介紹一種新型氟塑鋼管板式空氣預(yù)熱器（氟塑鋼管空氣預(yù)熱器）。 與純聚四氟乙烯空氣預(yù)熱器相比，氟塑鋼空氣預(yù)熱器采用聚四氟乙烯（PTFE）材料制成，耐腐蝕，不易積塵。 不銹鋼材料傳熱性能和機(jī)械性能好，成本大大降低。 理論分析表明，與不銹鋼空預(yù)器相比，氟塑料鋼空預(yù)器多了一層氟塑料，導(dǎo)致空氣預(yù)熱器傳熱能力減弱的影響是可以接受的。

某污泥焚燒電廠試驗(yàn)結(jié)果表明，清洗前后，氟塑鋼空預(yù)器的傳熱系數(shù)大于搪瓷空預(yù)器，污物熱阻小于搪瓷空氣預(yù)熱器。 熱管表面煙塵的EDS和XRD分析表明，在酸性環(huán)境中，搪瓷管與煙氣中的氧氣和水發(fā)生反應(yīng)，生成氧化鐵和鐵水合氧化物附著在熱管表面交換管，而氟塑鋼空氣預(yù)熱器幾乎沒(méi)有低溫腐蝕。 氟塑鋼空預(yù)器可用于電廠惡劣的低溫腐蝕環(huán)境。

電廠低溫空氣預(yù)熱器（空氣預(yù)熱器）是鍋爐中必不可少的熱交換設(shè)備。 對(duì)于一般燃煤鍋爐，排煙溫度每降低15～20℃，鍋爐熱效率提高1%左右[1]。 鍋爐排煙溫度不斷降低，鍋爐底部受熱面如低溫空氣預(yù)熱器等受到腐蝕、堵灰等問(wèn)題的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[2]。

大量研究表明，采用腐蝕材料制成的換熱器可有效防止因煙氣中的酸灰耦合而引起的電廠低溫?zé)煔舛尾牧细g和積灰[3]耐材料[2]。 氟塑料具有優(yōu)良的化學(xué)性能 穩(wěn)定性。 高潤(rùn)滑、不粘稠，可作為耐腐蝕的換熱管材料，在替代金屬換熱管方面具有諸多優(yōu)勢(shì)[4-5]。 氟塑料，尤其是聚四氟乙烯（ene，PTFE）早已進(jìn)入熱交換領(lǐng)域[6]。 El- 等人。 [7]研究聚四氟乙烯換熱裝置在海水淡化中的應(yīng)用；

薩曼等人。 [8] 將平板式塑料熱交換裝置應(yīng)用于除濕機(jī)和蒸汽冷卻器。 賈等。 [9-10] 塑料換熱器在煙氣余熱回收系統(tǒng)中的應(yīng)用胡亞才等。 [4]研究了將塑料熱交換技術(shù)應(yīng)用于冰箱的可行性； 他等人。 [11] 分析了用于冷凝換熱器的含氟聚合物的機(jī)械、摩擦和傳熱特性； 加熱器應(yīng)用于冷凝鍋爐；

[13] 研究了影響具有矩形微結(jié)構(gòu)的金屬-聚合物熱交換器散熱性能的因素； 陳琳等[14]驗(yàn)證了PTFE具有低表面能和超強(qiáng)的防腐防垢能力，提出采用改性聚丙烯（PP）塑料翅片換熱器可以使塑料換熱器的傳熱效果更好與鈦、鋁、銅材料換熱器接近[15]。

聚合物換熱器的最新研究成果可參考文獻(xiàn)[16]。 高性能的氟塑料價(jià)格非常昂貴，而且氟塑料也存在導(dǎo)熱系數(shù)低、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低、剛性低、加工困難等缺點(diǎn)。 探索新特性更可靠的防腐防污換熱器是當(dāng)前電廠發(fā)展的必然要求。

本文介紹一種用氟塑鋼復(fù)合管制成的發(fā)電廠低溫空氣預(yù)熱器。 氟塑鋼管板式空氣預(yù)熱器與傳統(tǒng)鋼制空預(yù)器相比，不易出現(xiàn)低溫腐蝕、粉塵和結(jié)渣等問(wèn)題：與純塑料換熱器相比，氟塑鋼復(fù)合管內(nèi)層為不銹鋼管道，在煙氣沖刷作用下不易振動(dòng)變形。 通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析，得出了氟塑鋼空預(yù)器運(yùn)行過(guò)程中的傳熱和積塵情況。 特征。

