电厂低温空气预热器(空预器)是锅炉中必需的换热设备.一般燃煤锅炉，排烟温度每降低15~20 ℃，锅炉热效率提高大约1%[1].随着节能减排的需要，锅炉排烟温度不断降低，低温空预器等锅炉尾部受热面受到腐蚀、堵灰等问题的强烈挑战[2].
大量研究表明，对烟气中酸-灰耦合作用[3]导致的电厂低温烟气段材料腐蚀和积灰问题，可采用耐腐蚀材料的换热器有效防止[2].氟塑料具有优良的化学稳定性.高润滑和不黏性，可作为耐腐蚀换热管材料，用其代替金属换热管有着很多优点[4-5].氟塑料特别是聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene，PTFE)早就进入换热领域[6].El-Dessouky等[7]研究将PTFE换热装置应用于海水淡化；Saman等[8]将平板式塑料换热装置应用于减湿器和蒸汽冷却器.Jia等[9-10]将塑料换热器应用于烟气的余热回收系统；胡亚才等[4]研究了塑料换热技术应用在制冷机上的可行性；He等[11]分析了含氟聚合物应用于冷凝式换热器的机械、摩擦和传热特性；Trojanowski等[12]提出将高分子聚合物换热器应用于冷凝式锅炉；Zhuang等[13]研究了带有矩形微观结构的金属-聚合物换热器热耗散性能的影响因素；陈林等[14]验证了聚四氟乙烯具有低表面能及超强防腐蚀抗垢能力，并提出使用改性聚丙烯(polypropylene，PP)塑料翅片换热器可以使塑料换热器的换热效果接近钛、铝和铜材料换热器的换热效果[15].高分子聚合物换热器的最近研究成果可参考文献[16].
高性能氟塑料价格十分昂贵，氟塑料还有导热系数低、结构强度低、刚度小、加工困难等缺点.探索新的性能更加可靠的防腐蚀、抗积灰换热器是当前电厂发展的必然要求.本文介绍一种氟塑钢复合管制成的电厂低温空预器-氟塑钢管板式空预器(氟塑钢空预器)，相比传统钢制空气预热器，不易发生低温腐蚀、沾灰结渣等问题；相比纯塑料换热器，氟塑钢复合管内层是不锈钢管，在烟气冲刷作用下，不易发生抖动变形.通过现场测试分析获得氟塑钢空预器运行过程中的传热、积灰特性.
1 氟塑钢管板式空预器实验中氟塑钢管板式空预器[17]的换热管(氟塑钢管)为氟塑料管包覆不锈钢管制作而成，胀接管采用304不锈钢管，直径为38.0 mm，厚0.5 mm，外部复合的氟塑料厚为0.5 mm.实际尺寸如下：直径为39.0 mm，厚1.0 mm，空气侧流通内径为37.0 mm，氟塑钢管胀接在空预器管板上，氟塑钢空预器实物图如图 1所示.
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图 1 氟塑钢空预器实图 Fig. 1 Picture of fluorine steel air-preheater |
综合氟塑料防腐蚀和防堵优异性能和不锈钢管导热系数大、机械强度和刚度大，且具备一定的防腐性，开发一种氟塑钢复合管.该管相比纯氟塑料管导热性能更好，刚度更大，强度更高，更可耐高压，可采用传统工艺加工成各种换热器，同时大大降低成本.与搪瓷钢管相比，氟塑钢复合管不易产生加工裂纹，可不考虑钢材线胀系数影响.氟塑钢空预器既能防止空气预热器低温腐蚀，又能使氟塑料管束在烟气冲刷下保持原设计形态、不易发生抖动变形.
为考察氟塑钢复合管在低温烟气中的抗腐蚀和抗积灰性能，设计一台氟塑钢管空预器应用于某电厂的污泥焚烧锅炉，空预器安装位置图如图 2所示.烟气从上向下流动，氟塑钢空预器安装在烟气低温段，替换了原镀搪瓷钢制管板式空预器(搪瓷空预器)的1/3，与其并排的2台空预器为搪瓷空预器.
