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介紹一種新型氟塑鋼管板式空氣預(yù)熱器(氟塑鋼空預(yù)器).與純PTFE空預(yù)器相比，氟塑鋼空預(yù)器綜合聚四氟乙烯(PTFE)材料的耐腐蝕、不易積灰和不銹鋼材料良好的傳熱性能和機(jī)械性能，成本大大降低.理論分析表明，相比不銹鋼空預(yù)器，氟塑鋼空預(yù)器多了一層氟塑料，由此產(chǎn)生的空預(yù)器傳熱能力減弱的影響可以接受.

某污泥焚燒電廠的測試結(jié)果顯示，清灰前和清灰后，氟塑鋼空預(yù)器的傳熱系數(shù)均大于搪瓷空預(yù)器，污垢熱阻均小于搪瓷空預(yù)器.對氟塑鋼及搪瓷換熱管表面煙灰的EDS及XRD分析顯示，在酸環(huán)境中，搪瓷管與煙氣中氧氣及水反應(yīng)生成鐵的氧化物和鐵的水合氧化物附著在換熱管表面，而氟塑鋼空預(yù)器幾乎沒有發(fā)生低溫腐蝕.氟塑鋼空預(yù)器可在電廠惡劣的低溫腐蝕環(huán)境中應(yīng)用.

電廠低溫空氣預(yù)熱器(空預(yù)器)是鍋爐中必需的換熱設(shè)備.一般燃煤鍋爐,排煙溫度每降低15~20℃,鍋爐熱效率提高大約1%[1].隨著節(jié)能減排的需要,鍋爐排煙溫度不斷降低,低溫空預(yù)器等鍋爐尾部受熱面受到腐蝕、堵灰等問題的強(qiáng)烈挑戰(zhàn)[2].

大量研究表明,對煙氣中酸灰耦合作用[3]導(dǎo)致的電廠低溫?zé)煔舛尾牧细g和積灰問題,可采用耐腐蝕材料的換熱器有效防止[2].氟塑料具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性.高潤滑和不黏性,可作為耐腐蝕換熱管材料,用其代替金屬換熱管有著很多優(yōu)點(diǎn)[4-5].氟塑料特別是聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene,PTFE)早就進(jìn)入換熱領(lǐng)域[6].El-Dessouky等[7]研究將PTFE換熱裝置應(yīng)用于海水淡化;

Saman等[8]將平板式塑料換熱裝置應(yīng)用于減濕器和蒸汽冷卻器.Jia等[9-10]將塑料換熱器應(yīng)用于煙氣的余熱回收系統(tǒng);胡亞才等[4]研究了塑料換熱技術(shù)應(yīng)用在制冷機(jī)上的可行性;He等[11]分析了含氟聚合物應(yīng)用于冷凝式換熱器的機(jī)械、摩擦和傳熱特性;Trojanowski等[12]提出將高分子聚合物換熱器應(yīng)用于冷凝式鍋爐;

Zhuang等[13]研究了帶有矩形微觀結(jié)構(gòu)的金屬聚合物換熱器熱耗散性能的影響因素;陳林等[14]驗證了聚四氟乙烯具有低表面能及超強(qiáng)防腐蝕抗垢能力,并提出使用改性聚丙烯(polypropylene,PP)塑料翅片換熱器可以使塑料換熱器的換熱效果接近鈦、鋁和銅材料換熱器的換熱效果[15].

高分子聚合物換熱器的最近研究成果可參考文獻(xiàn)[16].高性能氟塑料價格十分昂貴,氟塑料還有導(dǎo)熱系數(shù)低、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低、剛度小、加工困難等缺點(diǎn).探索新的性能更加可靠的防腐蝕、抗積灰換熱器是當(dāng)前電廠發(fā)展的必然要求.

本文介紹一種氟塑鋼復(fù)合管制成的電廠低溫空預(yù)器氟塑鋼管板式空預(yù)器(氟塑鋼空預(yù)器),相比傳統(tǒng)鋼制空氣預(yù)熱器,不易發(fā)生低溫腐蝕、沾灰結(jié)渣等問題;相比純塑料換熱器,氟塑鋼復(fù)合管內(nèi)層是不銹鋼管,在煙氣沖刷作用下,不易發(fā)生抖動變形.通過現(xiàn)場測試分析獲得氟塑鋼空預(yù)器運(yùn)行過程中的傳熱、積灰特性.