1 氟塑料鋼管板式空氣預(yù)熱器

實(shí)驗(yàn)中，氟塑鋼管板式空氣預(yù)熱器[17]的換熱管（氟塑鋼管）采用氟塑管外包不銹鋼管。 復(fù)合氟塑料的厚度為0.5mm。 實(shí)際尺寸如下：直徑39.0mm，厚度1.0mm，空氣側(cè)循環(huán)內(nèi)徑37.0mm，氟塑鋼管脹接空預(yù)器管板，實(shí)物圖氟塑料鋼制空氣預(yù)熱器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 氟塑鋼空預(yù)器實(shí)物圖

結(jié)合氟塑料優(yōu)異的防腐、防堵性能和不銹鋼管的高導(dǎo)熱性、高機(jī)械強(qiáng)度和剛性，并具有一定的防腐性能，開(kāi)發(fā)出氟塑料-鋼復(fù)合管。 這種管材比純氟塑料管材具有更好的導(dǎo)熱性、更大的剛性、更高的強(qiáng)度、更耐高壓，可以用傳統(tǒng)工藝加工成各種換熱器，同時(shí)大大降低成本。 受膨脹系數(shù)的影響。 氟塑鋼空預(yù)器不僅可以防止空預(yù)器低溫腐蝕，而且在煙氣的沖刷下，氟塑管束仍能保持原設(shè)計(jì)形狀，不易晃動(dòng)變形。

為研究氟塑鋼復(fù)合管在低溫?zé)煔庵械姆栏?、防塵性能，設(shè)計(jì)了氟塑鋼管空氣預(yù)熱器，并將其應(yīng)用于某電廠污泥焚燒鍋爐。 空氣預(yù)熱器的安裝位置如圖2所示，煙氣自上而下流動(dòng)。 氟塑鋼空預(yù)器安裝在煙氣低溫段，取代了原來(lái)鍍搪瓷鋼管板式空預(yù)器（搪瓷空預(yù)器）的1/3，并排安裝的兩臺(tái)空預(yù)器是一種搪瓷空氣預(yù)熱器。

圖2 氟塑鋼空預(yù)器安裝位置示意圖

2 氟塑鋼空預(yù)器計(jì)算模型

根據(jù)電廠鍋爐手冊(cè)和電廠鍋爐原理[18-20]，氟塑料鋼管比不銹鋼管的氟塑料層更薄，采用以下熱計(jì)算模型對(duì)氟塑料進(jìn)行熱計(jì)算鋼管空氣預(yù)熱器。 圓管的外表面積為 氟塑料鋼管空預(yù)器的總傳熱系數(shù)可由下式確定：

3 氟塑鋼空預(yù)器傳熱及積塵特性試驗(yàn)

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(guò)熱）板、高溫過(guò)熱器、低溫過(guò)熱器、省煤器和空氣預(yù)熱器。 空預(yù)器試驗(yàn)主要參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/《電站鍋爐性能試驗(yàn)規(guī)程》[21]，氟塑鋼空預(yù)器傳熱性能試驗(yàn)點(diǎn)如圖3所示。

圖3 煙氣、氣流及進(jìn)出口溫度測(cè)量示意圖

氟塑鋼空預(yù)器性能試驗(yàn)的主要設(shè)備如表1所示，根據(jù)《電站鍋爐性能試驗(yàn)規(guī)程》高溫高壓不銹鋼換熱管，將斷面分成若干等面積的近正方形矩形，經(jīng)度和緯線。 每個(gè)小矩形的對(duì)角線交點(diǎn)為測(cè)量點(diǎn)。 采用將測(cè)量孔插入測(cè)量點(diǎn)的方法測(cè)量煙氣和空氣的溫度和壓力，如圖3所示。溫度測(cè)量采用T型（康銅）熱電偶，熱電偶的測(cè)溫范圍為-200~350℃，溫度測(cè)量誤差為±0.2℃，每個(gè)測(cè)點(diǎn)安裝2個(gè)熱電偶，共16個(gè)測(cè)點(diǎn)用于測(cè)試煙氣進(jìn)出口溫度。 空氣溫度測(cè)量采用探頭長(zhǎng)度為500mm的K型鎧裝熱電偶，2只熱電偶分別布置在進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口。 溫度采集器每 10s 采集 1 組數(shù)據(jù)。

