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(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)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(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院南通分院 南通 226001）

鍋爐低溫?fù)Q熱器在運(yùn)行中普遍存在低溫腐蝕、結(jié)露積灰等問題，本文從耐蝕、換熱、經(jīng)濟(jì)等多個(gè)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?fù)Q熱器應(yīng)用中的優(yōu)劣與特點(diǎn)，促進(jìn)不同使用條件下，優(yōu)選出材質(zhì)匹配最佳的低溫?fù)Q熱器。

低溫腐蝕 性能比較 材料優(yōu)選

目前，我國(guó)大型電站鍋爐每年消耗約15億噸標(biāo)煤，其運(yùn)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(shè)計(jì)120~140℃的排煙溫度計(jì)算，進(jìn)行深度余熱回收，通過利用50%的煙氣余熱可每年節(jié)約標(biāo)煤0.35億噸，相當(dāng)于近40臺(tái)600MW火力發(fā)電機(jī)組的年耗煤，同時(shí)余熱排放的減少，能夠有效降低環(huán)境熱污染，每年減排CO2近億噸，并實(shí)現(xiàn)煙氣中SOx和NOx等有害氣體的減排[1]。

針對(duì)鍋爐尾部的煙氣余熱深度回收主要是采用低溫?fù)Q熱器系統(tǒng)，根據(jù)布置和用途又分為水媒管式GGH技術(shù)和低壓省煤器技術(shù)[2]。水媒管式GGH系統(tǒng)在除塵入口煙道布置降溫?fù)Q熱器上，利用熱工質(zhì)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?fù)Q熱器，由熱工質(zhì)向脫硫塔出口濕煙氣放熱，使煙溫加熱到80℃左右進(jìn)入煙囪。低壓省煤器技術(shù)則是直接采用電廠回?zé)嵯到y(tǒng)冷凝水作為回收熱工質(zhì)，將回收到的煙氣熱量返回汽輪機(jī)側(cè)繼續(xù)膨脹做功，節(jié)省部分汽輪機(jī)回?zé)岢闅?，?shí)現(xiàn)低溫余熱利用，其換熱條件與省煤器相似，但水側(cè)壓力遠(yuǎn)低于省煤器。

煙氣余熱深度回收必將進(jìn)一步降低煙氣溫度，因此技術(shù)應(yīng)用中必須突破材料對(duì)煙氣酸露點(diǎn)的限制，受熱面運(yùn)行中需要克服低溫腐蝕、結(jié)露積灰等問題，同時(shí)又要綜合考慮使用壽命、造價(jià)成本、換熱運(yùn)行效果等經(jīng)濟(jì)性問題。

1 露點(diǎn)腐蝕與耐蝕材料

煙氣露點(diǎn)腐蝕是燃料燃燒時(shí)燃料中的硫和氯類物質(zhì)形成二氧化硫、三氧化硫和氯化氫，低溫（露點(diǎn)及以下）遇水蒸氣形成酸從而對(duì)金屬造成的腐蝕[3]。其損傷機(jī)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(diǎn)溫度，當(dāng)煙氣溫度降低到一定程度，硫酸蒸汽會(huì)在換熱器表面凝結(jié)形成持續(xù)腐蝕，并且粘附在表面的溶液會(huì)吸附煙氣中的灰顆粒，通過一系列復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)形成一層“水泥狀”物質(zhì)，導(dǎo)致嚴(yán)重積灰，惡化換熱過程。