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1,2 搪瓷空预器; 3 氟塑钢空预器 图 2 氟塑钢空预器安装位置图 Fig. 2 Diagram for installation location of fluoroplastic steel air-preheater |
根据电厂锅炉手册和电站锅炉原理[18-20]，氟塑钢管比不锈钢管多了一层薄氟塑料，采用如下热计算模型进行氟塑钢管空预器的热计算.以圆管外表面积为基准，氟塑钢管空预器的总传热系数可由下式确定：
| $ \begin{array}{l} K = \left[{\left( {\frac{1}{{{\alpha _{\rm{i}}}}} + {r_{\rm{i}}}} \right)\frac{{{d_{\rm{o}}}}}{{{d_{\rm{i}}}}} + \frac{{{d_{\rm{o}}}}}{{2{\lambda _{\rm{i}}}}}\ln \frac{{{d_{\rm{m}}}}}{{{d_{\rm{i}}}}} + {r_{\rm{m}}} + } \right.\\ \;\;\;\;\;\;{\left. {\frac{{{d_{\rm{o}}}}}{{2{\lambda _{\rm{o}}}}}\ln \frac{{{d_{\rm{o}}}}}{{{d_{\rm{m}}}}} + \left( {\frac{1}{{{\alpha _{\rm{o}}}}} + {r_{\rm{o}}}} \right)} \right]^{ -1}}. \end{array} $ | (1) |
式中：αi为管内的对流放热系数；αo为管外的对流放热系数；ri为管内表面的污垢热阻；ro为管外表面的污垢热阻；di、do分别为换热管的内外径；dm为不锈钢管外径；λi、λo分别为不锈钢和氟塑料导热系数；rm为氟塑料与不锈钢管的接触热阻.
烟气横向冲刷顺列管束的对流放热系数为
| $ {\alpha _{\rm{o}}} = {c_{\rm{s}}}{c_{\rm{n}}}\frac{\lambda }{{{d_{\rm{o}}}}}{Re ^{0.65}}{Pr ^{0.33}}. $ | (2) |
式中：Re、Pr分别为烟气的雷诺数和普朗特数；cs为考虑管束相对节距影响的修正系数：
| $ {c_{\rm{s}}} = 0.2{\left[{1 + \left( {2{\sigma _1}-3} \right){{\left( {1-\frac{{{\sigma _2}}}{2}} \right)}^3}} \right]^{ -2}}. $ |
当σ2≥2或σ1≤1.5时，cs=0.2；cn是沿烟气行程方向管排数修正系数：
| $ \left. \begin{array}{l} {c_{\rm{n}}} = 0.91 + 0.0125\left( {{n_2}-2} \right), {n_2} \ge 10;\\ {c_{\rm{n}}} = 1, {n_2} < 10. \end{array} \right\} $ |
烟气管内纵向冲刷时的放热系数为
| $ {\alpha _{\rm{i}}} = 0.023\frac{\lambda }{{{d_{\rm{i}}}}}{Re ^{0.8}}{Pr ^{0.4}}. $ | (3) |
式(3)的使用范围为Re=1×104~5×105.
将复合换热管的接触热阻与换热管内、外侧表面污垢热阻一起考虑，其表达式如下：
| $ R = \frac{{A\Delta {t_{\rm{m}}}}}{Q}-\left( {\frac{{{d_{\rm{o}}}}}{{{\alpha _{\rm{i}}}{d_{\rm{i}}}}} + \frac{{{d_{\rm{o}}}}}{{2{\lambda _{\rm{i}}}}}\ln \frac{{{d_{\rm{m}}}}}{{{d_{\rm{i}}}}} + \frac{{{d_{\rm{o}}}}}{{2{\lambda _{\rm{o}}}}}\ln \frac{{{d_{\rm{o}}}}}{{{d_{\rm{m}}}}} + \frac{1}{{{\alpha _{\rm{o}}}}}} \right). $ | (4) |
式中：Δtm为对数平均温差，A为单根换热管外表面积，Q为换热量.
