高温高压不锈钢换热管,电厂氟塑钢空预器的传热与积灰性能研究

介绍一种新型氟塑钢管板式空气预热器（氟塑钢管空气预热器）。 与纯聚四氟乙烯空气预热器相比，氟塑钢空气预热器采用聚四氟乙烯（PTFE）材料制成，耐腐蚀，不易积尘。 不锈钢材料传热性能和机械性能好，成本大大降低。 理论分析表明，与不锈钢空预器相比，氟塑料钢空预器多了一层氟塑料，导致空气预热器传热能力减弱的影响是可以接受的。

某污泥焚烧电厂试验结果表明，清洗前后，氟塑钢空预器的传热系数大于搪瓷空预器，污物热阻小于搪瓷空气预热器。 热管表面烟尘的EDS和XRD分析表明，在酸性环境中，搪瓷管与烟气中的氧气和水发生反应，生成氧化铁和铁水合氧化物附着在热管表面交换管，而氟塑钢空气预热器几乎没有低温腐蚀。 氟塑钢空预器可用于电厂恶劣的低温腐蚀环境。

电厂低温空气预热器（空气预热器）是锅炉中必不可少的热交换设备。 对于一般燃煤锅炉，排烟温度每降低15～20℃，锅炉热效率提高1%左右[1]。 锅炉排烟温度不断降低，锅炉底部受热面如低温空气预热器等受到腐蚀、堵灰等问题的严峻挑战[2]。

大量研究表明，采用腐蚀材料制成的换热器可有效防止因烟气中的酸灰耦合而引起的电厂低温烟气段材料腐蚀和积灰[3]耐材料[2]。 氟塑料具有优良的化学性能 稳定性。 高润滑、不粘稠，可作为耐腐蚀的换热管材料，在替代金属换热管方面具有诸多优势[4-5]。 氟塑料，尤其是聚四氟乙烯（ene，PTFE）早已进入热交换领域[6]。 El- 等人。 [7]研究聚四氟乙烯换热装置在海水淡化中的应用；

萨曼等人。 [8] 将平板式塑料热交换装置应用于除湿机和蒸汽冷却器。 贾等。 [9-10] 塑料换热器在烟气余热回收系统中的应用胡亚才等。 [4]研究了将塑料热交换技术应用于冰箱的可行性； 他等人。 [11] 分析了用于冷凝换热器的含氟聚合物的机械、摩擦和传热特性； 加热器应用于冷凝锅炉；

[13] 研究了影响具有矩形微结构的金属-聚合物热交换器散热性能的因素； 陈琳等[14]验证了PTFE具有低表面能和超强的防腐防垢能力，提出采用改性聚丙烯（PP）塑料翅片换热器可以使塑料换热器的传热效果更好与钛、铝、铜材料换热器接近[15]。

聚合物换热器的最新研究成果可参考文献[16]。 高性能的氟塑料价格非常昂贵，而且氟塑料也存在导热系数低、结构强度低、刚性低、加工困难等缺点。 探索新特性更可靠的防腐防污换热器是当前电厂发展的必然要求。

本文介绍一种用氟塑钢复合管制成的发电厂低温空气预热器。 氟塑钢管板式空气预热器与传统钢制空预器相比，不易出现低温腐蚀、粉尘和结渣等问题：与纯塑料换热器相比，氟塑钢复合管内层为不锈钢管道，在烟气冲刷作用下不易振动变形。 通过现场试验分析，得出了氟塑钢空预器运行过程中的传热和积尘情况。 特征。

1 氟塑料钢管板式空气预热器

实验中，氟塑钢管板式空气预热器[17]的换热管（氟塑钢管）采用氟塑管外包不锈钢管。 复合氟塑料的厚度为0.5mm。 实际尺寸如下：直径39.0mm，厚度1.0mm，空气侧循环内径37.0mm，氟塑钢管胀接空预器管板，实物图氟塑料钢制空气预热器的结构如图1所示。

