氟塑料换热器的发展过程

金属 氟塑料烟气换热器 对比实验说明 目 录 1 金属及氟塑料烟气换热器在欧洲近 40 年 1975 2013 的发展历程 1 1 Schwandorf Prunerov Czech Republik 1984 年 4 1 2 Schwarze Pumpe 黑泵电厂 1992 93 年 7 1 3 Lippendorf 的清洁测试 1995 年 8 1 4 Lippendorf 2008 年 2012 年 9 1 5 烟气冷却器实际设计样本 11 1 6 目前欧洲氟塑料换热器应用情况 11 1 7 采用二次换热的好处 12 2 氟塑料换热器的特点说明 2 1 优异的耐腐蚀性能 对烟气成分及酸露点温度无要求 13 2 2 换热管表面光滑 不积灰 不结垢 易清理 13 2 3 薄管壁 换热性能良好 13 2 4 柔性疲劳强度高 经久耐用 13 2 5 耐温耐压性能良好 13 1 金属及氟塑料烟气换热器在欧洲近 40 年 1975 2013 的发展历程 1975 1984 年 使用各种材质的金属烟气换热器 全都不能解决严重腐蚀问题 1985 1989 年 开始在电厂实际使用氟塑料烟气换热器 GGH 效果良好 1990 至今 开始在电厂实际使用烟气余热回收 HRS 运行效果一直良好 并已成 为欧洲新建电厂的必备装置 从 1975 年开始 在欧洲尤其是在德国 政府规定 工矿企业必须上烟气脱硫 FGD 系 统 以减少 SO2气体排放 烟气脱硫系统在这段时间内主要应用于已有工厂 为了保证净烟气 中污染物扩散和腐蚀烟囱等 旋转式 GGH 应运而生 但经过实践检验 采用碳钢以及镀搪瓷 等材料均不能满足 GGH 的应用 导致 GGH 系统泄露 堵塞 腐蚀等诸多问题 随后 针对 GGH 的不同耐酸材料的研究开始了 在 1979 1980 年左右 WILHELHSHAVEN 电厂在 BMFT 德意志联邦研究与技术部 的支 持和赞助 主办 下 测试性安装一个 GGH 系统 这个系统包括不同供应商提供的各种材料 在这个研究项目中 用不同材料的管道制造的不同类型热交换器管进行对比测试 比如 碳钢 镀锌鳍片管 碳钢管外衬不同材料 另外还有哈氏合金和碳钢材质 实验结果证明上述所有材 料和结构形式都失败了 在这个时候 合适的氟塑料作为外衬的换热管还没有出现 发展停滞了 除了 BMTF 这个项目以外 还有一家在西德赫恩的公司 GEA 空气冷却器公司 也在搞 相同的测试 这家公司通过在下面几个电厂测试机组进行了他们的试验性研究 Wilhelmshaven Steag Schwandorf Bayernwerk Prunerov Czech Republik Schwarze Pumpe Vattenfall 在 vattenfall 的黑泵电厂 Lippendorf 1 2 Vattenfall 试验装置包含了 GGH 的对原烟气冷却和对净烟气加热两部分设备 试验模块中还有椭圆 形碳钢带外衬的管排 碳钢外衬管 排 在这次测试中应用了不同的材料 例如 碳钢 椭圆碳钢管排 不锈钢 哈氏合金等 包 括一些零件表面镀有 S kaphen Gotekplast 材料名称 和一种 Teflon 聚四氟乙烯 但是这个时候生产工艺的落后 不能将管子外衬上的微孔消除 导致所有的系统均失败了 测试结果是金属或聚四氟乙烯内衬金属管不能在低于露点温度下持续工作 没有合适的材 料能被使用 测试被中断直到 1984 年 中国在过去很长一段时间内一直使用金属 GGH 经过多年运行 普遍存在腐蚀严重问题 最主要的原因就是所使用的金属材料不能长时间耐烟气腐蚀 今后建议考虑氟塑料 GGH 可 比较理想地解决腐蚀问题 1 1 Schwandorf Prunerov Czech Republik 1984 年 1984 年 在 Schwandorf Prunerov 进行了针对不同材质的 GGH 的测试 Schwandorf 的电厂位于捷克边境附近 这个时候使用煤炭的是来自 Prunerov 煤田的煤 试验装置设计参数 原烟气温度 160 150 100 原烟气量 5000Nm h 湿基 粉尘含量 50 200mg Nm 净 烟气温度 50 75 80 C 净烟气量 5 400Nm h 湿基 运行时间 6000 小时 烟气侧的布置 第 1 模块 碳钢第 2 模块 PTFE 聚四氟 乙烯 第 3 模块 PTFE 聚四氟乙烯 第 4 模块 碳钢 测试结果 第 1 模块 碳钢 因为泄露只运行了 1000 小时 此外 水温被控制在 130 C 第 2 和第 3 模块 PTFE 聚四氟乙烯 从始至终 所有的时间 都在运行 第 4 模块 碳钢 也只运行 1000 小时 烟气冷却器第一模块 碳钢 烟气冷却器模块 2 和模块 3 PTFE 聚四氟乙烯 原烟气侧管壁表面 烟气冷却器模块 4 碳钢 在 Schwandorf 的测试 对研究工作的进一步发展和决策起到重要作用 在所有这些测试 中 都是在一样的条件下对试验模块进行测试 重点和关注点一直放在原烟气侧换热器 这次的测试表明 氟塑料材料均比金属材料类有优势 像 耐腐蚀 良好的自清洁能力 并在测试期间氟塑料原烟气冷却 净烟气加热系统一直是 100 无泄漏 于是 在 1985 年 第一台实际的全尺寸的以液体作为传热媒介的 GGH 也称 HDS 在 Schwandorf C D 电厂被安装 原烟气量 2 