氟塑料換熱器在煙氣余熱回收領(lǐng)域中的應(yīng)用分析

胡 清， 蔣 文， 朱文中， 楊 鵬

發(fā)電技術(shù)

氟塑料換熱器在煙氣余熱回收領(lǐng)域中的應(yīng)用分析

胡 清1，2， 蔣 文1，2， 朱文中1，2， 楊 鵬1，2

（1.華電電力科學(xué)研究院，浙江杭州310030；2.杭州華電能源工程有限公司，浙江杭州310030）

從燃煤火力發(fā)電行業(yè)中的煙氣余熱回收領(lǐng)域出發(fā)，介紹了氟塑料換熱器技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀，并以某600MW機組為例，對比分析了氟塑料換熱器作為煙氣換熱器相比于金屬換熱器的技術(shù)優(yōu)勢。得出以下主要結(jié)論：氟塑料換熱器相比于金屬換熱器具有耐低溫酸腐蝕、傳熱系數(shù)大、重量輕等特點，且氟塑料換熱器設(shè)備投資費用低、設(shè)備改造工程量小、運行維護(hù)費用低。

氟塑料換熱器； 金屬換熱器； 低溫酸腐蝕； 傳熱系數(shù)

0 引言

鍋爐效率是衡量火力發(fā)電機組經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)之一，在各類鍋爐熱損失中，排煙熱損失占鍋爐總的熱損失一半以上[1]。研究結(jié)果表明：鍋爐排煙溫度每上升20℃，鍋爐效率約降低1%，機組標(biāo)煤耗將上升3g/（kW·h）[2]。

目前，回收鍋爐排煙余熱的主要方式是采用低溫省煤器技術(shù)，通過低溫省煤器將尾部煙氣余熱轉(zhuǎn)移至低加系統(tǒng)的凝結(jié)水或供熱系統(tǒng)的熱網(wǎng)水中。但由于國內(nèi)火力發(fā)電廠燃用煤種的含硫量較高，低溫省煤器設(shè)備在運行時常出現(xiàn)金屬換熱器的低溫酸腐蝕問題，嚴(yán)重危害到機組的安全穩(wěn)定運行；若要避免金屬換熱器的低溫酸腐蝕問題，則無法有效地實現(xiàn)鍋爐尾部煙氣余熱的回收利用。另外，國內(nèi)電廠在陸續(xù)投入石灰石濕法脫硫系統(tǒng)后，由于脫硫塔出口凈煙氣溫度很低，“白

煙囪”問題嚴(yán)重。為提升凈煙氣溫度，有效改善“白煙囪”問題，必須投入凈煙氣再熱器，此時，金屬換熱器也不可避免的會出現(xiàn)鹽酸、氟酸等酸腐蝕問題。

在使用金屬換熱器受到低溫酸腐蝕問題限制的情況下，氟塑料換熱器以其耐腐蝕、傳熱系數(shù)大、重量輕等獨到特點，完全避免了換熱器的低溫酸腐蝕問題，近年來受到廣泛關(guān)注。以下從氟塑料換熱器的技術(shù)特性及應(yīng)用現(xiàn)狀出發(fā)，對比分析了氟塑料換熱器相比于金屬換熱器的技術(shù)優(yōu)勢，為煙氣余熱回收領(lǐng)域中換熱器的設(shè)計選型提供參考。

1 氟塑料換熱器技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，用于氟塑料換熱器的材料主要有聚四氟乙烯（PTFE），四氟乙烯與全氟代烷基乙烯基醚共聚物（PFA）和聚全氟代乙丙烯（FEP）[3]。其材質(zhì)具有耐腐蝕、摩擦系數(shù)小的特點，且能耐高溫，可長期使用在250℃以下的環(huán)境內(nèi)[4～7]。

早期的氟塑料換熱器主要用于處理化工腐蝕材質(zhì)[8]，美國杜邦公司最早于1965年將PTFE熱交換器應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。此后，隨著氟塑料換熱器技術(shù)的推廣，目前該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于石油化工、制藥、紡織、印染等領(lǐng)域[9～11]。

近年來，在氟塑料換熱器的基礎(chǔ)上，陸續(xù)開發(fā)出了氟塑料-石墨板式換熱器[12～15]以及AlWaFlon氟塑料換熱器等設(shè)備。氟塑料-石墨板式換熱器結(jié)合了氟塑料與石墨兩種材質(zhì)的優(yōu)良性能，同時具有較高的導(dǎo)熱性能和機械強度、以及優(yōu)異的耐腐蝕性能，適用于處理高合金和貴金屬也難以適用的強腐蝕介質(zhì)環(huán)境。

AlWaFlon氟塑料換熱器技術(shù)由沃斯坦公司（Wallstein）和杜邦公司（Dupont）聯(lián)合研發(fā)，該技術(shù)在國外已經(jīng)實現(xiàn)了在火力發(fā)電廠、生物發(fā)電裝置、垃圾焚燒電站、石油化工裝置等領(lǐng)域的煙氣余熱回收中的廣泛應(yīng)用。但在國內(nèi)大型火力發(fā)電機組的應(yīng)用較少。表1為AlWaFlon?氟塑料換熱器技術(shù)的部分應(yīng)用業(yè)績。

