氟塑料换热器应用于超低排放燃煤机组的可行性研究

鲍 听，李复明， 李文华， 柳秀实

（1.浙江浙能技术研究院有限公司，杭州 310003；2.浙江浙能温州发电有限公司，浙江 温州 325602）

氟塑料换热器应用于超低排放燃煤机组的可行性研究

鲍 听1，李复明1， 李文华2， 柳秀实2

（1.浙江浙能技术研究院有限公司，杭州 310003；2.浙江浙能温州发电有限公司，浙江 温州 325602）

超低排放机组的水媒管式烟气换热器长期在酸露点温度以下服役，面临冷凝酸液腐蚀、积垢等问题，选择合适的材料才能保证设备的安全稳定运行。相比于传统的金属材料，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蚀、抗积灰方面具有显著的优势。从材料特性、换热器设计、经济性等方面，对氟塑料换热器在超低排放燃煤机组中的应用可行性进行了研究。

氟塑料；超低排放；水媒管式烟气换热器

0 引言

WGGH（水媒管式烟气-烟气换热器）是超低排放烟气处理系统的重要组成部件，通过烟气冷却器吸收脱硫前原烟气的热量，再由烟气加热器对脱硫后的净烟气进行加热，从而消除烟囱“冒白烟”、“石膏雨”等污染现象，同时还能降低脱硫耗水量。

WGGH换热器布置于锅炉尾部烟道，长期在酸露点温度以下服役，面临低温腐蚀[1]、飞灰积垢等问题，工作环境恶劣。目前已投运超低排放机组的WGGH换热器一般采用ND钢、316L等金属管材制造，由于腐蚀引起的泄漏、积垢导致的换热效率下降等问题较为突出。因此，有必要寻找更为合适的换热器材料，从根本上提高WGGH的效能和寿命，确保机组运行的安全性以及可靠性。

氟塑料是部分或全部氢被氟取代的烷烃类聚合物，具有极为优异的耐腐蚀、抗老化、非粘附等特性，被称为“塑料王”，其特殊性能使之成为WGGH的理想候选材料。氟塑料在化工行业中作为防腐材料已得到广泛应用，但作为换热器应用于火力发电厂则是一个全新的领域，国内的相关研究较少。以下从材料特性、换热器设计及经济性方面对氟塑料换热器在超低排放机组中的应用可行性进行了研究。

1 氟塑料的材料特性

1.1 主要氟塑料类别

目前工业化生产的氟塑料主要有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蚀、耐高温性能，应用最为广泛。PFA是新开发的氟塑料品种，在具备良好的耐腐蚀、耐高温性能的基础上，还有较好的热加工性能，可用于制造氟塑料焊条以及毛细换热管。FEP的耐腐蚀、耐高温性能不如前两者，但热加工性能很好，一般用于防腐要求不高的领域。以上3种氟塑料的基本特性列于表1。

表1 氟塑料类别及其特性对比

由于燃煤锅炉尾部烟道温度通常在70～250℃范围，因此采用耐高温性能最好且应用广泛的PTFE制造烟气换热器较为合适。

1.2 耐腐蚀性能

图1 换热器材料浸泡试验失重速率

PTFE只含有氟与碳2种元素。由于氟原子的电负性在所有化学元素中最高，氟碳键的键能非常大，使得氟塑料的分子结构非常稳定，呈现化学惰性，在常温下几乎不会被任何酸、碱或盐类溶解。

以下研究设计了浸泡试验，模拟低温腐蚀工况，对PTFE及常用金属材料的耐腐蚀性进行定量对比。腐蚀液成分30%H2SO4+HCl（3 000 mg/L）+HF（20 mg/L），试验温度70℃，时间72 h。

图1给出了各种材料在浸泡试验中的腐蚀速率。可以看到，所有金属材料在浸泡72 h后均发生了腐蚀，其中316L的腐蚀速率为1.9 g/（m2·h），而PTFE无任何腐蚀失重，表现出极佳的耐腐蚀性能。

对已投用超低排放机组WGGH进行的调研，也证实了金属换热器在低温烟气中易发生腐蚀。图2为某1 000 MW机组于2014年完成超低排放改造运行8个月后的照片，可以看到WGGH烟气加热器的316L管壳发生了严重的点蚀。

图2 某1 000 MW机组烟气加热器管壳的腐蚀

表2为该机组WGGH不同位置垢样的等效pH值及离子浓度（每份垢样取1 g，溶解于50 mL去离子水中，测得的数据）。测试结果显示，烟气加热器垢样的pH值较低，且含有较高的Cl-以及SO42-。