1氟塑鋼管板式空預(yù)器

實驗中氟塑鋼管板式空預(yù)器[17]的換熱管(氟塑鋼管)為氟塑料管包覆不銹鋼管制作而成,脹接管采用304不銹鋼管,直徑為38.0mm,厚0.5mm,外部復(fù)合的氟塑料厚為0.5mm.實際尺寸如下:直徑為39.0mm,厚1.0mm,空氣側(cè)流通內(nèi)徑為37.0mm,氟塑鋼管脹接在空預(yù)器管板上,氟塑鋼空預(yù)器實物圖如圖1所示.

圖1氟塑鋼空預(yù)器實圖

綜合氟塑料防腐蝕和防堵優(yōu)異性能和不銹鋼管導(dǎo)熱系數(shù)大、機(jī)械強(qiáng)度和剛度大,且具備一定的防腐性,開發(fā)一種氟塑鋼復(fù)合管.該管相比純氟塑料管導(dǎo)熱性能更好,剛度更大,強(qiáng)度更高,更可耐高壓,可采用傳統(tǒng)工藝加工成各種換熱器,同時大大降低成本.與搪瓷鋼管相比,氟塑鋼復(fù)合管不易產(chǎn)生加工裂紋,可不考慮鋼材線脹系數(shù)影響.氟塑鋼空預(yù)器既能防止空氣預(yù)熱器低溫腐蝕,又能使氟塑料管束在煙氣沖刷下保持原設(shè)計形態(tài)、不易發(fā)生抖動變形.

為考察氟塑鋼復(fù)合管在低溫?zé)煔庵械目垢g和抗積灰性能,設(shè)計一臺氟塑鋼管空預(yù)器應(yīng)用于某電廠的污泥焚燒鍋爐,空預(yù)器安裝位置圖如圖2所示.煙氣從上向下流動,氟塑鋼空預(yù)器安裝在煙氣低溫段,替換了原鍍搪瓷鋼制管板式空預(yù)器(搪瓷空預(yù)器)的1/3,與其并排的2臺空預(yù)器為搪瓷空預(yù)器.

圖2氟塑鋼空預(yù)器安裝位置圖

2氟塑鋼空預(yù)器計算模型

根據(jù)電廠鍋爐手冊和電站鍋爐原理[18-20],氟塑鋼管比不銹鋼管多了一層薄氟塑料,采用如下熱計算模型進(jìn)行氟塑鋼管空預(yù)器的熱計算.以圓管外表面積為基準(zhǔn),氟塑鋼管空預(yù)器的總傳熱系數(shù)可由下式確定:

3氟塑鋼空預(yù)器傳熱與積灰特性測試

該鍋爐為220t/h高溫高壓循環(huán)流化床鍋爐,煙氣依次流經(jīng)水冷(過熱)屏、高溫過熱器、低溫過熱器、省煤器和空氣預(yù)熱器.空預(yù)器測試主要參考國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T101842015《電站鍋爐性能試驗規(guī)程》[21]進(jìn)行,氟塑鋼空預(yù)器傳熱性能測試測點(diǎn)如圖3所示.

圖3煙氣、空氣流量及進(jìn)出口溫度測量示意圖

氟塑鋼空預(yù)器性能測試主要設(shè)備如表1所示.根據(jù)《電站鍋爐性能試驗規(guī)程》,用經(jīng)緯線將截面分割成若干等面積的接近正方形的矩形.各小矩形對角線的交點(diǎn)即為測點(diǎn).煙氣、空氣的溫度和壓力測量均采用如圖3所示的測量孔插入測量點(diǎn)的方法.溫度測量采用T型(銅康銅)熱電偶,熱電偶測溫范圍-200~350℃,測溫誤差為±0.2℃,每個測點(diǎn)安裝2個熱電偶,共16個測點(diǎn)進(jìn)行煙氣進(jìn)出口溫度的測試.空氣溫度的測量采用K型鎧裝熱電偶,探頭長度為500mm,在空氣進(jìn)出口處各布置2個熱電偶.溫度采集儀每10s采集1組數(shù)據(jù).