表1 部分AlWaFlon?氟塑料換熱器應(yīng)用業(yè)績

2 技術(shù)對比分析

氟塑料換熱器與金屬換熱器在技術(shù)特性上存在較大的差別，以某600MW機組為例，通過計算，對比分析了分別采用金屬換熱器和氟塑料換熱器作為煙氣換熱器的技術(shù)特性。

2.1 換熱器設(shè)計參數(shù)

考慮到除塵器的運行效率并避免尾部煙道其它設(shè)備受到低溫酸腐蝕問題，煙氣換熱器布置在除塵器后、脫硫塔前的煙道內(nèi)。根據(jù)脫硫系統(tǒng)的運行特性和水平衡需求，設(shè)計計算換熱器入口煙氣溫度為118℃，出口煙氣溫度為85℃。為保證換熱器合適的傳熱溫壓，換熱器進(jìn)出口水溫分別取為65℃、90℃。

在THA工況下，該600MW機組煙氣換熱器設(shè)計參數(shù)見表2。

表2 換熱器設(shè)計參數(shù)

2.2 換熱器結(jié)構(gòu)特性對比

根據(jù)表2的換熱器設(shè)計參數(shù)，分別對采用金屬換熱器和氟塑料換熱器的換熱器結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計計算，兩種換熱器的主要結(jié)構(gòu)計算結(jié)果見表3。

從以上結(jié)構(gòu)參數(shù)對比，可以看出氟塑料換熱器對比于金屬換熱器存在以下結(jié)構(gòu)特點：1）氟塑料換熱管管徑為φ8×0.7mm，其換熱管的比表面積遠(yuǎn)大于φ38×4mm的金屬換熱管；2）氟塑料換熱器的截面尺寸為6.1m×4.8m，比金屬換熱器的6.6m×5.5m小；3）氟塑料換熱器的重量僅27t，遠(yuǎn)小于金屬換熱器的304t。

2.3 換熱器綜合特性對比

（1）低溫酸腐蝕特性。由于換熱器水側(cè)運行溫度均低于煙氣酸露點溫度，換熱器在運行時，不可避免的會出現(xiàn)換熱器的低溫酸腐蝕問題。為解決此問題，金屬換熱器采用高溫段、低溫段換熱器分兩級布置，并使用耐

低溫酸腐蝕的換熱管。其中，高溫段換熱器采用ND鋼材質(zhì)，低溫段換熱器為2205材質(zhì)。而氟塑料換熱器則由于其材質(zhì)具有耐強酸強堿腐蝕的特性，換熱器不存在低溫酸腐蝕問題。

表3 換熱器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

（2）傳熱特性。雖然氟塑料換熱管的導(dǎo)熱系數(shù)較金屬換熱管低，但由于采用管徑小及壁厚薄的換熱管，因此氟塑料換熱管的導(dǎo)熱熱阻較小。同時，采用較小管徑的換熱管，其特征尺寸相比金屬換熱器的小。因此在相近的煙氣流速下，氟塑料換熱器的傳熱系數(shù)達(dá)到82.1 W/（m2·K），遠(yuǎn)高于金屬換熱器的42.6W/（m2·K）。

（3）工程改造特性。該煙氣換熱器需要金屬換熱器304t，而氟塑料換熱器僅需27t，約為金屬換熱器的1/11。因此，在工程改造過程中，金屬換熱器較氟塑料換熱器的土建施工及安裝難度大。另外，氟塑料換熱器的空間尺寸較金屬換熱器小，因此氟塑料換熱器在安裝時對煙道的擴展工程量也較小。

（4）運行維護(hù)特性。氟塑料換熱器運行阻力小于金屬換熱器，因此氟塑料換熱器增加的風(fēng)機電耗較少，對機組運行特性的影響較金屬換熱器小。同時，氟塑料換熱器不存在低溫酸腐蝕問題，在250℃以下的環(huán)境內(nèi)可長期使用，即不存在換熱器的壁溫控制問題，因此氟塑料換熱器的運行維護(hù)費用很低。

2.4 換熱器經(jīng)濟(jì)特性對比

考慮到金屬換熱器的低溫酸腐蝕問題，金屬換熱器分高溫段、低溫段兩級布置，其中高溫段為ND鋼材質(zhì)，換熱器重120t；低溫段為2205材質(zhì)，換熱器重184t。

根據(jù)市場調(diào)研結(jié)果，兩種材質(zhì)的煙氣換熱器經(jīng)濟(jì)特性對比情況見表4。

表4 換熱器經(jīng)濟(jì)特性對比

由表4的經(jīng)濟(jì)特性對比分析可知，金屬換熱器設(shè)備本體需投資1 296萬元，略高于氟塑料換熱器的投資1215萬元；金屬換熱器的工程改造費用為300萬元，遠(yuǎn)高于氟塑料換熱器的70萬元；金屬換熱器的運行維護(hù)費用為50萬元/a，遠(yuǎn)高于氟塑料換熱器的20萬元/a。