因此，低溫?fù)Q熱器的選材在保證良好低溫?fù)Q熱性能的同時(shí)，需要兼顧克服稀硫酸蒸汽腐蝕、方便清理積灰等特點(diǎn)。目前低溫?fù)Q熱面的常用材質(zhì)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(yīng)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(shí)間后，在鋼的疏松外腐蝕產(chǎn)物層和基體之間形成含有合金元素的非晶產(chǎn)物層α-FeOOH層，阻礙腐蝕介質(zhì)進(jìn)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(hù)膜，陽(yáng)極電位極化，微弱的電流降低ND鋼腐蝕速度，使用中表現(xiàn)出優(yōu)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?cái)?shù)量，此外Cr使鋼的表面形成結(jié)構(gòu)致密、不溶入腐蝕介質(zhì)、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(xué)穩(wěn)定性，在腐蝕劑酸、堿、鹽及氧化性不強(qiáng)的介質(zhì)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(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，除了在熔融堿金屬、元素氟及芳香烴類有腐蝕現(xiàn)象外，在其余各種濃度的酸類、氧化劑類、堿類和有機(jī)溶劑中均呈惰性反應(yīng)。

2 不同受熱面材料性能比較

針對(duì)以上五類常用耐蝕材料，可以從結(jié)構(gòu)、工藝和運(yùn)行等多個(gè)方面，比較分析不同材料在低溫受熱面上的應(yīng)用效果，有利于根據(jù)不同換熱需求與鍋爐運(yùn)行狀態(tài)，選取合理適用的低溫?fù)Q熱面。

2.1 耐蝕性能

金屬材料的腐蝕速度主要受到凝結(jié)硫酸濃度和金屬壁溫等因素的影響。一般說(shuō)來(lái)，金屬腐蝕速度隨著硫酸濃度增加而增快，當(dāng)濃度達(dá)到56%左右時(shí)腐蝕速度最大，之后隨著鈍化作用腐蝕速度又會(huì)急劇下降；此外，金屬溫度越低，化學(xué)反應(yīng)速度越慢，腐蝕速度相應(yīng)降低，一般金屬尾部受熱面最大腐蝕點(diǎn)壁溫比酸露點(diǎn)低20~45℃[4]。

浙江大學(xué)周靄琳通過系列人工加速金屬材料腐蝕速率實(shí)驗(yàn)，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(shí)，corten耐候鋼和ND鋼最大腐蝕速率相近，前者達(dá)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(jìn)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(yuǎn)遠(yuǎn)低于另兩種常用耐蝕金屬的腐蝕速率。

圖1 硫酸對(duì)金屬材料腐蝕速率比較[5]

石墨材料應(yīng)用于工業(yè)，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(fā)現(xiàn)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(shí)石墨失重能夠控制在0.01%左右。

浙江浙能對(duì)氟塑料的腐蝕速率進(jìn)行試驗(yàn)比對(duì)，腐蝕液成分按照鍋爐尾部低溫腐蝕環(huán)境，選擇30%H2SO4+HCl(3000mg/L)+HF(20mg/L)的成分配比，在70℃環(huán)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(wú)任何腐蝕失重，表現(xiàn)出極佳的耐腐蝕性能[7]。

2.2 換熱結(jié)構(gòu)與性能

金屬材料的鍋爐低溫?fù)Q熱裝置多采用列管式布置，結(jié)構(gòu)大致相同(見圖2)，為增加擴(kuò)展受熱面，普遍采用H翅片管或螺旋翅片管，采用模塊化設(shè)計(jì)，可將換熱管排、集水箱、框架等在廠內(nèi)加工完成整體出廠，減少管排吊裝過程中的變形受損和現(xiàn)場(chǎng)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(dǎo)熱系數(shù)，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(dǎo)熱系數(shù)則相對(duì)較小，常溫下一般在15～16W/(m·K)。因此，采用相同結(jié)構(gòu)和尺寸的換熱裝置，且換熱介質(zhì)的性質(zhì)、溫度、流動(dòng)條件相同，即對(duì)流換熱條件相同時(shí)，按照傳熱系數(shù)計(jì)算公式，采用ND鋼和耐候鋼制造的低溫?fù)Q熱器，換熱效果更佳。