表1 氟塑料鋼管空氣預(yù)熱器性能試驗(yàn)主要設(shè)備

安裝氟塑鋼空預(yù)器時(shí)，清洗與之平行的另外兩個(gè)搪瓷空預(yù)器，當(dāng)搪瓷空預(yù)器和氟塑鋼空預(yù)器運(yùn)行4m時(shí)，再次清洗搪瓷空預(yù)器，測(cè)試氟塑鋼空預(yù)器和清理前后搪瓷空預(yù)器的灰塵。

試驗(yàn)時(shí)主要參數(shù)允許波動(dòng)范圍為：主蒸汽流量為額定流量，波動(dòng)范圍為±3%； 主蒸汽出口壓力為額定壓力，波動(dòng)范圍為±2%。 計(jì)算的數(shù)據(jù)均取試驗(yàn)期間測(cè)得的有效數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值。 鍋爐運(yùn)行的額定工況，即理論計(jì)算工況如下：主蒸汽流量220t/h，一次風(fēng)總風(fēng)量1.5×/h速凍，總煙氣流量為2.5×/h。 進(jìn)風(fēng)口空氣溫度30℃，下部空氣預(yù)熱器進(jìn)口煙氣溫度155℃。 煙氣主要成分及體積分?jǐn)?shù)為：N2（56.62%）、CO2（12.81%）、H2O（7.80%）、SO2（0.19%）、過(guò)量空氣（22.5%）。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 氟塑鋼空預(yù)器傳熱性能分析

由于外購(gòu)氟塑料的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)小于不銹鋼，因此在不考慮污垢存在的情況下，氟塑料鋼空預(yù)器的理論傳熱性能比不銹鋼空預(yù)器差。 預(yù)熱器傳熱能力的影響。 在本實(shí)驗(yàn)中，不銹鋼空預(yù)器的傳熱系數(shù)范圍為20~35W/(m2˙K)。

當(dāng)不銹鋼空預(yù)器的傳熱系數(shù)分別為25、30、35W/(m2˙K)時(shí)，氟塑鋼空預(yù)器與不銹鋼空預(yù)器的傳熱系數(shù)之比隨包裹厚度的不同而變化氟塑料如圖4所示。

圖4 氟塑鋼空預(yù)器傳熱系數(shù)隨外購(gòu)氟塑厚度的變化曲線

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之比； δ是氟塑料的厚度。

換熱管長(zhǎng)4.4m，內(nèi)徑37.0mm，不銹鋼厚度1.0mm。 不考慮氟塑料與不銹鋼管之間的接觸熱阻。 當(dāng)氟塑鋼空預(yù)器厚度為1.0mm時(shí)，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)之比超過(guò)92%（圖4虛線）； 系數(shù)與不銹鋼空預(yù)器傳熱系數(shù)的比值超過(guò)95%（圖4中虛線）。

由于空氣預(yù)熱器在運(yùn)行過(guò)程中的污垢熱阻值是未知的和可變的，當(dāng)氟塑料鋼空氣預(yù)熱器和非外購(gòu)氟塑料鋼空氣預(yù)熱器（不銹鋼空氣預(yù)熱器）的污垢熱阻值相等時(shí)，氟塑鋼空預(yù)器傳熱系數(shù)與不銹鋼空預(yù)器之比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)之比隨污物熱阻的變化曲線

其中，Rf為氟塑鋼空預(yù)器的結(jié)垢熱阻，Rg為不銹鋼空預(yù)器的結(jié)垢熱阻（Rf=Rg）。 的

氟塑鋼空預(yù)器與不銹鋼空預(yù)器的傳熱系數(shù)之比增大，說(shuō)明隨著空預(yù)器污垢熱阻的增大，兩種空預(yù)器的傳熱系數(shù)差值減小。

