器低溫段采用搪瓷換熱管從技術層面得到了論證，另外，搪瓷換熱管在工程造價方面也具有突出的優勢，表2為幾種工程方案的造價比較情況。

表2MGGH煙氣再熱器低溫段各種用材工程造價對照表（2014年價格）

3 搪瓷換熱管應用實踐

經過近一年研究，MGGH煙氣再熱器低溫段選用了搪瓷換熱管，管子基材采用20鋼，規格Φ38mm×4mm，長度12040mm，搪瓷層厚度170～300 μm，搪瓷管主要理化性能指標如下：

（1）耐硫酸：30%硫酸，沸騰18 h，侵蝕量不高于2.0 g/m2（ISO28706-2）。

（2）耐鹽酸：20%鹽酸，沸騰6 h，侵蝕量不高于3.5 g/m2（ISO28706-2）。

（3）密著性（附著力）：1級或以上（EN10209）。

（4）耐電火花：2000 V測試漏電點個數不高于5個/0.09 m2。

（5）耐熱急變性：加熱到300℃，放入水介質（23±3）℃，無裂紋（DEZ-MB7.7.1）。

2015年設備安裝完成后，9月機組正式投運。2016年5月，利用發電廠停機檢修機會，對MGGH煙氣再熱器進行了例行檢查，檢查結果符合預期。圖6為MGGH煙氣再熱器檢查照片，照片顯示換熱管有輕微粉塵覆蓋，無銹蝕情況。

圖6 使用搪瓷換熱管的MGGH煙氣再熱器低溫段檢查照片

4 結語

通過工程應用實踐，搪瓷換熱管可從根本上解決MGGH煙氣再熱器的低溫腐蝕問題。與基材鋼材相比，搪瓷換熱管的傳熱系數相對降低率較低，且搪瓷表面光滑不易結垢和積灰，具有超強防沖刷抗磨損能力，與選用耐酸不銹鋼材料相比，可降低投資。搪瓷換熱管在燃煤發電廠煙氣低溫防腐領域將具有廣闊的應用前景。

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（本文編輯：張 彩）

Application of Enamel Heat Exchange Tube in MGGH of Coal-fired Power Generating Units

ZHANG Quanbin1，ZHU Qingguo2，He Yihao1
（1.Zhejiang Provincial Energy Group Co.，Ltd.，Hangzhou310007，China；2.Zhejiang Zheneng Taizhou No.2 Power Generation Co.，Ltd.，Taizhou Zhejiang318000，China）

With the continuous improvement of the national environmental protection requirements，the development and application of ultra-low flue gas emission technology of coal-fired power generating units develop rapidly，and the demand for MGGH of thermal power generation enterprises increases sharply.In view of the special operation environment of MGGH，it is a key problem to solve the low temperature corrosion of heat exchange tube，and the application of enamel heat exchange tube can solve this problem.In this paper，the unique application prospect of enamel heat exchange tube in MGGH equipment is expounded from several aspects such as the causes of corrosion，the selection of low temperature corrosion protection materials and engineering practice.

enamel heat exchange tube；MGGH；low temperature corrosion

X773

：B

：1007-1881（2016）09-0057-05

2016-06-12

張全斌（1974），男，高級工程師，現從事發電項目管理工作。