式中：

K——總傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；

αW，αN——內(nèi)、外表面對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；

δ——管壁厚度，m；

λ——管壁導(dǎo)熱系數(shù)，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(yōu)良耐蝕性能的同時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)能達(dá)到40~120W/(m·K)，因此在化工貯存、換熱等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。石墨材料在鍋爐尾部低溫?fù)Q熱面得到試驗(yàn)性運(yùn)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(jié)構(gòu)，石墨圓塊縱向和橫向開有相互交錯(cuò)的孔道，橫向孔內(nèi)通過鍋爐軟水，縱向孔內(nèi)流過高溫?zé)煔猓哌M(jìn)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(diǎn)是導(dǎo)熱系數(shù)較低，一般是金屬的1/30~1/10，因此所需換熱面積較大，實(shí)際應(yīng)用中采用薄壁小直徑管密集排列技術(shù)保證換熱面積[9](見圖4)，并提高流速增加對(duì)流換熱系數(shù)。換熱管壁厚約為1 mm，每個(gè)管束包含有上千根懸吊結(jié)構(gòu)管子，中間設(shè)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(zhǎng)期運(yùn)行結(jié)垢的金屬換熱器相比，二者傳熱系數(shù)差值隨著長(zhǎng)期運(yùn)行逐漸縮小。

圖4 氟塑料換熱器管束

2.3 經(jīng)濟(jì)性能

耐蝕金屬價(jià)格與耐蝕性能相對(duì)應(yīng)，耐蝕性能越優(yōu)良，所制低溫?fù)Q熱器使用壽命越長(zhǎng)，金屬價(jià)格越貴，目前市場(chǎng)上耐候鋼管在5000元/t左右，所制低溫?fù)Q熱器使用壽命2~3年，ND鋼管價(jià)格則在8000~10000元/t，所制低溫?fù)Q熱器使用壽命3~5年，316L不銹鋼管價(jià)格普遍要達(dá)到30000元/t以上，但其使用壽命也超過10年。

石墨換熱器價(jià)格普遍在800~1500元/m2，內(nèi)部采用石墨換熱元件，外殼采用金屬內(nèi)襯防腐材料，整體造價(jià)低于316L不銹鋼換熱器，但略高于ND鋼低溫?fù)Q熱器，其使用壽命從目前試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，可以穩(wěn)定運(yùn)行8年以上。

氟塑料低溫省煤器內(nèi)部采用密集排布小徑管，為降低換熱系數(shù)影響，保證換熱效果，其換熱面積一般設(shè)計(jì)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(jià)約為316L不銹鋼換熱器的1.5~2倍，但其使用壽命也長(zhǎng)達(dá)15年以上。

2.4 局限性

金屬制低溫?fù)Q熱器的局限性主要體現(xiàn)在使用結(jié)垢問題。水側(cè)由于鈣、鎂硫酸鹽及懸浮物質(zhì)，結(jié)成水垢的導(dǎo)熱系數(shù)僅為金屬的幾十分之一，煙氣側(cè)由于煙氣中的飛灰與水蒸氣冷凝，結(jié)成的灰垢的導(dǎo)熱系數(shù)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(zhǎng)期運(yùn)行換熱面換熱效率變差，且煙風(fēng)阻力上升，會(huì)增加鍋爐風(fēng)機(jī)電耗。

非金屬制低溫?fù)Q熱器普遍不易黏附且耐磨性能良好，可以設(shè)計(jì)蒸汽吹掃或者清水沖洗的方式進(jìn)行清理，但其換熱面積設(shè)計(jì)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(zhǎng)度小于10m的光管，在換熱面積需求較大時(shí)，需要采用多個(gè)模塊串聯(lián)或者并聯(lián)的方式，會(huì)進(jìn)一步制造成本和流通阻力；氟塑料因?yàn)閷?dǎo)熱性能較差，換熱器相應(yīng)設(shè)計(jì)換熱面積較大，換熱管大量采用管徑小于20mm、長(zhǎng)度大于10m小徑光管，長(zhǎng)期運(yùn)行撓曲變形嚴(yán)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(nèi)壁的防腐性能都難以匹配換熱管壽命，使換熱器整體運(yùn)行壽命縮短。

