2. 浙江大学 浙江省制冷与低温技术重点实验室, 浙江 杭州 310027;
3. 杭州佰强能源科技有限公司, 浙江 杭州 310015
2. Key Laboratory of Refrigeration and Cryogenic Technology of Zhejiang Province, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China;
3. Hangzhou Baiqiang Energy Technology Limited Company, Hangzhou 310015, China
电站锅炉的排烟是丰富的低温余热资源.我国燃煤电站锅炉的设计排烟温度大多为120~140 ℃，实际运行时由于运行调整和燃料变化，导致实际排烟温度一般略高[1].对于燃煤电站锅炉，排烟热损失占锅炉热损失的60%~70%，对锅炉效率有重要影响.研究结果表明，锅炉排烟温度每降低16~20 ℃，锅炉效率约提高1%[2].实现锅炉低温余热的深度利用是减少电厂煤耗的有效途径，是当前电厂节能增效的主要措施之一.
Wang等[3-8]研发出多种低温烟气换热器系统，通过回收排烟余热来降低机组的煤耗，提高机组的经济性.传统的金属换热器在应用于低温烟气余热回收时，会出现低温酸腐蚀问题，这大大限制了烟气余热回收的深度.为了解决电厂低温烟气换热器出现的低温腐蚀、堵灰、换热效率下降等问题，笔者开发氟塑钢复合管换热器来代替传统的金属换热器.
氟塑钢复合管是在不锈钢管外表面涂覆一层聚四氟乙烯塑料或改性塑料.聚四氟乙烯具有优良的耐化学腐蚀性，它与绝大多数酸、碱都不起作用，也不会老化；耐高温，最高连续使用温度可达260 ℃；表面润湿性差，表面能小，其他物体很难在聚四氟乙烯表面附着[9-11].在实际应用中，烟气横向冲刷复合管外侧，可以起到防腐蚀和防堵灰的作用.空气或水纵向冲刷管内壁，采用不锈钢管可以起到强化复合管传热性能和机械强度的作用.
聚四氟乙烯及改性塑料属于典型的高分子材料(聚合物).目前，国内外研究者对多种高分子材料在气固两相流下的冲蚀磨损开展了较广泛的研究[12-18].对聚四氟乙烯及改性塑料在电厂低温余热回收实际工程应用背景下的冲蚀磨损情况的研究未见报道.塑料的冲蚀磨损情况直接关系到氟塑钢复合管换热器的工作效率和使用寿命.应该指出的是，固体颗粒在气流携带下的冲蚀磨损是一个比较复杂的研究课题，影响因素众多，且不同的影响因素间相互联系.本文针对研制出的氟塑钢复合管，通过实验研究复合管的冲蚀磨损性能，探讨冲蚀磨损规律和冲蚀磨损机制，为氟塑钢复合管低温换热器系统的长期安全运行提供保障，更好地指导工程实践.
1 实验部分 1.1 实验装置搭建了如图 1所示的风洞式冲蚀磨损实验系统.该系统主要由性能测试子系统和数据采集子系统组成.其中，性能测试子系统主要由离心风机、直管段、加热圈、整流段、试验段、进粉口等结构部件组成，管路各部分之间通过法兰连接.由于开展的是热态实验，为了维持系统内气流温度的恒定，在各结构部件和管路外表面包裹了一定厚度的保温材料.数据采集子系统主要包括流量计、浓度仪、热电偶及数据采集仪等.该实验系统的基本原理如下：一定量的颗粒通过进粉口送入实验系统，在离心风机产生空气气流的推动下，依次经过直管段、整流段、试验段，冲击复合管表面，冲击完后返回风机，如此循环，形成对复合管表面的持续冲击.
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图 1 冲蚀磨损实验装置系统图 Fig. 1 System chart of experimental device of erosion wear |
在实验中，气流速度通过文丘里流量计所测的流量间接计算得到，计算公式为
| ${v_{\rm{g}}} = \frac{{{q_V}}}{{3{\rm{ }}600A}}.$ | (1) |
式中：vg为试验段气流速度，qV为流量计所测空气的体积流量，A为试验段横截面积.