图1 氟塑钢空预器实物图

结合氟塑料优异的防腐、防堵性能和不锈钢管的高导热性、高机械强度和刚性，并具有一定的防腐性能，开发出氟塑料-钢复合管。 这种管材比纯氟塑料管材具有更好的导热性、更大的刚性、更高的强度、更耐高压，可以用传统工艺加工成各种换热器，同时大大降低成本。 受膨胀系数的影响。 氟塑钢空预器不仅可以防止空预器低温腐蚀，而且在烟气的冲刷下，氟塑管束仍能保持原设计形状，不易晃动变形。

为研究氟塑钢复合管在低温烟气中的防腐、防尘性能，设计了氟塑钢管空气预热器，并将其应用于某电厂污泥焚烧锅炉。 空气预热器的安装位置如图2所示，烟气自上而下流动。 氟塑钢空预器安装在烟气低温段，取代了原来镀搪瓷钢管板式空预器（搪瓷空预器）的1/3，并排安装的两台空预器是一种搪瓷空气预热器。

图2 氟塑钢空预器安装位置示意图

2 氟塑钢空预器计算模型

根据电厂锅炉手册和电厂锅炉原理[18-20]，氟塑料钢管比不锈钢管的氟塑料层更薄，采用以下热计算模型对氟塑料进行热计算钢管空气预热器。 圆管的外表面积为 氟塑料钢管空预器的总传热系数可由下式确定：

3 氟塑钢空预器传热及积尘特性试验

该锅炉为220t/h高温高压循环流化床锅炉。 烟气依次流经水冷（过热）板、高温过热器、低温过热器、省煤器和空气预热器。 空预器试验主要参照国家标准GB/《电站锅炉性能试验规程》[21]，氟塑钢空预器传热性能试验点如图3所示。

图3 烟气、气流及进出口温度测量示意图

氟塑钢空预器性能试验的主要设备如表1所示，根据《电站锅炉性能试验规程》高温高压不锈钢换热管，将断面分成若干等面积的近正方形矩形，经度和纬线。 每个小矩形的对角线交点为测量点。 采用将测量孔插入测量点的方法测量烟气和空气的温度和压力，如图3所示。温度测量采用T型（康铜）热电偶，热电偶的测温范围为-200~350℃，温度测量误差为±0.2℃，每个测点安装2个热电偶，共16个测点用于测试烟气进出口温度。 空气温度测量采用探头长度为500mm的K型铠装热电偶，2只热电偶分别布置在进风口和出风口。 温度采集器每 10s 采集 1 组数据。

表1 氟塑料钢管空气预热器性能试验主要设备

安装氟塑钢空预器时，清洗与之平行的另外两个搪瓷空预器，当搪瓷空预器和氟塑钢空预器运行4m时，再次清洗搪瓷空预器，测试氟塑钢空预器和清理前后搪瓷空预器的灰尘。

试验时主要参数允许波动范围为：主蒸汽流量为额定流量，波动范围为±3%； 主蒸汽出口压力为额定压力，波动范围为±2%。 计算的数据均取试验期间测得的有效数据的算术平均值。 锅炉运行的额定工况，即理论计算工况如下：主蒸汽流量220t/h，一次风总风量1.5×/h速冻，总烟气流量为2.5×/h。 进风口空气温度30℃，下部空气预热器进口烟气温度155℃。 烟气主要成分及体积分数为：N2（56.62%）、CO2（12.81%）、H2O（7.80%）、SO2（0.19%）、过量空气（22.5%）。

4 试验结果分析

4.1 氟塑钢空预器传热性能分析

由于外购氟塑料的导热系数远小于不锈钢，因此在不考虑污垢存在的情况下，氟塑料钢空预器的理论传热性能比不锈钢空预器差。 预热器传热能力的影响。 在本实验中，不锈钢空预器的传热系数范围为20~35W/(m2˙K)。