3 氟塑钢空预器传热与积灰特性测试该锅炉为220 t/h高温高压循环流化床锅炉，烟气依次流经水冷(过热)屏、高温过热器、低温过热器、省煤器和空气预热器.空预器测试主要参考国家标准GB/T10184-2015《电站锅炉性能试验规程》[21]进行，氟塑钢空预器传热性能测试测点如图 3所示.
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图 3 烟气、空气流量及进出口温度测量示意图 Fig. 3 Measurement of temperature and flow in import and export of flue gas and air |
氟塑钢空预器性能测试主要设备如表 1所示.根据《电站锅炉性能试验规程》，用经纬线将截面分割成若干等面积的接近正方形的矩形.各小矩形对角线的交点即为测点.烟气、空气的温度和压力测量均采用如图 3所示的测量孔插入测量点的方法.温度测量采用T型(铜康铜)热电偶，热电偶测温范围-200~350 ℃，测温误差为±0.2 ℃，每个测点安装2个热电偶，共16个测点进行烟气进出口温度的测试.空气温度的测量采用K型铠装热电偶，探头长度为500 mm，在空气进出口处各布置2个热电偶.温度采集仪每10 s采集1组数据.
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表 1 氟塑钢管空预器性能测试主要设备 Table 1 Main equipment for characteristics test of fluoroplastic steel air-preheater |
在安装氟塑钢空预器时，对与之并列的另2台搪瓷空预器进行清灰处理，在搪瓷空预器与氟塑钢空预器运行4 m时再次对搪瓷空预器进行清灰处理，并在清灰前、后分别对氟塑钢空预器和搪瓷空预器进行测试.试验期间，主要参数的允许波动范围如下：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%.计算数据均为试验期间实测和记录的有效数据的算数平均值.锅炉运行的额定工况即理论计算工况如下：主蒸汽流量为220 t/h，一次风总风量速冻1.5×105 Nm3/h，总烟气流量三为2.5×105 Nm3/h，一次风进口风温为30 ℃，下级空预器入口烟温为155 ℃.烟气主要成分及其体积分数如下：N2(56.62%)，CO2(12.81%)，H2O(7.80%)，SO2 (0.19%)，过剩空气(22.5%).
4 测试结果分析 4.1 氟塑钢空预器传热性能分析由于外包氟塑料的导热系数远小于不锈钢的导热系数，在不考虑有污垢的情况下，氟塑钢空预器的理论传热性能较不锈钢空预器差.首先分析外包这一层氟塑料对空预器传热能力的影响.本实验中不锈钢空预器传热系数范围为20~35 W/(m2·K).当不锈钢空预器传热系数分别为25、30、35 W/(m2·K)时，氟塑钢空预器与不锈钢空预器传热系数之比随包裹氟塑料厚度变化曲线如图 4所示.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的比值；δ为氟塑料厚度.换热管长4.4 m，内径为37.0 mm，不锈钢厚1.0 mm，不考虑氟塑料与不锈钢管的接触热阻.在3种工况下，当氟塑钢空预器换热管外包氟塑料厚度小于1.0 mm时，氟塑钢空预器的传热系数和不锈钢空预器传热系数之比超过92%(图 4虚线)；当外包氟塑料厚度为0.5 mm时，氟塑钢空预器的传热系数和不锈钢空预器传热系数之比超过95%(图 4点划线).