变频器用来调节离心风机转速，进而调节系统内空气流量.颗粒质量浓度通过浓度测量仪测量得到.气流温度的测量是在试验段进口处同一截面上布置4根K型热电偶，以保证所测气流温度的可靠性.温控仪与加热圈相连，用来调节系统内气流温度.在实验过程中，通过数据采集仪实时采集数据.流量计、浓度仪和热电偶的主要参数如表 1所示.
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表 1 冲蚀磨损实验系统中传感器技术参数 Table 1 Technical parameters of sensors in experimental system of erosion wear |
该实验研究的复合管表面材质为四氟乙烯与全氟代烷基乙烯基醚共聚物(tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer，PFA)，是聚四氟乙烯的一种改性材料，俗称可熔性聚四氟乙烯[19].
冲蚀颗粒为刚玉砂和电厂煤灰.其中，刚玉砂作为参考颗粒，平均粒径为180 μm.煤灰是从燃煤电厂静电除尘器捕获下来的，平均粒径约为160 μm.管子布置方式为单排布置，如图 2所示，横向节距为40 mm，气流方向垂直向下.
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图 2 复合管布置实物图 Fig. 2 Picture of arrangement plan of composite tubes |
实验所用的复合管外径为20 mm，长度为115 mm，表面塑料层厚度为0.3 mm.
1.3 实验条件与方法在实验中，通过变频器调节风机转速，控制试验段的气流速度(12~25 m/s).颗粒质量浓度和气流温度分别为50~350 g/m3、80~250 ℃.每组实验时间均为1 h.
实验前、后分别用压缩空气清理复合管试件表面，然后在电子分析天平(量程：220 g，精度：0.1 mg)上称量每根试验管的质量.实验前、后所测得的质量差为每根试验管的绝对磨损量.在该次实验中，复合管耐磨损性能的衡量指标为冲蚀磨损速率，即试验管磨损区域单位时间内单位面积上的绝对磨损量，计算公式为
| $E = \frac{{{m_0} - {m_1}}}{{At}}.$ | (2) |
式中：E为冲蚀磨损速率，m0为试验管冲蚀前的质量，m1为试验管冲蚀后的质量，A为试验管磨损面积，t为单次实验时间.冲蚀磨损速率的计算均采用试验段中间试验管的实验数据.
在实验结束后，通过扫描电子显微镜(型号为FEI SIRION-100)观察冲蚀磨损后的复合管表面微观形貌，并与未经实验的复合管表面对比.
2 实验结果与讨论 2.1 磨损区域如图 3所示为PFA复合管在典型实验工况下(气流速度为20 m/s, 颗粒质量浓度为250 g/m3, 气流温度为80 ℃)经过冲蚀磨损后的实物图.可以看出，复合管表面的冲蚀磨损区域具有如下特点：1)复合管表面中央位置存在一黑条带区域，圆周角约为30°，这是由于颗粒在反复冲击表面时伴随着部分颗粒破碎成细小微粒，并且被持续挤压而形成较致密的灰层；2)黑条带区域两侧是均匀分布的光滑磨损区域，圆周角约为150°，并且在多处可以看到有散开的痕迹，说明颗粒在冲击表面时发生了一定程度的破碎；3)复合管背向气流方向一侧的表面均匀分布着一层浮灰，属于非磨损区，并且与迎风面的光滑磨损区域有一明显的分界线.
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图 3 复合管冲蚀磨损实物图 Fig. 3 Picture of composite tube after erosion wear |
如图 4所示为在颗粒质量浓度为350 g/m3, 气流温度为80 ℃的条件下，PFA复合管的冲蚀磨损速率随vg的变化曲线.可以看出，气流速度对冲蚀磨损速率有很大的影响，在两种颗粒冲蚀下，随着气流速度的增大，PFA复合管的冲蚀磨损速率均显著增大.关于高分子材料冲蚀磨损的研究表明，磨损速率与气流速度之间的关系一般认为是呈幂函数变化[20]，即
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图 4 复合管磨损速率随气流速度的变化曲线图 Fig. 4 Variation of erosion rates with velocity of air of composite tube |
| $E = kv_{\rm{g}}^n.$ | (3) |
式中：E为冲蚀磨损速率，k为经验常数，n为速度指数.