当不锈钢空预器的传热系数分别为25、30、35W/(m2˙K)时，氟塑钢空预器与不锈钢空预器的传热系数之比随包裹厚度的不同而变化氟塑料如图4所示。

图4 氟塑钢空预器传热系数随外购氟塑厚度的变化曲线

其中，Kg为不锈钢空预器传热系数，Kf为氟塑钢空预器传热系数，ψ为Kg与Kf之比； δ是氟塑料的厚度。

换热管长4.4m，内径37.0mm，不锈钢厚度1.0mm。 不考虑氟塑料与不锈钢管之间的接触热阻。 当氟塑钢空预器厚度为1.0mm时，氟塑钢空预器传热系数与不锈钢空预器传热系数之比超过92%（图4虚线）； 系数与不锈钢空预器传热系数的比值超过95%（图4中虚线）。

由于空气预热器在运行过程中的污垢热阻值是未知的和可变的，当氟塑料钢空气预热器和非外购氟塑料钢空气预热器（不锈钢空气预热器）的污垢热阻值相等时，氟塑钢空预器传热系数与不锈钢空预器之比随污垢热阻的变化曲线如图5所示。

图5 氟塑钢空预器传热系数与不锈钢空预器传热系数之比随污物热阻的变化曲线

其中，Rf为氟塑钢空预器的结垢热阻，Rg为不锈钢空预器的结垢热阻（Rf=Rg）。 的

氟塑钢空预器与不锈钢空预器的传热系数之比增大，说明随着空预器污垢热阻的增大，两种空预器的传热系数差值减小。

当Rg=Rf+Rb时，Kg=Kf，其中Rb为外层氟塑料的导热电阻。 当δ=0.5mm，Kg=Kf时，氟塑钢空预器与不锈钢空预器的污垢热阻关系如图6所示。

图6 传热系数相等时氟塑钢空预器污垢热阻与不锈钢空预器污垢热阻的关系

当氟塑钢空预器和不锈钢空预器的脏热阻值落在图中直线上方区域A时，不锈钢空预器的传热性能优于氟塑钢空预器预热器； 当氟塑钢空预器和不锈钢空预器污垢热阻值落在图中直线下方区域B时，氟塑钢空预器的传热性能优于不锈钢空预器不锈钢空气预热器。 在电厂非常恶劣的低温腐蚀条件下应用时，其传热能力可超过不含氟塑料的非耐腐蚀空气预热器，这一点已为实际应用的测量和分析所充分证明以下。

4.2 空气预热器传热及积尘性能对比

实测氟塑钢空预器与原搪瓷空预器实际运行的主要参数如表2所示。其中tyi为烟气进口温度，tyo为烟气出口温度，tki为进风口温度，tko为出风口温度，qy为烟气体积流量，qk为空气体积流量，烟气与空气流量测量误差为±6%，热电偶测温误差为±0.2℃，电阻测量误差为±10Pa。

表2 氟塑钢和搪瓷空预器实测参数值

根据换热器的能量平衡公式和传热公式，计算出搪瓷空预器的传热系数和污垢热阻与氟塑钢空预器的传热系数和污垢热阻，并进行比较结果如表3所示。

清理搪瓷空预器内灰尘前后，氟塑钢空预器的传热系数大于搪瓷空预器，脏物的热阻小于搪瓷空预器。 显然，氟塑钢空预器的积尘少。 清理灰尘后，搪瓷空预器的传热系数明显增加高温高压不锈钢换热管，脏物的热阻明显下降。 积尘明显，积尘对空气预热器的传热能力影响很大。

表3 氟塑钢和搪瓷空预器清洗前后传热及积尘性能对比

从传热系数来看，除尘后氟塑钢空预器的传热能力优于搪瓷空预器； 从污垢热阻来看，氟塑钢空预器除尘后的污垢热阻远小于搪瓷空预器。 设备。

可见，在污泥焚烧锅炉中，氟塑钢空预器的污垢热阻比搪瓷空预器小。 两种空预器污垢热阻的关系 氟塑料钢管的传热性能优于搪瓷空预器，有腐蚀。 观察氟塑钢空预器的积尘情况，氟塑钢管表面确实比较干净，积尘少。 空气、烟气流量等因素有关，氟塑钢空预器的热阻只是电厂氟塑钢空预器4m以内污物热阻的一个参考值。