表1氟塑鋼管空預(yù)器性能測試主要設(shè)備

在安裝氟塑鋼空預(yù)器時,對與之并列的另2臺搪瓷空預(yù)器進(jìn)行清灰處理,在搪瓷空預(yù)器與氟塑鋼空預(yù)器運(yùn)行4m時再次對搪瓷空預(yù)器進(jìn)行清灰處理,并在清灰前、后分別對氟塑鋼空預(yù)器和搪瓷空預(yù)器進(jìn)行測試.

試驗期間,主要參數(shù)的允許波動范圍如下:主蒸汽流量為額定流量,波動范圍為±3%;主蒸汽出口壓力為額定壓力,波動范圍為±2%.計算數(shù)據(jù)均為試驗期間實測和記錄的有效數(shù)據(jù)的算數(shù)平均值.鍋爐運(yùn)行的額定工況即理論計算工況如下:主蒸汽流量為220t/h,一次風(fēng)總風(fēng)量速凍1.5×105Nm3/h,總煙氣流量三為2.5×105Nm3/h,一次風(fēng)進(jìn)口風(fēng)溫為30℃,下級空預(yù)器入口煙溫為155℃.煙氣主要成分及其體積分?jǐn)?shù)如下:N2(56.62%),CO2(12.81%),H2O(7.80%),SO2(0.19%),過剩空氣(22.5%).

4測試結(jié)果分析

4.1氟塑鋼空預(yù)器傳熱性能分析

由于外包氟塑料的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)小于不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù),在不考慮有污垢的情況下,氟塑鋼空預(yù)器的理論傳熱性能較不銹鋼空預(yù)器差.首先分析外包這一層氟塑料對空預(yù)器傳熱能力的影響.本實驗中不銹鋼空預(yù)器傳熱系數(shù)范圍為20~35W/(m2˙K).

當(dāng)不銹鋼空預(yù)器傳熱系數(shù)分別為25、30、35W/(m2˙K)時,氟塑鋼空預(yù)器與不銹鋼空預(yù)器傳熱系數(shù)之比隨包裹氟塑料厚度變化曲線如圖4所示.

圖4氟塑鋼空預(yù)器傳熱系數(shù)隨外包氟塑料厚度的變化曲線

其中,Kg為不銹鋼空預(yù)器傳熱系數(shù),Kf為氟塑鋼空預(yù)器傳熱系數(shù),ψ為Kg與Kf的比值;δ為氟塑料厚度.

換熱管長4.4m,內(nèi)徑為37.0mm,不銹鋼厚1.0mm,不考慮氟塑料與不銹鋼管的接觸熱阻.在3種工況下,當(dāng)氟塑鋼空預(yù)器換熱管外包氟塑料厚度小于1.0mm時,氟塑鋼空預(yù)器的傳熱系數(shù)和不銹鋼空預(yù)器傳熱系數(shù)之比超過92%(圖4虛線);當(dāng)外包氟塑料厚度為0.5mm時,氟塑鋼空預(yù)器的傳熱系數(shù)和不銹鋼空預(yù)器傳熱系數(shù)之比超過95%(圖4點(diǎn)劃線).

由于運(yùn)行中空預(yù)器的污垢熱阻值未知且可變,當(dāng)氟塑鋼空預(yù)器及無外包氟塑料鋼制空預(yù)器(不銹鋼空預(yù)器)的污垢熱阻值相等時,氟塑鋼空預(yù)器與不銹鋼空預(yù)器的傳熱系數(shù)的比值隨污垢熱阻的變化曲線如圖5所示.

圖5氟塑鋼空預(yù)器傳熱系數(shù)與不銹鋼空預(yù)器傳熱系數(shù)比值隨污垢熱阻的變化曲線

其中,Rf為氟塑鋼空預(yù)器污垢熱阻、Rg為不銹鋼空預(yù)器污垢熱阻(Rf=Rg).在2種空預(yù)器污垢熱阻相同的情況下,隨著空預(yù)器污垢熱阻的

增大,氟塑鋼空預(yù)器與不銹鋼空預(yù)器傳熱系數(shù)之比增大,說明隨著空預(yù)器污垢熱阻的增大,2種空預(yù)器傳熱系數(shù)之差減小.

當(dāng)Rg=Rf+Rb時,Kg=Kf,其中Rb為外包氟塑料導(dǎo)熱熱阻.當(dāng)δ=0.5mm且Kg=Kf時,氟塑鋼空預(yù)器與不銹鋼空預(yù)器的污垢熱阻關(guān)系如圖6所示.