當(dāng)Rg=Rf+Rb時(shí)，Kg=Kf，其中Rb為外層氟塑料的導(dǎo)熱電阻。 當(dāng)δ=0.5mm，Kg=Kf時(shí)，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(shí)氟塑鋼空預(yù)器污垢熱阻與不銹鋼空預(yù)器污垢熱阻的關(guān)系

當(dāng)氟塑鋼空預(yù)器和不銹鋼空預(yù)器的臟熱阻值落在圖中直線上方區(qū)域A時(shí)，不銹鋼空預(yù)器的傳熱性能優(yōu)于氟塑鋼空預(yù)器預(yù)熱器； 當(dāng)氟塑鋼空預(yù)器和不銹鋼空預(yù)器污垢熱阻值落在圖中直線下方區(qū)域B時(shí)，氟塑鋼空預(yù)器的傳熱性能優(yōu)于不銹鋼空預(yù)器不銹鋼空氣預(yù)熱器。 在電廠非常惡劣的低溫腐蝕條件下應(yīng)用時(shí)，其傳熱能力可超過(guò)不含氟塑料的非耐腐蝕空氣預(yù)熱器，這一點(diǎn)已為實(shí)際應(yīng)用的測(cè)量和分析所充分證明以下。

4.2 空氣預(yù)熱器傳熱及積塵性能對(duì)比

實(shí)測(cè)氟塑鋼空預(yù)器與原搪瓷空預(yù)器實(shí)際運(yùn)行的主要參數(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為進(jìn)風(fēng)口溫度，tko為出風(fēng)口溫度，qy為煙氣體積流量，qk為空氣體積流量，煙氣與空氣流量測(cè)量誤差為±6%，熱電偶測(cè)溫誤差為±0.2℃，電阻測(cè)量誤差為±10Pa。

表2 氟塑鋼和搪瓷空預(yù)器實(shí)測(cè)參數(shù)值

根據(jù)換熱器的能量平衡公式和傳熱公式，計(jì)算出搪瓷空預(yù)器的傳熱系數(shù)和污垢熱阻與氟塑鋼空預(yù)器的傳熱系數(shù)和污垢熱阻，并進(jìn)行比較結(jié)果如表3所示。

清理搪瓷空預(yù)器內(nèi)灰塵前后，氟塑鋼空預(yù)器的傳熱系數(shù)大于搪瓷空預(yù)器，臟物的熱阻小于搪瓷空預(yù)器。 顯然，氟塑鋼空預(yù)器的積塵少。 清理灰塵后，搪瓷空預(yù)器的傳熱系數(shù)明顯增加高溫高壓不銹鋼換熱管，臟物的熱阻明顯下降。 積塵明顯，積塵對(duì)空氣預(yù)熱器的傳熱能力影響很大。

表3 氟塑鋼和搪瓷空預(yù)器清洗前后傳熱及積塵性能對(duì)比

從傳熱系數(shù)來(lái)看，除塵后氟塑鋼空預(yù)器的傳熱能力優(yōu)于搪瓷空預(yù)器； 從污垢熱阻來(lái)看，氟塑鋼空預(yù)器除塵后的污垢熱阻遠(yuǎn)小于搪瓷空預(yù)器。 設(shè)備。

可見(jiàn)，在污泥焚燒鍋爐中，氟塑鋼空預(yù)器的污垢熱阻比搪瓷空預(yù)器小。 兩種空預(yù)器污垢熱阻的關(guān)系 氟塑料鋼管的傳熱性能優(yōu)于搪瓷空預(yù)器，有腐蝕。 觀察氟塑鋼空預(yù)器的積塵情況，氟塑鋼管表面確實(shí)比較干凈，積塵少。 空氣、煙氣流量等因素有關(guān)，氟塑鋼空預(yù)器的熱阻只是電廠氟塑鋼空預(yù)器4m以?xún)?nèi)污物熱阻的一個(gè)參考值。

采用均方根法計(jì)算實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的誤差，誤差主要來(lái)源于儀器的精度誤差。 根據(jù)多元函數(shù)誤差傳遞的計(jì)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(cè)試誤差在項(xiàng)目允許范圍內(nèi)，誤差范圍不影響本文結(jié)論，測(cè)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)器粉塵成分對(duì)比