采用均方根法计算实验系统的误差，误差主要来源于仪器的精度误差。 根据多元函数误差传递的计算结果如表4所示。Kt为搪瓷空预器传热系数，Rt为搪瓷空预器污垢热阻。 测试误差在项目允许范围内，误差范围不影响本文结论，测量结果可信。

表4 传热系数与污垢热阻误差分析

4.3 空预器粉尘成分对比

从低温氟塑钢空预器和低温搪瓷空预器的表面取少量烟灰样品，利用能谱（EDS）技术测量烟灰的元素分布。 表5为氟塑钢空预器和搪瓷空预器换热管表面烟尘元素分布的对比结果。 结果表明，搪瓷空预器换热面Fe元素含量高于氟塑料钢空预器。

据分析，搪瓷空预器换热面发生低温腐蚀，导致烟尘中Fe元素含量增加； 而氟塑钢空预器侧面出现的Fe元素可能来自支撑管或上部空预器的腐蚀产物。

表5 氟塑钢和搪瓷空预器换热管表面灰分元素分布

使用 X 射线衍射仪对样品进行 X 射线衍射 (X-, XRD) 分析，结果如图 7 和图 8 所示。

图7 搪瓷空预器表面烟尘的主要成分

图8 氟塑钢空预器表面烟尘的主要成分

从图7可以看出，低温搪瓷空气预热器表面的灰烬主要由含水硫酸钙、硫酸钙、二氧化硅和氧化铁组成。 碳酸钙。 说明搪瓷空预器换热面氧化反应产生氧化铁，而氟塑钢空预器换热面不发生铁的氧化反应。

在搪瓷空预器烟气侧换热管表面刮下少量粉末，用XRD分析。 分析结果如图 9 所示。

图9 搪瓷空预器换热管表面刮下的粉末成分

从图中可以看出，搪瓷换热器烟气侧换热管表面刮下的粉末成分主要是氧化铁（Fe2O3）和羟基氧化铁（水合氧化铁，FeOOH）。

据分析，在低温环境下，搪瓷换热管在酸性（H+）条件下会与烟气中的氧气和少量水发生析氢腐蚀和吸氧腐蚀，并形成氧化铁和水合物氧化铁附着在换热管表面。 而这种腐蚀产物很容易吸收烟气中的水分，进而吸附烟尘，在换热管表面形成蓬松的结构。 而氟塑钢空预器由于换热管包覆了一层氟塑料，所以不存在低温腐蚀或低温腐蚀不明显。 氟塑钢空预器的换热管表面几乎没有因腐蚀产物和烟尘而产生的污垢，说明氟塑钢空预器的污垢热阻小，而搪瓷空预器运行时比较大。

5 结论

(1) 介绍了一种氟塑料管板式空气预热器。 与金属换热器相比，烟气侧采用聚四氟乙烯，具有优良的防腐防堵塞粉尘性能； 与纯塑料换热器相比，在空气侧采用具有传热性能和机械性能的不锈钢管，可以加强换热管，大大降低空气预热器的成本。

(2)当氟塑钢空预器换热管壁厚小于1.0mm时，氟塑钢管较不锈钢管多了一层氟塑料，导致空预器传热减弱传输能力，这是可以接受的。

(3)搪瓷空预器容易积灰，积灰对空预器的传热能力影响很大。 除尘前后，氟塑料空预器的传热系数大于搪瓷空预器。 污物的热阻比搪瓷空预器小。

(4)在酸性环境中，搪瓷管与烟气中的氧气和水发生反应，生成氧化铁和水合氧化物附着在换热管表面，而氟塑钢管几乎不经受低温耐腐蚀，氟塑钢空气预热器可用于电厂恶劣的低温腐蚀环境。