圖6傳熱系數(shù)相等時氟塑鋼空預(yù)器污垢熱阻與不銹鋼空預(yù)器污垢熱阻關(guān)系圖

當(dāng)氟塑鋼空預(yù)器與不銹鋼空預(yù)器污垢熱阻值落在圖中直線上方區(qū)域A時,不銹鋼空預(yù)器的傳熱性能優(yōu)于氟塑鋼空預(yù)器;當(dāng)氟塑鋼空預(yù)器與不銹鋼空預(yù)器污垢熱阻值落在圖中直線下方區(qū)域B時,氟塑鋼空預(yù)器的傳熱性能優(yōu)于不銹鋼空預(yù)器.盡管氟塑鋼管相比不銹鋼管增加了一層氟塑料而導(dǎo)致傳熱能力下降,當(dāng)在十分惡劣的電廠低溫腐蝕條件下應(yīng)用時,其傳熱能力可以超過沒有氟塑料的不抗腐蝕的空預(yù)器,下面對實際應(yīng)用測量分析充分證明了這一點(diǎn).

4.2空預(yù)器傳熱積灰性能對比

測量氟塑鋼空預(yù)器與原搪瓷空預(yù)器實際運(yùn)行主要參數(shù)如表2所示.其中,tyi為煙氣進(jìn)口溫度,tyo為煙氣出口溫度,tki為空氣進(jìn)口溫度,tko為空氣出口溫度,qy為煙氣體積流量,qk為空氣體積流量,煙氣、空氣流量測量誤差為±6%,熱電偶測溫誤差為±0.2℃,阻力測量誤差為±10Pa.

表2氟塑鋼與搪瓷空預(yù)器實測參數(shù)值

根據(jù)能量平衡公式和換熱器傳熱公式計算搪瓷空預(yù)器傳熱系數(shù)、污垢熱阻與氟塑鋼空預(yù)器傳熱系數(shù)、污垢熱阻,對比結(jié)果如表3所示.

在搪瓷空預(yù)器清灰前和清灰后,氟塑鋼空預(yù)器的傳熱系數(shù)均大于搪瓷空預(yù)器,污垢熱阻均小于搪瓷空預(yù)器.運(yùn)行4m后,搪瓷空預(yù)器的積灰明顯而氟塑鋼空預(yù)器積灰較少.清灰后搪瓷空預(yù)器傳熱系數(shù)明顯增大,污垢熱阻明顯減小.說明在十分惡劣的電廠低溫腐蝕條件下,搪瓷空預(yù)器結(jié)垢積灰明顯,且積灰對空預(yù)器的傳熱能力影響很大.

表3氟塑鋼與搪瓷空預(yù)器清灰前、后傳熱與積灰性能對比

從傳熱系數(shù)上看,氟塑鋼空預(yù)器傳熱能力優(yōu)于清灰后的搪瓷空預(yù)器;從污垢熱阻上看,氟塑鋼空預(yù)器污垢熱阻遠(yuǎn)小于清灰后的搪瓷空預(yù)器.

可見在污泥焚燒鍋爐中,氟塑鋼空預(yù)器污垢熱阻比搪瓷空預(yù)器的污垢熱阻小.2種空預(yù)器的污垢熱阻關(guān)系落入圖6的B區(qū)間,氟塑鋼空預(yù)器的傳熱性能優(yōu)于出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象的搪瓷空預(yù)器.觀察氟塑鋼空預(yù)器積灰情況,氟塑鋼管表面確實比較干凈,積灰很少.由于空預(yù)器污垢熱阻與吹灰周期,空、煙氣流速等因素相關(guān),氟塑鋼空預(yù)器污垢熱阻僅是某電廠氟塑鋼空預(yù)器運(yùn)行4m以內(nèi)污垢熱阻的參考值.

采用均方根法計算實驗系統(tǒng)誤差,誤差主要來自儀表精度誤差.根據(jù)多元函數(shù)誤差傳遞計算結(jié)果如表4所示.Kt為搪瓷空預(yù)器傳熱系數(shù)、Rt為搪瓷空預(yù)器污垢熱阻.測試誤差在工程允許范圍,且誤差范圍不影響本文結(jié)論,測量結(jié)果可信.