表2 某1 000 MW机组WGGH垢样分析 mg/L

根据文献[2]，即使是昂贵的高镍耐蚀合金，如C22与Alloy59等，在含有氯离子的硫酸溶液中的耐腐蚀性能也不甚理想。由于氟塑料的耐腐蚀性能极为优异，若采用氟塑料代替传统的金属材料制作换热器，能够有效地解决WGGH的腐蚀问题。

1.3 抗积垢性能

WGGH烟气换热器工作区域的烟气温度较低，在换热管表面产生的酸性冷凝液不仅会腐蚀换热器，还会粘附飞灰形成灰垢。灰垢在金属管壁上不断积累，会形成坚硬的水泥状包覆层，牢牢附着在管壁上，很难进行彻底的清理。图3为某1 000 MW超低排放机组运行约8个月左右，WGGH换热器金属管表面的积垢情况。

图3 某1 000 MW机组WGGH换热器积垢

积垢会对WGGH的换热效率造成显著影响，该机组运行时间不到1年，由于金属换热管积垢严重造成换热效率下降，需要频繁投用蒸汽补热才能使排烟温度达到设计值（≥80℃）。WGGH换热管的积垢问题在新建及改建的超低排放机组中普遍存在，已经成为困扰WGGH安全运行的一大难题。

PTFE聚合物中的碳原子链被氟原子完全覆盖，表面能非常低，难以与其他物质发生吸附作用，也不会被水、油等液体所润湿，因此具有极佳的抗积垢性能。图4为德国Lippendorf发电厂于1995年对PTFE换热管进行清洁度测试的照片，试验证明PTFE换热管在锅炉尾部烟气中工作较长时间后，表面仍能保持清洁，仅有少量浮灰附着。

图4 PTFE换热管清洁度测试

采用氟塑料换热器，可解决WGGH的积垢问题。此外，由于氟塑料不会被水润湿，因此可采用喷淋装置对换热管进行在线清洗，清除换热管表面的浮灰，令换热器在运行过程仍能保持良好的清洁度。

1.4 传热性能

PTFE其热导率（λ）较低，仅为0.24 W/（m·K），而金属材料的热导率一般为10～50 W/（m·K）。如图5所示，PTFE的热导率与金属材料相比有较明显的差距。

图5 常用换热器材料在25℃时的热导率

但是，较低的热导率并不会影响氟塑料作为换热器材料的工程应用。因为氟塑料可以制作成小直径薄壁管，从而提高换热管的传热系数，弥补材料热导率的不足。根据传热学原理，管束式换热器的传热系数可按照公式（1）计算。

式中：Ko为外表面平均传热系数；hi为管内壁换热系数；ho为管外壁换热系数；ri为管内壁污垢热阻；ro为管外壁污垢热阻；λ为热导率；di为管内径；do为管外径。

以Ф38 mm×2 mm 316L管、Ф6 mm×0.6 mm PTFE管为例，假设两者在相同的锅炉尾部烟气中工作，查阅文献[3]，取hi=120 W/（m2·K），ho=5 000 W/(m2·K)，不考虑污垢热阻，根据公式（1）计算两者的传热系数：

计算结果显示，PTFE管的初始传热系数是316L管的76.5%。在实际使用过程中，金属管的传热系数会随着污垢增加而显著下降，而PTFE管由于具备抗污垢的特性，传热系数能够基本保持恒定。

综合上述分析，通过选择合适规格的管材，氟塑料换热器的传热性能可以接近金属换热器的水平。

2 氟塑料换热器的设计

2.1 换热器结构

氟塑料换热器在工作原理上与传统金属换热器没有本质区别，但由于材料特性的不同，氟塑料换热器在实际应用时需进行有针对性的设计，例如：

（1）为了克服氟塑料导热系数低的缺点，氟塑料换热器需要采用小直径薄壁管密集布置的结构，以获得与金属换热器相当的传热性能。但管壁不能太薄，以保证有足够的耐压能力。管束也不宜太密，以免增加烟气侧的压损。

（2）由于氟塑料管具有柔性，水平放置时会产生弯曲，因此换热管适宜采用U型垂直布置，并采用框架和夹具对换热管束进行固定。

（3）取消传统的蒸汽吹灰器，改用喷水装置对换热器进行定期的在线清洗。

（4）对换热器壳体的内壁、支撑梁等金属部件包覆氟塑料，以提高换热器整体的耐腐蚀等级。

为了探索氟塑料换热器作为WGGH应用于燃煤机组的工程可行性，设计并制作了小型试验装置，放置于某330 MW机组的脱硫吸收塔出口烟道。对氟塑料换热器在锅炉尾部烟道恶劣工况下长期运行的可靠性进行验证。图6、图7分别为试验装置的结构及设计参数。