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图 4 氟塑钢空预器传热系数随外包氟塑料厚度的变化曲线 Fig. 4 Change of fluoroplastic steel air-preheater's heat transfer coefficient with envelope's thermal conductivity |
由于运行中空预器的污垢热阻值未知且可变，当氟塑钢空预器及无外包氟塑料钢制空预器(不锈钢空预器)的污垢热阻值相等时，氟塑钢空预器与不锈钢空预器的传热系数的比值随污垢热阻的变化曲线如图 5所示.其中，Rf为氟塑钢空预器污垢热阻、Rg为不锈钢空预器污垢热阻(Rf=Rg).在2种空预器污垢热阻相同的情况下，随着空预器污垢热阻的增大，氟塑钢空预器与不锈钢空预器传热系数之比增大，说明随着空预器污垢热阻的增大，2种空预器传热系数之差减小.
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图 5 氟塑钢空预器传热系数与不锈钢空预器传热系数比值随污垢热阻的变化曲线 Fig. 5 Change of heat transfer coefficient ratio of fluoroplastic steel air-preheater and enamel air-preheater with fouling thermal resistance |
当Rg=Rf+Rb时，Kg=Kf，其中Rb为外包氟塑料导热热阻.当δ=0.5 mm且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.当氟塑钢空预器与不锈钢空预器污垢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；当氟塑钢空预器与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.尽管氟塑钢管相比不锈钢管增加了一层氟塑料而导致传热能力下降，当在十分恶劣的电厂低温腐蚀条件下应用时，其传热能力可以超过没有氟塑料的不抗腐蚀的空预器，下面对实际应用测量分析充分证明了这一点.
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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关系图 Fig. 6 Relation of fluoroplastic steel air-preheater and enamel air-preheater's fouling thermal resistance with equal heat transfer coefficient |
测量氟塑钢空预器与原搪瓷空预器实际运行主要参数如表 2所示.其中，tyi为烟气进口温度，tyo为烟气出口温度，tki为空气进口温度，tko为空气出口温度，qy为烟气体积流量，qk为空气体积流量，烟气、空气流量测量误差为±6%，热电偶测温误差为±0.2 ℃，阻力测量误差为±10 Pa.
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表 2 氟塑钢与搪瓷空预器实测参数值 Table 2 Measured value of fluoroplastic steel air-preheater and enamel air preheater |
根据能量平衡公式和换热器传热公式计算搪瓷空预器传热系数、污垢热阻与氟塑钢空预器传热系数、污垢热阻，对比结果如表 3所示.在搪瓷空预器清灰前和清灰后，氟塑钢空预器的传热系数均大于搪瓷空预器，污垢热阻均小于搪瓷空预器.运行4 m后，搪瓷空预器的积灰明显而氟塑钢空预器积灰较少.清灰后搪瓷空预器传热系数明显增大，污垢热阻明显减小.说明在十分恶劣的电厂低温腐蚀条件下，搪瓷空预器结垢积灰明显，且积灰对空预器的传热能力影响很大.
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表 3 氟塑钢与搪瓷空预器清灰前、后传热与积灰性能对比 Table 3 Comparison of heat transfer and ash deposit performance of fluoroplastic steel air-preheater and enamel air-preheater before and after cleaning |
从传热系数上看，氟塑钢空预器传热能力优于清灰后的搪瓷空预器；从污垢热阻上看，氟塑钢空预器污垢热阻远小于清灰后的搪瓷空预器.可见在污泥焚烧锅炉中，氟塑钢空预器污垢热阻比搪瓷空预器的污垢热阻小.2种空预器的污垢热阻关系落入图 6的B区间，氟塑钢空预器的传热性能优于出现腐蚀现象的搪瓷空预器.观察氟塑钢空预器积灰情况，氟塑钢管表面确实比较干净，积灰很少.由于空预器污垢热阻与吹灰周期，空、烟气流速等因素相关，氟塑钢空预器污垢热阻仅是某电厂氟塑钢空预器运行4 m以内污垢热阻的参考值.
采用均方根法计算实验系统误差，误差主要来自仪表精度误差.根据多元函数误差传递计算结果如表 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.测试误差在工程允许范围，且误差范围不影响本文结论，测量结果可信.
