基于有機(jī)高分子技術(shù)防止船舶燃油鍋爐低溫腐蝕的應(yīng)用研究

吳鳳友+孫永明+張成龍+文爽+黃文華+鄺也

摘 要：當(dāng)今航運(yùn)遠(yuǎn)洋船舶主要使用重油作為燃料油，重油常溫下黏度大，不易流動(dòng)，需要加熱以改善其流動(dòng)性，達(dá)到燃油駁運(yùn)和噴射、燃燒的效果。如今大部分船舶上都用鍋爐蒸汽來加熱燃油，為了提高鍋爐的熱效率，需要降低鍋爐排溫，然而溫度過低又會(huì)使其產(chǎn)生低溫腐蝕。現(xiàn)擬用聚四氟乙烯材料涂于鍋爐排煙管內(nèi)側(cè)，防止低溫腐蝕，同時(shí)減少鍋爐積灰，這樣就能改善船用鍋爐的排放環(huán)境、大大提高船舶經(jīng)濟(jì)性。

關(guān)鍵詞：燃油鍋爐；聚四氟乙烯材料；低溫腐蝕；鍋爐排溫；經(jīng)濟(jì)性

1 概述

地球表面積的百分之七十由海洋覆蓋，世界經(jīng)濟(jì)的百分之九十靠海洋來完成，如今航運(yùn)已經(jīng)與我們的生活息息相關(guān)，生活、經(jīng)濟(jì)都離不開航運(yùn)業(yè)的發(fā)展，航運(yùn)使世界各地達(dá)到了科技共享、資源共享、產(chǎn)品共享。航運(yùn)經(jīng)濟(jì)是以航運(yùn)市場(chǎng)為依托的，世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展離不開航運(yùn)經(jīng)濟(jì)。在目前海上航行中船舶使用的鍋爐多為燃油鍋爐，鍋爐產(chǎn)生的則是壓力為0.5～1.0MPa的飽和蒸汽，以加熱滑油、重油，還可以在主機(jī)啟動(dòng)前對(duì)其進(jìn)行暖缸、驅(qū)動(dòng)蒸汽輔機(jī)及滿足日常生活的需要。所以本論文旨在研究有機(jī)高分子技術(shù)來防止船舶燃油鍋爐低溫腐蝕，從而降低船舶鍋爐的排氣溫度，達(dá)到節(jié)能減排的目的，同時(shí)減少航運(yùn)對(duì)海洋生態(tài)的影響，增加船舶收益，對(duì)整個(gè)海洋生態(tài)和航運(yùn)界都有重大意義。

2 船用鍋爐的原理及存在問題

2.1 船用鍋爐的原理

船用鍋爐是一種利用重油燃燒產(chǎn)生的熱能把水加熱成為熱水和蒸汽的設(shè)備。重油的燃燒是在鍋爐中進(jìn)行的，鍋爐包含鍋和爐兩個(gè)部分。鍋爐中產(chǎn)生的熱水或蒸汽可供給主機(jī)暖缸，并且可以直接為船舶主機(jī)、輔機(jī)和生活處所提供所需要的能量，另外還可以作為動(dòng)力裝置，比如航母使用的鍋爐。[1]

2.2 船用鍋爐存在問題

低溫腐蝕：鍋爐煙管中的低溫?zé)煔夂兴魵狻⒘蛩嵴羝阱仩t煙管低溫受熱面上凝結(jié)，與煙管金屬發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，造成煙管壁腐蝕或者厚度減小。船用重油中的硫在鍋爐爐膛中燃燒生成二氧化硫（SO2），部分二氧化硫在煙塵催化的作用氧化生成三氧化硫（SO3），其與煙氣中水蒸氣混合成硫酸蒸汽（H2SO4）。因此煙氣中含有的成分包含8%左右水蒸氣、部分硫酸蒸汽和二氧化硫氣體。當(dāng)水蒸氣在煙管壁面上凝結(jié)時(shí)，將使煙管產(chǎn)生化學(xué)腐蝕；當(dāng)硫酸蒸汽在煙管管壁面上凝結(jié)時(shí)，將會(huì)生成硫酸亞鐵。這就是鍋爐煙氣的低溫腐蝕現(xiàn)象。[2]積灰復(fù)燃：燃油中含有0.3%的灰分，灰分中由硫、釩、鈉等成分組分，它們組成的化合物熔點(diǎn)很低，在煙管高溫受熱面非常結(jié)渣。當(dāng)重油灰分中含有鈣時(shí)，燃燒后變成氧化鈣（CaO），它與三氧化硫作用形成硫酸鈣，可在煙管壁上變成牢固的積灰。當(dāng)燃燒不良時(shí)，煙氣中會(huì)存在大量的炭顆粒，它比燃油中的灰分會(huì)更加煙灰數(shù)量。積灰中的可燃物在煙管尾部接觸明火或者過熱會(huì)重新燃燒，燒毀煙管。即使在溫度較低的情況下，炭顆粒也會(huì)被緩慢的氧化并產(chǎn)生熱量。在鍋爐正常工作時(shí)，煙道中高流速的煙氣，會(huì)將快速帶走放出的熱量，并不會(huì)使結(jié)碳著火燃燒。但是當(dāng)停爐后，煙氣會(huì)停滯在煙管中，非常不利于散熱，故氧化放出的熱量不能被及時(shí)帶走，溫度逐漸的上升，使氧化加速，結(jié)果很可能會(huì)導(dǎo)致著火復(fù)燃。[1]