3 結(jié)語

文章以某600MW機組為例，對氟塑料換熱器的特點及應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹，并對氟塑料換熱器和金屬換熱器進(jìn)行了對比分析，得出以下主要結(jié)論：

（1）相比于金屬換熱器，氟塑料換熱器具有耐低溫酸腐蝕的特點，因此換熱器在運行時無需考慮低溫腐蝕問題，即不存在換熱器的壁溫控制問題，因此氟塑料換熱器的運行維護(hù)費用遠(yuǎn)低于金屬換熱器。

（2）相比于金屬換熱器，氟塑料換熱器的傳熱系數(shù)大，因此在相同的換熱器設(shè)計參數(shù)條件下，氟塑料換熱器的傳熱面積小，而且氟塑料換熱管的密度較金屬的小，因此氟塑料換熱器的重量輕。

（3）相比于金屬換熱器，氟塑料換熱器的設(shè)備本體投資略小，且工程改造、運行維護(hù)費用要低很多。

隨著節(jié)能減排工作的日益推廣，氟塑料換熱器技術(shù)必將在十三五國家煤電節(jié)能升級減排改造計劃行動中得到更廣泛的應(yīng)用。

[1]徐鋼，許誠，楊勇平.電站鍋爐余熱深度利用及尾部受熱面綜合優(yōu)化[J].中國電機工程學(xué)報，2013，33（14）：1～8.

[2]譚青，王東平，王偉敏，等.鍋爐煙氣余熱回收裝置[J].上海節(jié)能，2012，31（5）：30～33，36.

[3]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.[4]孫玉紅.聚四氟乙烯的性能與應(yīng)用[J].科技資訊，2008，（12）：6-6.

[5]歐陽錄春，謝雪梅，俞衛(wèi)剛，等.塑料換熱器在溴化鋰吸收式制冷機中的應(yīng)用[J].暖通空調(diào)，2005，35（3）：65～68.

[6]胡亞才，張雪東，王建平.塑料換熱技術(shù)在溴化鋰吸收式制冷機上的應(yīng)用展望[J].制冷學(xué)報，2005，26（1）：44～48.

[7]陳林，孫穎穎，杜小澤，等.回收煙氣余熱的特種耐腐蝕塑料換熱器的性能分析[J].中國電機工程學(xué)報，2014，34（17）：2778～2783.

[8]W R Minor.Heat exchangers with tubes of teflon[J].Petro/ChemEngineer 1966，38（2）：34～39.

[9]戴傳山，李彪，王秋香.氟塑料換熱器研究進(jìn)展[J].化工進(jìn)展，2011，30：633～636.

[10]王岳衡，鄧惠芳.氟塑料換熱器在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].石油和化工設(shè)備，2006，9（4）：51～52.

[11]王春芬，虞斌，涂善東.聚四氟乙烯及其改性復(fù)合材料在換熱器中應(yīng)用[J].石油化工設(shè)備，2005，34（3）：41～45.

[12]趙少貞.耐腐蝕換熱器及其應(yīng)用[J].廣東化工，2002，29（3）：12～14.

[13]孫愛芳，劉敏珊，董其伍.耐腐蝕換熱器用聚四氟乙烯的改性與應(yīng)用現(xiàn)狀[J].機械工程材料，2007，31（3）：1～3，8.

[14]劉剛.大型氟塑料-石墨板式換熱器研制與應(yīng)用[J].石油化工設(shè)備，2006，35（6）：63～66.

[15]吳強，易戈文，劉浩，等.氟塑料-石墨板式換熱器在稀鹽酸回收裝置中的工業(yè)應(yīng)用[J].氯堿工業(yè)，2003，（5）：41，42.

Application Analysis of Fluorine Plastic Heat Exchanger in the Field of Flue Gas Heat Recovery

HU Qing1，2， JIANG Wen1，2， ZHU Wen-zhong1，2， YANG Peng1，2
（1.Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou 310030，China；2.Hangzhou Huadian Energy Engineering Institute，Hangzhou 310030，China）

Fromthefieldoffluegasheatrecoveryinthecoal-firedpowerplants，thisarticleintroducedtheapplication statues of the fluorine plastic heat exchanger.And took a 600MW unit as the example，the advantages of the fluorine plastic heatexchangercomparingwiththemetal heatexchangerasthefluegasheatexchangerswereanalysised.Theresults showedthat：thefluorineplastic heatexchangerhasastrongresistanceagainstthelowtemperatureacidcorrosion，highcoefficient of heat transfer and light weight.Furthermore，thefluorineplastic heat exchanger has asmall engineering remake quantity，alowoperationandmaintenancecosts，alowequipmentinvestmentcosts.

fluorineplastic heat exchanger； metal heat exchanger； thelowtemperatureacid corrosion； high coefficientofheattransfer

TK172

B

2095-3429（2016）03-0037-03

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.03.008

2016-03-28

修回日期：2016-05-16

中國華電科工（集團(tuán)）科技課題（CHEC-KJ-2015-44）

胡 清（1987-），男，湖南衡陽人，碩士，工程師，研究方向：火力發(fā)電廠的節(jié)能環(huán)保技術(shù)問題研究。