图6 氟塑料换热器试验装置结构

2.2 布置方式

超低排放燃煤机组的WGGH一般采用2种布置方式。方式一是将烟气冷却器布置在空预器与静电式除尘器之间，而烟气加热器则布置于湿式电除尘器与烟囱之间，如图8所示。

图7 氟塑料换热器试验装置设计参数

图8 WGGH布置方式一

方式二是将烟气冷却器布置在静电式除尘器与脱硫吸收塔之间，而烟气加热器仍然布置在湿式电除尘器与烟囱之间，如图9所示。

图9 WGGH布置方式二

当采用布置方式一时，烟气冷却器可以获得较高的温压，但由于烟气温度以及飞灰含量较高，氟塑料换热管在该位置长期运行可能会面临蠕变以及飞灰磨损的风险。当采用布置方式二时，烟气冷却器所处位置的烟温已接近酸露点温度，冷凝酸液开始形成，氟塑料换热管恰好可以发挥耐腐蚀的优势，而且烟气加热器与烟气冷却器的距离更近，整套WGGH设备也可以设计的更紧凑、高效。

布置方式一、二的烟气加热器均位于湿式电除尘器之后。由于湿式电除尘器会定期进行喷水操作，使烟气携带有水雾滴，这些水雾滴中含有较高的Cl-与SO42-，容易对金属换热管的迎风面造成腐蚀。若烟气加热器采用氟塑料换热管，则可有效解决腐蚀问题。

基于以上比较和分析，采用氟塑料换热器时，WGGH适宜采用布置方式二。

3 氟塑料换热器经济性分析

图10给出了金属以及氟塑料换热管的原材料价格，可以看到氟塑料换热管40万元/t的价格，高于316L、钛等大多数金属材料，但仍低于哈氏合金C22，后者的价格高达52万元/t。

图10 换热管原材料价格

氟塑料换热器由于原材料价格较高，制造工艺也相对复杂，因此投资费用高于传统的金属换热器。但氟塑料换热器的的后期维护成本显著低于金属换热器。因此，不能单纯考虑初期投资，而应该以全寿命周期成本来比较氟塑料换热器与传统的金属换热器的经济性。

以一台1 000 MW超低排放机组为例，预计使用年限为20年。WGGH采用金属时，烟气冷却器换热面积约为60 000 m2，换热管及壳体采用ND钢，重量约200 t。烟气加热器换热面积约为40 000 m2，换热器及壳体采用2205、316L及ND钢，重量约为600 t。加上热媒水循环系统，初期投资约为4 000万元。后期维护费用方面，根据日本碧南发电厂的运行经验，金属WGGH每隔3年需要更换部分换热管，单台检修费用约为300万元，20年的维护费用累计约为2 000万元。

WGGH采用氟塑料时，烟气冷却换器、烟气冷加热器PTFE换热管总重量约120 t，烟道包覆氟塑料面积约5 000 m2，加上热媒水循环系统，初期投资约为5 500万元。氟塑料换热器的设计使用寿命超过20年，基本不产生后期维护费用。

由表3可见，1 000 MW超低排放机组采用氟塑料WGGH时，其20年的全寿命周期成本低于金属WGGH。

表3 金属与氟塑料WGGH经济性对比

4 结论

从材料特性、换热器设计以及经济性等方面，对氟塑料在超低排放燃煤机组WGGH中的应用的可行性进行了研究，并得出以下结论：

（1）氟塑料PTFE具有优异的耐腐蚀及抗积灰特性，采用氟塑料换热管代替金属换热管在技术上完全可行，并能够从根本上提高WGGH的使用寿命和效能。

（2）在工程实际应用中，氟塑料WGGH应尽量采用小径管密集布置的设计，以达到与金属换热器相近的传热系数，其理想的布置位置在脱硫吸收塔的入口及出口烟道。

（3）氟塑料WGGH的初期投资较高，但维护成本低，其全寿命周期成本低于金属WGGH，具有较好的经济性。

[1]张基标，郝卫，赵之军，等.锅炉烟气低温腐蚀的理论研究和工程实践[J].动力工程学报，2011，31（10）∶730-733.

[2]陆世英主编.超级不锈钢和高镍耐蚀合金[M].北京：化学工业出版社，2012.

[3]钱颂文．换热器设计手册[M].北京：化学工业出版社，2002.

原标题：氟塑料换热器在超低排放燃煤机组中的应用研究

（本文编辑：陆 莹）

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

鲍 听（1983），男，工程师，从事电站设备失效分析、新材料研究。