基于有機高分子技術防止船舶燃油鍋爐低溫腐蝕的應用研究

吳鳳友+孫永明+張成龍+文爽+黃文華+鄺也

摘 要：當今航運遠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，需要加熱以改善其流動性，達到燃油駁運和噴射、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，然而溫度過低又會使其產生低溫腐蝕。現擬用聚四氟乙烯材料涂于鍋爐排煙管內側，防止低溫腐蝕，同時減少鍋爐積灰，這樣就能改善船用鍋爐的排放環境、大大提高船舶經濟性。

關鍵詞：燃油鍋爐；聚四氟乙烯材料；低溫腐蝕；鍋爐排溫；經濟性

1 概述

地球表面積的百分之七十由海洋覆蓋，世界經濟的百分之九十靠海洋來完成，如今航運已經與我們的生活息息相關，生活、經濟都離不開航運業的發展，航運使世界各地達到了科技共享、資源共享、產品共享。航運經濟是以航運市場為依托的，世界經濟的發展離不開航運經濟。在目前海上航行中船舶使用的鍋爐多為燃油鍋爐，鍋爐產生的則是壓力為0.5～1.0MPa的飽和蒸汽，以加熱滑油、重油，還可以在主機啟動前對其進行暖缸、驅動蒸汽輔機及滿足日常生活的需要。所以本論文旨在研究有機高分子技術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，達到節能減排的目的，同時減少航運對海洋生態的影響，增加船舶收益，對整個海洋生態和航運界都有重大意義。

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生的熱能把水加熱成為熱水和蒸汽的設備。重油的燃燒是在鍋爐中進行的，鍋爐包含鍋和爐兩個部分。鍋爐中產生的熱水或蒸汽可供給主機暖缸，并且可以直接為船舶主機、輔機和生活處所提供所需要的能量，另外還可以作為動力裝置，比如航母使用的鍋爐。[1]

2.2 船用鍋爐存在問題

低溫腐蝕：鍋爐煙管中的低溫煙氣含有水蒸氣、硫酸蒸汽，在鍋爐煙管低溫受熱面上凝結，與煙管金屬發生了化學反應，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。當水蒸氣在煙管壁面上凝結時，將使煙管產生化學腐蝕；當硫酸蒸汽在煙管管壁面上凝結時，將會生成硫酸亞鐵。這就是鍋爐煙氣的低溫腐蝕現象。[2]積灰復燃：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很低，在煙管高溫受熱面非常結渣。當重油灰分中含有鈣時，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。當燃燒不良時，煙氣中會存在大量的炭顆粒，它比燃油中的灰分會更加煙灰數量。積灰中的可燃物在煙管尾部接觸明火或者過熱會重新燃燒，燒毀煙管。即使在溫度較低的情況下，炭顆粒也會被緩慢的氧化并產生熱量。在鍋爐正常工作時，煙道中高流速的煙氣，會將快速帶走放出的熱量，并不會使結碳著火燃燒。但是當停爐后，煙氣會停滯在煙管中，非常不利于散熱，故氧化放出的熱量不能被及時帶走，溫度逐漸的上升，使氧化加速，結果很可能會導致著火復燃。[1]

3 基于有機高分子技術防止船舶燃油鍋爐低溫腐蝕的應用研究

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）單體的高結晶聚合物就是大家熟知的聚四氟乙烯（PTFE），其化學式為-（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，碳-氟鍵的鍵能高達460.2kJ/mol，非常牢固，遠遠高于碳-氫鍵（410kJ/mol）和碳-碳鍵（372kJ/mol），這使得聚四氟乙烯化學惰性和熱穩定性非常優異；另外氟原子具有極大的電負性，而且TFE單體具有完美的對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較好的延展性和極低的表面摩擦系數，同時也使得聚四氟乙烯的耐蠕變能力較差，容易出現冷流現象。

3.2 聚四氟乙烯的特性

（1）極高的化學穩定性：聚四氟乙烯能承受包括王水、濃鹽酸、硝酸、發煙硫酸、有機酸、氫氟酸等，也能承受有機溶劑、強氧化劑強還原劑以及強堿的作用。（2）溫度范圍很廣泛：聚四氟乙烯使用溫度區域在-190℃～260℃，即使在超低溫-260℃的以下仍保持一定的撓曲性。（3）優良的不粘性：聚四氟乙烯的表面能是目前固體材料中發現最小的一種，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）極高的熱穩定性：聚四氟乙烯的熔點為327℃，遠高于一般的高聚物，其斷裂強度和抗屈強度在260℃仍然很高，使其擁有良好的不燃性。[3]

4 實驗設計思路

構建實驗平臺，用簡單易得的工具和道具模擬船用鍋爐，利用廢氣發生器產生大量油煙氣，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，一段時間后觀察排煙管涂層側和未涂層側結灰情況，最后，對廢氣成分測定，和船用鍋爐廢氣對比，通過對比得知聚四氟乙烯材料的應用價值。

高分子材料（聚四氟乙烯）功用體現：耐高溫，易于成型，涂于排煙管內側，形成表面光滑，不利于煙灰附著的保護層，且使煙管清洗方便，抗低溫腐蝕，能力大大提高。實驗裝置原理圖（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：擬用鐵皮管道內表面一半涂有高分子材料，另一半不做處理，如圖1。

5 結束語

世界經濟的發展很多時候需要依靠海洋來完成，而且船舶污染也是當今社會關注的焦點。本實驗擬用聚四氟乙烯材料圖層于鍋爐排煙管內側，從而達到減少鍋爐積灰，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環境的污染，也可降低船舶鍋爐的排氣溫度，大大提高船舶經濟性。減少航運對海洋生態的影響，增加船舶收益，對整個海洋生態和航運界都有重要意義。

參考文獻

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

[2]張基標，郝衛，趙之軍，等.鍋爐煙氣低溫腐蝕的理論研究和工程實踐[J].工程動力學報，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.