表4傳熱系數(shù)與污垢熱阻誤差分析

4.3空預(yù)器積灰成分對比

從低溫氟塑鋼空預(yù)器及低溫搪瓷空預(yù)器表面取少量的煙灰樣品,采用能譜(energydispersivespectrometer,EDS)技術(shù)測量煙灰的元素分布.如表5所示為氟塑鋼空預(yù)器和搪瓷空預(yù)器換熱管表面煙灰的元素分布對比結(jié)果.結(jié)果顯示,搪瓷空預(yù)器換熱表面Fe元素含量大于氟塑鋼空預(yù)器.

分析認(rèn)為,在搪瓷空預(yù)器換熱表面發(fā)生了低溫腐蝕,導(dǎo)致煙灰中Fe元素含量增大;而氟塑鋼空預(yù)器側(cè)出現(xiàn)的Fe元素可能來自支撐管或上級空預(yù)器的腐蝕產(chǎn)物.

表5氟塑鋼與搪瓷空預(yù)器換熱管表面灰塊的元素分布

采用X射線衍射儀對樣品進(jìn)行X射線衍射(X-raydiffraction,XRD)分析,結(jié)果如圖7、8所示.

圖7搪瓷空預(yù)器表面煙灰主要成分

圖8氟塑鋼空預(yù)器表面煙灰主要成分

圖7顯示低溫搪瓷空預(yù)器表面灰塊成分主要是含水硫酸鈣、硫酸鈣、二氧化硅和氧化鐵.圖8顯示低溫氟塑鋼空預(yù)器表面灰塊成分主要是含水硫酸鈣、硫酸鈣和碳酸鈣.說明搪瓷空預(yù)器換熱表面發(fā)生氧化反應(yīng)生成鐵的氧化物,而氟塑鋼空預(yù)器換熱表面沒有發(fā)生鐵的氧化反應(yīng).

在搪瓷空預(yù)器煙氣側(cè)換熱管表面刮下少量粉末并進(jìn)行XRD分析,分析結(jié)果如圖9所示.

圖9搪瓷空預(yù)器換熱管表面刮下的粉末成分

圖中顯示從搪瓷換熱器煙氣側(cè)換熱管表面刮下粉末成分主要是氧化鐵(Fe2O3)和羥基氧化鐵(水合氧化鐵,FeOOH).

分析認(rèn)為,在低溫環(huán)境中,搪瓷換熱管在酸(H+)條件下與煙氣中的氧氣以及少量水分發(fā)生析氫腐蝕和吸氧腐蝕,生成氧化鐵及水合氧化鐵附著在換熱管表面,而此腐蝕產(chǎn)物容易吸附煙氣中的水分,進(jìn)而吸附煙灰形成換熱管表面的蓬松結(jié)構(gòu),而氟塑鋼空預(yù)器由于換熱管外包1層氟塑料沒有發(fā)生低溫腐蝕或低溫腐蝕不明顯,在氟塑鋼空預(yù)器換熱管表面幾乎沒有腐蝕產(chǎn)物與煙灰形成的污垢,表現(xiàn)在運(yùn)行中氟塑鋼空預(yù)器污垢熱阻較小而搪瓷空預(yù)器污垢熱阻較大.

5結(jié)論

(1)介紹了一種氟塑鋼管板式空氣預(yù)熱器,相比金屬換熱器,煙氣側(cè)采用具有防腐蝕和防堵灰的優(yōu)異性能的聚四氟乙烯;相比純塑料換熱器,空氣側(cè)采用具有傳熱性能和機(jī)械性能的不銹鋼管可強(qiáng)化換熱管,大大降低空預(yù)器的成本.

(2)當(dāng)氟塑鋼空預(yù)器換熱管外包氟塑料厚度小于1.0mm時,氟塑鋼管相比不銹鋼管增加了一層氟塑料而導(dǎo)致空預(yù)器傳熱能力減弱的影響可以接受.

(3)搪瓷空預(yù)器容易積灰,且積灰對空預(yù)器的傳熱能力影響很大.清灰前和清灰后,氟塑鋼空預(yù)器的傳熱系數(shù)均大于搪瓷空預(yù)器,污垢熱阻均小于搪瓷空預(yù)器.

(4)在酸環(huán)境中,搪瓷管與煙氣中氧氣及水反應(yīng)生成鐵的氧化物和水合氧化物附著在換熱管表面,而氟塑鋼管幾乎沒有發(fā)生低溫腐蝕,氟塑鋼空預(yù)器可在電廠惡劣的低溫腐蝕環(huán)境中應(yīng)用.