從低溫氟塑鋼空預(yù)器和低溫搪瓷空預(yù)器的表面取少量煙灰樣品，利用能譜（EDS）技術(shù)測(cè)量煙灰的元素分布。 表5為氟塑鋼空預(yù)器和搪瓷空預(yù)器換熱管表面煙塵元素分布的對(duì)比結(jié)果。 結(jié)果表明，搪瓷空預(yù)器換熱面Fe元素含量高于氟塑料鋼空預(yù)器。

據(jù)分析，搪瓷空預(yù)器換熱面發(fā)生低溫腐蝕，導(dǎo)致煙塵中Fe元素含量增加； 而氟塑鋼空預(yù)器側(cè)面出現(xiàn)的Fe元素可能來(lái)自支撐管或上部空預(yù)器的腐蝕產(chǎn)物。

表5 氟塑鋼和搪瓷空預(yù)器換熱管表面灰分元素分布

使用 X 射線衍射儀對(duì)樣品進(jìn)行 X 射線衍射 (X-, XRD) 分析，結(jié)果如圖 7 和圖 8 所示。

圖7 搪瓷空預(yù)器表面煙塵的主要成分

圖8 氟塑鋼空預(yù)器表面煙塵的主要成分

從圖7可以看出，低溫搪瓷空氣預(yù)熱器表面的灰燼主要由含水硫酸鈣、硫酸鈣、二氧化硅和氧化鐵組成。 碳酸鈣。 說(shuō)明搪瓷空預(yù)器換熱面氧化反應(yīng)產(chǎn)生氧化鐵，而氟塑鋼空預(yù)器換熱面不發(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，用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

從圖中可以看出，搪瓷換熱器煙氣側(cè)換熱管表面刮下的粉末成分主要是氧化鐵（Fe2O3）和羥基氧化鐵（水合氧化鐵，F(xiàn)eOOH）。

據(jù)分析，在低溫環(huán)境下，搪瓷換熱管在酸性（H+）條件下會(huì)與煙氣中的氧氣和少量水發(fā)生析氫腐蝕和吸氧腐蝕，并形成氧化鐵和水合物氧化鐵附著在換熱管表面。 而這種腐蝕產(chǎn)物很容易吸收煙氣中的水分，進(jìn)而吸附煙塵，在換熱管表面形成蓬松的結(jié)構(gòu)。 而氟塑鋼空預(yù)器由于換熱管包覆了一層氟塑料，所以不存在低溫腐蝕或低溫腐蝕不明顯。 氟塑鋼空預(yù)器的換熱管表面幾乎沒(méi)有因腐蝕產(chǎn)物和煙塵而產(chǎn)生的污垢，說(shuō)明氟塑鋼空預(yù)器的污垢熱阻小，而搪瓷空預(yù)器運(yùn)行時(shí)比較大。

5 結(jié)論

(1) 介紹了一種氟塑料管板式空氣預(yù)熱器。 與金屬換熱器相比，煙氣側(cè)采用聚四氟乙烯，具有優(yōu)良的防腐防堵塞粉塵性能； 與純塑料換熱器相比，在空氣側(cè)采用具有傳熱性能和機(jī)械性能的不銹鋼管，可以加強(qiáng)換熱管，大大降低空氣預(yù)熱器的成本。

(2)當(dāng)氟塑鋼空預(yù)器換熱管壁厚小于1.0mm時(shí)，氟塑鋼管較不銹鋼管多了一層氟塑料，導(dǎo)致空預(yù)器傳熱減弱傳輸能力，這是可以接受的。

(3)搪瓷空預(yù)器容易積灰，積灰對(duì)空預(yù)器的傳熱能力影響很大。 除塵前后，氟塑料空預(yù)器的傳熱系數(shù)大于搪瓷空預(yù)器。 污物的熱阻比搪瓷空預(yù)器小。

(4)在酸性環(huán)境中，搪瓷管與煙氣中的氧氣和水發(fā)生反應(yīng)，生成氧化鐵和水合氧化物附著在換熱管表面，而氟塑鋼管幾乎不經(jīng)受低溫耐腐蝕，氟塑鋼空氣預(yù)熱器可用于電廠惡劣的低溫腐蝕環(huán)境。