3 基于有機(jī)高分子技術(shù)防止船舶燃油鍋爐低溫腐蝕的應(yīng)用研究

高分子材料聚四氟乙烯：

3.1 聚四氟乙烯基本原理

四氟乙烯（TFE）單體的高結(jié)晶聚合物就是大家熟知的聚四氟乙烯（PTFE），其化學(xué)式為-（CF2-CF2）n-，是一種白色的熱塑性塑料，具有蠟狀形貌。在聚四氟乙烯中，氫原子被氟原子取代。由于氫原子半徑（0.028nm）比氟原子半徑（0.064nm）小得多，同時(shí)，碳-氟鍵的鍵能高達(dá)460.2kJ/mol，非常牢固，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于碳-氫鍵（410kJ/mol）和碳-碳鍵（372kJ/mol），這使得聚四氟乙烯化學(xué)惰性和熱穩(wěn)定性非常優(yōu)異；另外氟原子具有極大的電負(fù)性，而且TFE單體具有完美的對(duì)稱性而降低了聚四氟乙烯分子間的表面能和吸引力，因此聚四氟乙烯具有低溫時(shí)較好的延展性和極低的表面摩擦系數(shù)，同時(shí)也使得聚四氟乙烯的耐蠕變能力較差，容易出現(xiàn)冷流現(xiàn)象。

3.2 聚四氟乙烯的特性

（1）極高的化學(xué)穩(wěn)定性：聚四氟乙烯能承受包括王水、濃鹽酸、硝酸、發(fā)煙硫酸、有機(jī)酸、氫氟酸等，也能承受有機(jī)溶劑、強(qiáng)氧化劑強(qiáng)還原劑以及強(qiáng)堿的作用。（2）溫度范圍很廣泛：聚四氟乙烯使用溫度區(qū)域在-190℃～260℃，即使在超低溫-260℃的以下仍保持一定的撓曲性。（3）優(yōu)良的不粘性：聚四氟乙烯的表面能是目前固體材料中發(fā)現(xiàn)最小的一種，其表面張力約0.019N/m，而且即使是液體也只有表面張力在0.02N/m以下才能完全粘附在其表面，而固體材料幾乎都不能在其表面粘附。（4）極高的熱穩(wěn)定性：聚四氟乙烯的熔點(diǎn)為327℃，遠(yuǎn)高于一般的高聚物，其斷裂強(qiáng)度和抗屈強(qiáng)度在260℃仍然很高，使其擁有良好的不燃性。[3]

4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路

構(gòu)建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，用簡(jiǎn)單易得的工具和道具模擬船用鍋爐，利用廢氣發(fā)生器產(chǎn)生大量油煙氣，在雙層煙管中通入水，消耗排煙大部分熱量，通過熱量回收利用裝置，初步冷卻廢氣，利用溫度傳感器精確測(cè)量余熱利用裝置前后的溫度，然后將廢氣引入排煙管道，盡可能使更多的廢氣流過排煙管，一段時(shí)間后觀察排煙管涂層側(cè)和未涂層側(cè)結(jié)灰情況，最后，對(duì)廢氣成分測(cè)定，和船用鍋爐廢氣對(duì)比，通過對(duì)比得知聚四氟乙烯材料的應(yīng)用價(jià)值。

高分子材料（聚四氟乙烯）功用體現(xiàn)：耐高溫，易于成型，涂于排煙管內(nèi)側(cè)，形成表面光滑，不利于煙灰附著的保護(hù)層，且使煙管清洗方便，抗低溫腐蝕，能力大大提高。實(shí)驗(yàn)裝置原理圖（如圖1示）。余熱利用裝置：利用船用殼管式換熱器模型來收集煙管的熱量，排煙溫度降下來便意味余熱被良好的利用。排煙管：擬用鐵皮管道內(nèi)表面一半涂有高分子材料，另一半不做處理，如圖1。

5 結(jié)束語(yǔ)

世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展很多時(shí)候需要依靠海洋來完成，而且船舶污染也是當(dāng)今社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)擬用聚四氟乙烯材料圖層于鍋爐排煙管內(nèi)側(cè)，從而達(dá)到減少鍋爐積灰，防止低溫腐蝕，充分利用排煙余熱的目的。這樣既能有效改善船用鍋爐的排放對(duì)環(huán)境的污染，也可降低船舶鍋爐的排氣溫度，大大提高船舶經(jīng)濟(jì)性。減少航運(yùn)對(duì)海洋生態(tài)的影響，增加船舶收益，對(duì)整個(gè)海洋生態(tài)和航運(yùn)界都有重要意義。

參考文獻(xiàn)

[1]孫永明，王曉中，李國(guó)祥.船舶輔機(jī)[M].上海：上海浦江教育出版社，2014.

[2]張基標(biāo)，郝衛(wèi)，趙之軍，等.鍋爐煙氣低溫腐蝕的理論研究和工程實(shí)踐[J].工程動(dòng)力學(xué)報(bào)，2011，10（31）：730-738.

[3]謝蘇江.聚四氟乙烯的改性及作用[J].上海涂料，2002，11（30）： 26-30.