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表 4 传热系数与污垢热阻误差分析 Table 4 Error analysis about heat transfer coefficient and fouling thermal resistance |
从低温氟塑钢空预器及低温搪瓷空预器表面取少量的烟灰样品，采用能谱(energy dispersive spectrometer，EDS)技术测量烟灰的元素分布.如表 5所示为氟塑钢空预器和搪瓷空预器换热管表面烟灰的元素分布对比结果.结果显示，搪瓷空预器换热表面Fe元素含量大于氟塑钢空预器.分析认为，在搪瓷空预器换热表面发生了低温腐蚀，导致烟灰中Fe元素含量增大；而氟塑钢空预器侧出现的Fe元素可能来自支撑管或上级空预器的腐蚀产物.
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表 5 氟塑钢与搪瓷空预器换热管表面灰块的元素分布 Table 5 Element distribution for surface deposition of fluoroplastic steel air-preheater and enamel air-preheater |
采用X射线衍射仪对样品进行X射线衍射(X-ray diffraction，XRD)分析，结果如图 7、8所示.图 7显示低温搪瓷空预器表面灰块成分主要是含水硫酸钙、硫酸钙、二氧化硅和氧化铁.图 8显示低温氟塑钢空预器表面灰块成分主要是含水硫酸钙、硫酸钙和碳酸钙.说明搪瓷空预器换热表面发生氧化反应生成铁的氧化物，而氟塑钢空预器换热表面没有发生铁的氧化反应.
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图 7 搪瓷空预器表面烟灰主要成分 Fig. 7 Main components of ash deposit in enamel air-preheater |
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图 8 氟塑钢空预器表面烟灰主要成分 Fig. 8 Main components of ash deposit in fluoroplastic steel air-preheater |
在搪瓷空预器烟气侧换热管表面刮下少量粉末并进行XRD分析，分析结果如图 9所示.图中显示从搪瓷换热器烟气侧换热管表面刮下粉末成分主要是氧化铁(Fe2O3)和羟基氧化铁(水合氧化铁，FeOOH).分析认为，在低温环境中，搪瓷换热管在酸(H+)条件下与烟气中的氧气以及少量水分发生析氢腐蚀和吸氧腐蚀，生成氧化铁及水合氧化铁附着在换热管表面，而此腐蚀产物容易吸附烟气中的水分，进而吸附烟灰形成换热管表面的蓬松结构，而氟塑钢空预器由于换热管外包1层氟塑料没有发生低温腐蚀或低温腐蚀不明显，在氟塑钢空预器换热管表面几乎没有腐蚀产物与烟灰形成的污垢，表现在运行中氟塑钢空预器污垢热阻较小而搪瓷空预器污垢热阻较大.
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图 9 搪瓷空预器换热管表面刮下的粉末成分 Fig. 9 Components of powder shaved from surface of heat transfer tube in enamel air-preheater |
(1) 介绍了一种氟塑钢管板式空气预热器，相比金属换热器，烟气侧采用具有防腐蚀和防堵灰的优异性能的聚四氟乙烯；相比纯塑料换热器，空气侧采用具有传热性能和机械性能的不锈钢管可强化换热管，大大降低空预器的成本.
(2) 当氟塑钢空预器换热管外包氟塑料厚度小于1.0 mm时，氟塑钢管相比不锈钢管增加了一层氟塑料而导致空预器传热能力减弱的影响可以接受.
(3) 搪瓷空预器容易积灰，且积灰对空预器的传热能力影响很大.清灰前和清灰后，氟塑钢空预器的传热系数均大于搪瓷空预器，污垢热阻均小于搪瓷空预器.
(4) 在酸环境中，搪瓷管与烟气中氧气及水反应生成铁的氧化物和水合氧化物附着在换热管表面，而氟塑钢管几乎没有发生低温腐蚀，氟塑钢空预器可在电厂恶劣的低温腐蚀环境中应用.
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