氟塑料換熱器應(yīng)用于超低排放燃煤機(jī)組的可行性研究

鮑 聽，李復(fù)明， 李文華， 柳秀實(shí)

（1.浙江浙能技術(shù)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(yīng)用于超低排放燃煤機(jī)組的可行性研究

鮑 聽1，李復(fù)明1， 李文華2， 柳秀實(shí)2

（1.浙江浙能技術(shù)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(jī)組的水媒管式煙氣換熱器長(zhǎng)期在酸露點(diǎn)溫度以下服役，面臨冷凝酸液腐蝕、積垢等問(wèn)題，選擇合適的材料才能保證設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)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(shì)。從材料特性、換熱器設(shè)計(jì)、經(jīng)濟(jì)性等方面，對(duì)氟塑料換熱器在超低排放燃煤機(jī)組中的應(yīng)用可行性進(jìn)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(guò)煙氣冷卻器吸收脫硫前原煙氣的熱量，再由煙氣加熱器對(duì)脫硫后的凈煙氣進(jìn)行加熱，從而消除煙囪“冒白煙”、“石膏雨”等污染現(xiàn)象，同時(shí)還能降低脫硫耗水量。

WGGH換熱器布置于鍋爐尾部煙道，長(zhǎng)期在酸露點(diǎn)溫度以下服役，面臨低溫腐蝕[1]、飛灰積垢等問(wèn)題，工作環(huán)境惡劣。目前已投運(yùn)超低排放機(jī)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(dǎo)致的換熱效率下降等問(wèn)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(jī)組運(yùn)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(yīng)用，但作為換熱器應(yīng)用于火力發(fā)電廠則是一個(gè)全新的領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究較少。以下從材料特性、換熱器設(shè)計(jì)及經(jīng)濟(jì)性方面對(duì)氟塑料換熱器在超低排放機(jī)組中的應(yīng)用可行性進(jìn)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(chǎn)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(yīng)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(chǔ)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(xì)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(lǐng)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(duì)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(yīng)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(yàn)失重速率

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

以下研究設(shè)計(jì)了浸泡試驗(yàn)，模擬低溫腐蝕工況，對(duì)PTFE及常用金屬材料的耐腐蝕性進(jìn)行定量對(duì)比。腐蝕液成分30%H2SO4+HCl（3 000 mg/L）+HF（20 mg/L），試驗(yàn)溫度70℃，時(shí)間72 h。

圖1給出了各種材料在浸泡試驗(yàn)中的腐蝕速率?？梢钥吹?，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(wú)任何腐蝕失重，表現(xiàn)出極佳的耐腐蝕性能。

對(duì)已投用超低排放機(jī)組WGGH進(jìn)行的調(diào)研，也證實(shí)了金屬換熱器在低溫?zé)煔庵幸装l(fā)生腐蝕。圖2為某1 000 MW機(jī)組于2014年完成超低排放改造運(yùn)行8個(gè)月后的照片，可以看到WGGH煙氣加熱器的316L管殼發(fā)生了嚴(yán)重的點(diǎn)蝕。

圖2 某1 000 MW機(jī)組煙氣加熱器管殼的腐蝕

表2為該機(jī)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(cè)得的數(shù)據(jù)）。測(cè)試結(jié)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(jī)組WGGH垢樣分析 mg/L

根據(jù)文獻(xiàn)[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(wèn)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(chǎn)生的酸性冷凝液不僅會(huì)腐蝕換熱器，還會(huì)粘附飛灰形成灰垢。灰垢在金屬管壁上不斷積累，會(huì)形成堅(jiān)硬的水泥狀包覆層，牢牢附著在管壁上，很難進(jìn)行徹底的清理。圖3為某1 000 MW超低排放機(jī)組運(yùn)行約8個(gè)月左右，WGGH換熱器金屬管表面的積垢情況。

圖3 某1 000 MW機(jī)組WGGH換熱器積垢

積垢會(huì)對(duì)WGGH的換熱效率造成顯著影響，該機(jī)組運(yùn)行時(shí)間不到1年，由于金屬換熱管積垢嚴(yán)重造成換熱效率下降，需要頻繁投用蒸汽補(bǔ)熱才能使排煙溫度達(dá)到設(shè)計(jì)值（≥80℃）。WGGH換熱管的積垢問(wèn)題在新建及改建的超低排放機(jī)組中普遍存在，已經(jīng)成為困擾WGGH安全運(yùn)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(zhì)發(fā)生吸附作用，也不會(huì)被水、油等液體所潤(rùn)濕，因此具有極佳的抗積垢性能。圖4為德國(guó)Lippendorf發(fā)電廠于1995年對(duì)PTFE換熱管進(jìn)行清潔度測(cè)試的照片，試驗(yàn)證明PTFE換熱管在鍋爐尾部煙氣中工作較長(zhǎng)時(shí)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(cè)試

采用氟塑料換熱器，可解決WGGH的積垢問(wèn)題。此外，由于氟塑料不會(huì)被水潤(rùn)濕，因此可采用噴淋裝置對(duì)換熱管進(jìn)行在線清洗，清除換熱管表面的浮灰，令換熱器在運(yùn)行過(guò)程仍能保持良好的清潔度。

1.4 傳熱性能

PTFE其熱導(dǎo)率（λ）較低，僅為0.24 W/（m·K），而金屬材料的熱導(dǎo)率一般為10～50 W/（m·K）。如圖5所示，PTFE的熱導(dǎo)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(shí)的熱導(dǎo)率