将实验数据点拟合成以下的关系式，拟合决定系数R2分别为0.98、0.95.
冲蚀颗粒为刚玉砂，
| $E = 0.004{\rm{ }}9v_{\rm{g}}^{2.155{\rm{ }}3}.$ | (4) |
冲蚀颗粒为煤灰，
| $E = 0.029v_{\rm{g}}^{1.359{\rm{ }}8}.$ | (5) |
高分子材料冲蚀磨损研究指出，对于表现出塑性性能的高分子及复合材料，n为2.0~3.0[20].在该研究中，冲蚀颗粒为刚玉砂时拟合出的关系式的速度指数在该范围内，冲蚀颗粒为煤灰时拟合出的关系式的速度指数与该范围有一定的偏差.这一方面是由于速度指数与冲击颗粒和目标材料的性能均有关系；另一方面，在单纯研究高分子材料冲蚀磨损领域时，气流速度一般控制在中高速范围内，该研究针对电厂低温换热器的工作环境，气流速度在中低速范围内.
从图 4可以看出，在相同的气流速度下，冲蚀颗粒为刚玉砂时的磨损速率均高于冲蚀颗粒为煤灰时的磨损速率，并且随着气流速度的增加，两者之间的差别越来越显著.当气流速度为12 m/s时，冲蚀磨损速率之比仅为1.47；当气流速度为25 m/s时，冲蚀磨损速率之比达到2.32.当气流速度较低时，复合管表面塑性变形程度很低，主要发生的是表面疲劳破坏，在这种情况下，两种颗粒冲击表面产生的差别较小.随着气流速度的增加，复合管表面产生塑性变形，在这种情况下，由于刚玉砂的硬度高于煤灰，复合管表面在刚玉砂冲蚀下发生的塑性变形程度更大，导致两者的冲蚀磨损速率相差较大.
2.3 颗粒质量浓度对冲蚀磨损速率的影响如图 5所示为在气流速度为20 m/s, 气流温度为80 ℃的条件下，PFA复合管的冲蚀磨损速率E随颗粒质量浓度ρ(颗粒)的变化曲线.可以看出，在刚玉砂和煤灰两种不同颗粒的冲蚀下，PFA复合管的冲蚀磨损速率均随颗粒质量浓度的增大而增大，并且近似呈线性关系.这一点与文献中所报道的研究结果相吻合[20].随着颗粒质量浓度的增加，单位时间内冲击到复合管表面单位面积上的颗粒质量增加，对表面的破坏性增强，冲蚀磨损速率随之增加.从图 5可以看出，当冲蚀颗粒为刚玉砂时，复合管的冲蚀磨损速率随颗粒质量浓度的变化比较剧烈，拟合直线斜率为0.007 7，即颗粒质量浓度每增加50 g/m3，复合管磨损速率约增加0.385 g/(m2·h)；当冲蚀颗粒为煤灰时，复合管的冲蚀磨损速率随颗粒质量浓度的变化比较平稳，拟合直线斜率为0.003 3，即颗粒质量浓度每增加50 g/m3，复合管磨损速率约增加0.165 g/(m2·h).这主要是因为煤灰颗粒与刚玉砂颗粒相比，硬度低、质地脆，这样随着煤灰颗粒质量浓度的增加，颗粒与颗粒之间、颗粒与壁面、复合管之间的碰撞更频繁，造成煤灰颗粒发生大量破碎，从而降低了煤灰颗粒对复合管表面的冲蚀作用.在实验结束后，对收集到的煤灰颗粒进行分析.结果显示，煤灰颗粒整体被磨碎，验证了以上分析.