3 結(jié)論

通過分析五種耐蝕材料性能與低溫省煤器應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，將其應(yīng)用于鍋爐低溫受熱面的優(yōu)劣特點(diǎn)列入表1進(jìn)行比較，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

表1 不同材料應(yīng)用于鍋爐低溫受熱面比較

1）金屬制換熱器均存在長(zhǎng)期運(yùn)行結(jié)垢難清理問題，非金屬制換熱器耐蝕性能不易結(jié)垢，積灰清理相對(duì)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(jià)低廉，但耐蝕性較差，使用壽命相對(duì)較短，不銹鋼換熱器（316L）耐蝕性能良好，但造價(jià)較高，且換熱效果一般；

3）石墨低溫?fù)Q熱器耐蝕與換熱效果均表現(xiàn)良好，但脆性結(jié)構(gòu)導(dǎo)致?lián)Q熱面積增加困難，難于滿足大型鍋爐的低溫?fù)Q熱面積需求；氟塑料換熱器耐蝕性能優(yōu)異，且不易結(jié)垢，但換熱效果較差，長(zhǎng)期運(yùn)行后結(jié)垢金屬換熱器相比差距減小。

因此，為鍋爐配置低溫?fù)Q熱器進(jìn)行余熱回收時(shí)，考慮以上各種材料的優(yōu)缺點(diǎn)，建議選取低溫?fù)Q熱器材質(zhì)原則如下：

1）在用鍋爐添設(shè)低溫?fù)Q熱器節(jié)能時(shí)，根據(jù)鍋爐剩余壽命或改造周期，選擇使用壽命與造價(jià)成本適合的低溫?fù)Q熱器，譬如按照城市規(guī)劃五年以內(nèi)會(huì)拆除的鍋爐，可以選擇造價(jià)低廉、換熱良好的ND 鋼換熱器；

2）大型鍋爐出廠配套時(shí)，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(yùn)行周期內(nèi)頻繁更換換熱器造成的運(yùn)行成本損耗；

3）考慮到石墨低溫?fù)Q熱器優(yōu)良的耐蝕與換熱性能，且造價(jià)適中，在小型燃油燃?xì)忮仩t進(jìn)行冷凝余熱回收時(shí)，能夠保證余熱回收效果的同時(shí)，具有較長(zhǎng)使用壽命；

4）大型低溫?fù)Q熱裝置可以采用多級(jí)不同材料組裝形式，譬如前兩組高溫區(qū)采用ND鋼，在后兩組低溫區(qū)采用316L不銹鋼，在降低造價(jià)成本、保證余熱回收的同時(shí)，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(tǒng)節(jié)能分析與優(yōu)化研究[D]． 北京：華北電力大學(xué)，2013．

[2] 舒喜，申智勇，葉毅．低溫省煤器在燃煤電廠的應(yīng)用[C]．第16屆中國(guó)電除塵學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，2015：281-285．

[3] GB/T 30579—2014 承壓設(shè)備損傷模式識(shí)別[S]．

[4] 韓明杰，劉金敬．燃?xì)忮仩t尾部受熱面低溫腐蝕的原因及預(yù)防措施[J]．冶金動(dòng)力，2007，(4)：51-52．

[5] 周靄琳．低溫?fù)Q熱器系統(tǒng)的腐蝕積灰試驗(yàn)研究[D]．北京：華北電力大學(xué)，2015．

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

[7] 鮑聽，李復(fù)明，李文華，等．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[J]．浙江電力，2015，(11)：74-78．

[8] 王巖．氟塑料低溫省煤器在燃煤電站的應(yīng)用[J]．能源與節(jié)能，2013，(5)：119-120．

[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(fā)[C]．2012年全國(guó)特種設(shè)備安全與節(jié)能學(xué)術(shù)會(huì)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(yàn)、壓力容器檢驗(yàn)工作。

2016-06-13）