但是，較低的熱導(dǎo)率并不會(huì)影響氟塑料作為換熱器材料的工程應(yīng)用。因?yàn)榉芰峡梢灾谱鞒尚≈睆奖”诠?，從而提高換熱管的傳熱系數(shù)，彌補(bǔ)材料熱導(dǎo)率的不足。根據(jù)傳熱學(xué)原理，管束式換熱器的傳熱系數(shù)可按照公式（1）計(jì)算。

式中：Ko為外表面平均傳熱系數(shù)；hi為管內(nèi)壁換熱系數(shù)；ho為管外壁換熱系數(shù)；ri為管內(nèi)壁污垢熱阻；ro為管外壁污垢熱阻；λ為熱導(dǎo)率；di為管內(nèi)徑；do為管外徑。

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

計(jì)算結(jié)果顯示，PTFE管的初始傳熱系數(shù)是316L管的76.5%。在實(shí)際使用過(guò)程中，金屬管的傳熱系數(shù)會(huì)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(shù)能夠基本保持恒定。

綜合上述分析，通過(guò)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(shè)計(jì)

2.1 換熱器結(jié)構(gòu)

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(zhì)區(qū)別，但由于材料特性的不同，氟塑料換熱器在實(shí)際應(yīng)用時(shí)需進(jìn)行有針對(duì)性的設(shè)計(jì)，例如：

（1）為了克服氟塑料導(dǎo)熱系數(shù)低的缺點(diǎn)，氟塑料換熱器需要采用小直徑薄壁管密集布置的結(jié)構(gòu)，以獲得與金屬換熱器相當(dāng)?shù)膫鳠嵝阅?。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(cè)的壓損。

（2）由于氟塑料管具有柔性，水平放置時(shí)會(huì)產(chǎn)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(duì)換熱管束進(jìn)行固定。

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

（4）對(duì)換熱器殼體的內(nèi)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(jí)。

為了探索氟塑料換熱器作為WGGH應(yīng)用于燃煤機(jī)組的工程可行性，設(shè)計(jì)并制作了小型試驗(yàn)裝置，放置于某330 MW機(jī)組的脫硫吸收塔出口煙道。對(duì)氟塑料換熱器在鍋爐尾部煙道惡劣工況下長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。圖6、圖7分別為試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)參數(shù)。

圖6 氟塑料換熱器試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)

2.2 布置方式

超低排放燃煤機(jī)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(yù)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(yàn)裝置設(shè)計(jì)參數(shù)

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(dāng)采用布置方式一時(shí)，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(zhǎng)期運(yùn)行可能會(huì)面臨蠕變以及飛灰磨損的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)采用布置方式二時(shí)，煙氣冷卻器所處位置的煙溫已接近酸露點(diǎn)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(shì)，而且煙氣加熱器與煙氣冷卻器的距離更近，整套WGGH設(shè)備也可以設(shè)計(jì)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(huì)定期進(jìn)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(duì)金屬換熱管的迎風(fēng)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(wèn)題。

基于以上比較和分析，采用氟塑料換熱器時(shí)，WGGH適宜采用布置方式二。

3 氟塑料換熱器經(jīng)濟(jì)性分析

圖10給出了金屬以及氟塑料換熱管的原材料價(jià)格，可以看到氟塑料換熱管40萬(wàn)元/t的價(jià)格，高于316L、鈦等大多數(shù)金屬材料，但仍低于哈氏合金C22，后者的價(jià)格高達(dá)52萬(wàn)元/t。

圖10 換熱管原材料價(jià)格

氟塑料換熱器由于原材料價(jià)格較高，制造工藝也相對(duì)復(fù)雜，因此投資費(fèi)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(hù)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(yīng)該以全壽命周期成本來(lái)比較氟塑料換熱器與傳統(tǒng)的金屬換熱器的經(jīng)濟(jì)性。

以一臺(tái)1 000 MW超低排放機(jī)組為例，預(yù)計(jì)使用年限為20年。WGGH采用金屬時(shí)，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(wàn)元。后期維護(hù)費(fèi)用方面，根據(jù)日本碧南發(fā)電廠的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，金屬WGGH每隔3年需要更換部分換熱管，單臺(tái)檢修費(fèi)用約為300萬(wàn)元，20年的維護(hù)費(fèi)用累計(jì)約為2 000萬(wàn)元。

WGGH采用氟塑料時(shí)，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(wàn)元。氟塑料換熱器的設(shè)計(jì)使用壽命超過(guò)20年，基本不產(chǎn)生后期維護(hù)費(fèi)用。

由表3可見，1 000 MW超低排放機(jī)組采用氟塑料WGGH時(shí)，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(jīng)濟(jì)性對(duì)比

4 結(jié)論

從材料特性、換熱器設(shè)計(jì)以及經(jīng)濟(jì)性等方面，對(duì)氟塑料在超低排放燃煤機(jī)組WGGH中的應(yīng)用的可行性進(jìn)行了研究，并得出以下結(jié)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(shù)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(shí)際應(yīng)用中，氟塑料WGGH應(yīng)盡量采用小徑管密集布置的設(shè)計(jì)，以達(dá)到與金屬換熱器相近的傳熱系數(shù)，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(hù)成本低，其全壽命周期成本低于金屬WGGH，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

[1]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].動(dòng)力工程學(xué)報(bào)，2011，31（10）∶730-733.

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

[3]錢頌文．換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

原標(biāo)題：氟塑料換熱器在超低排放燃煤機(jī)組中的應(yīng)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(shè)備失效分析、新材料研究。