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图 5 复合管磨损速率随颗粒质量浓度的变化曲线图 Fig. 5 Variation of erosion rates with particle mass concentration of composite tube |
为了使实验工况更接近于氟塑钢复合管的实际工作环境，考察气流温度对冲蚀磨损速率的影响.值得说明的是，环境温度对高分子材料冲蚀磨损的影响比较复杂，目前该方面的研究较少.如图 6所示为在气流速度为25 m/s, 颗粒质量浓度为350 g/m3的条件下，PFA复合管的E随t的变化曲线.可以看出，在刚玉砂和煤灰两种不同颗粒的冲蚀下，随着气流温度的升高，PFA复合管的冲蚀磨损速率降低，250 ℃下的冲蚀磨损速率比80 ℃分别降低了30%、38%.分析主要是因为随着气流温度的升高，复合管表面的PFA塑料发生了较小程度的软化，当颗粒冲击到表面时，更容易发生弹塑性变形，从而降低了颗粒的冲蚀作用，造成复合管冲蚀磨损速率的下降.PFA是一种耐温性能良好的塑料，文献[19]的研究表明，在260 ℃下可以长期使用，该实验的气流温度最高为250 ℃，实验温度的变化范围在长期使用温度范围内，故由于温度升高导致的软化现象比较微小，PFA复合管的冲蚀磨损速率随气流温度的变化幅度不大.
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图 6 复合管磨损速率随气流温度的变化曲线图 Fig. 6 Variation of erosion rates with temperature of air of composite tube |
如图 7所示为实验前的PFA复合管表面微观形貌图.可以看出，实验前的PFA复合管表面具有均匀、致密的组织结构.如图 8所示为经过颗粒多次冲蚀磨损(气流速度：25 m/s，颗粒质量浓度：350 g/m3，气流温度：80 ℃)后的PFA复合管表面微观形貌图，图 8(a)、(b)对应的颗粒是刚玉砂，图 8(c)、(d)对应的颗粒是煤灰.
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图 7 冲蚀磨损前的复合管表面微观形貌图 Fig. 7 Surface morphologies of composite tube before erosion |
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图 8 经过不同颗粒冲蚀磨损后的复合管表面微观形貌图 Fig. 8 Surface morphologies of composite tube after erosion of different particles |
从图 8可以看出，在经过刚玉砂和煤灰两种不同颗粒的多次冲蚀磨损后，PFA复合管表面均出现一定程度的微观破坏.对于复合管中间黑条区域，在这一条较窄的区域中，颗粒冲击角度接近于90°；对于复合管两侧的冲蚀磨损区域，颗粒为斜向冲击.当冲蚀颗粒为刚玉砂时，由于刚玉砂硬度大，复合管中间黑条区域受到刚玉砂的反复垂直冲击后，表面出现较大的塑性变形，受冲击的表面被挤到邻近的区域，形成多处凹坑，并且在局部区域由于应力集中而出现显微裂纹.当冲蚀颗粒为煤灰时，复合管中间黑条区域出现了塑性变形，但由于煤灰硬度较低，塑性变形程度大大降低.对于复合管两侧的冲蚀磨损区域，在受到刚玉砂和煤灰两种不同颗粒的反复斜向冲击下，均出现大量较明显的层状唇片结构，表现出切削和犁耕的破坏机制.
3 结论(1) PFA复合管的冲蚀磨损区域分为中间垂直磨损带(圆周角约为30°)和两侧斜向磨损区域两部分(圆周角约为150°).微观形貌分析表明，当PFA复合管表面分别受到刚玉砂和煤灰两种颗粒的反复垂直冲击时，主要发生塑性变形，局部出现显微裂纹；在受到颗粒的反复斜向冲击时，主要发生切削和犁耕.
(2) 气流速度对PFA复合管的冲蚀磨损速率有较大的影响.在实验的中、低速气流速度(12~25 m/s)下，PFA复合管的冲蚀磨损速率随气流速度的变化呈幂函数关系，分别拟合出在刚玉砂和煤灰两种颗粒冲蚀下与气流速度之间的关系式(冲蚀颗粒为刚玉砂：E=0.004 9vg2.155 3；冲蚀颗粒为煤灰：E=0.029vg1.359 8).
(3) 在50~350 g/m3的颗粒质量浓度下，对于刚玉砂和煤灰两种不同颗粒的冲蚀，PFA复合管的冲蚀磨损速率随颗粒质量浓度的变化均近似呈线性关系，拟合直线斜率分别为0.007 7、0.003 3.
(4) 在80~250 ℃的气流温度下，PFA复合管的冲蚀磨损速率随气流温度的升高而降低；对于刚玉砂和煤灰两种不同颗粒，250 ℃时的冲蚀磨损速率相比80 ℃时分别降低了30%、38%，对电厂低温余热回收是有利的.
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