000 000Nm3 h 175 净烟气温度从 55 升到 95 其它的电厂 Herdecke Pocerady Mannheim M nchen Nord 随之而来 1990 年初 氟聚合物材料 20 000 小时成功运行 指导和推动了 HRS 系统在黑泵电厂 2x 800 MW Lippendorf 2x920 MW and Niederaussen 1x980 MW 的应用 减少二氧化碳排放量 提高整体效率和减少燃料消耗成为目标 在确定做这些 HRS Heat Recovery Seystem 项目之前 深入的研究和调查已经完成 比如在黑泵电厂的材料测试和 lippendorf 如何保证换热器的清洁度的研究等工作 其它堵灰 的问题在之前就已经被解决 1 2 Schwarze Pumpe 黑泵电厂 1992 93 年 在 1992 1993 年间 Schwarze Pump 黑泵电厂进行了针对不同材料管束的对比实验 包括 各类型钢管和氟塑料管 实验信息如下 投运时间及参数 检查时间 运行参数 1992 年 12 月 17 日 92 年 1 月 2 日 93 年 3 月 10 12 日 93 年 5 月 4 5 日 进口烟温 215 210 出口烟温 136 139 138 进口水温 94 80 100 85 90 出口水温 108 117 130 105 110 压损 2bar 2bar 1 4bar 0 5 1bar PH 值 9 序号 试验管束 管道尺寸 安装时间 1 A59 镍基合金 12 7 1 65 1993 年 3 月 12 日 2 PFA 1 4435 12 0 1 0 1993 年 3 月 12 日 3 C22 哈氏合金 12 0 2 0 1993 年 3 月 12 日 4 C22 哈氏合金 12 0 2 0 1993 年 3 月 12 日 5 Inconel 686 0 472 0 028 1993 年 5 月 5 日 6 PFA 12 0 1 0 1992 年 12 月 17 日 7 PFA 12 0 1 0 1992 年 12 月 17 日 8 PFA 1 4571 18 0 1 0 1992 年 12 月 17 日 不同的管束材料被安装在同一个测试架上进行测试 总计在线测试时间为 5 536 小时 结 果是 只有氟塑料换热管没有腐蚀 其他的镍合金材料像 C22 和 A59 以及以氟聚合物为外衬 的不锈钢管均有腐蚀 以下是试验管束在检查时的图片 不同材料的运行时间如下所示 序号 试验模块 总运行时间 1 A59 镍基合金 2 256 小时 2 PFA 1 4435 3 486 小时 3 C22 哈氏合金 3 486 小时 4 C22 哈氏合金 3 486 小时 5 Inconel 686 1 536 小时 6 PFA 5 536 小时 7 PFA 5 536 小时 8 PFA 1 4571 3 486 小时 1 3 Lippendorf 的清洁测试 1995 年 1 4 Lippendorf 2008 年 2012 年 氟聚合物模块与 A59 模块的对比实验 左侧是氟塑料模块 右侧是 A59 模块 A59 模块开始出现腐蚀 表面变得粗糙 清洁更困难 管子 U 形槽的腐蚀 ALWAFLON 模块 上图 显示的是运行一周时间未清洁的情况 但只是为了测试 目的是找出与正常运行时清洁的表 面比 热效率会下降多少 在 LIPPENDORF 的再次测试非常清晰的表明 在酸露点以下要成功做到热回收 只能用 防腐材料 经过 3 4 个月的运行 腐蚀出现在 A59 管道表面和间隔区与管子的缝隙 凹槽 处 所有模块在 1 年半以后 由于水侧被腐蚀造成锅炉给水的大量损失 所有将在下一次的大 修中被拿出来清理 1 5 烟气冷却器实际设计样本 烟气冷却器在褐煤 无烟煤 燃油中的应用 1 6 目前欧洲氟塑料换热器应用情况 2011 年欧盟要求燃煤电厂整厂运行效率不得低于 44 5 否则面临关停 为达到这一目标烟 气余热利用已经新旧电厂必须上的一个项目 氟塑料低温烟气回收系统 HRS Heat Recovery System 已经是一个标准配置 欧洲应用 HRS 的标准系统图见下 替代暖风器预热空气 加热凝结水 1 7 采用二次换热的好处 在欧洲利用氟塑料换热器作为烟气低温余热回收的设备已经形成了标准系统 均采用 热媒水作为传热介质的二次换热系统 这样虽然使得系统复杂 并且会损失一部分的 热品位 究其原因取决于两点原因 氟塑料换热器在烟气余热回收上具有以下缺点 1 氟塑料换热器的耐压能力低 不足以承受凝结水泵后凝结水的压力 采用二次换热后 对于主机也是有好处的 形成一个独立热回收循环水系统 系统内设备的所有故障均不会对凝结水系统和 烟风系统造成影响 对凝结水的水质不会造成污染 特别是对于高参数运行的机组 在给水水质要求 非常高的情况下 保证凝结水水质尤为重要 凝结水主系统中增加的设备很少 启停 HRS 系统时不会对凝结水系统造成冲击 2 氟塑料管长期工作在酸露点温度下 烟气侧常有酸凝结 长时间酸会渗透进水系统 使循环水 PH 值降低 3 氟塑料管换热器不能在 ESP 之前的高灰区长时间工作 对于带棱角的大颗粒粉尘耐磨性 不足 4 氟塑料管烟气换热器不宜在高温区 200 以上烟气环境 长时间闭式循环带压工作 5 氟塑料换热管壁厚比较薄 管子比较软 所以在存储 运输 吊装 启机 停机检 修过程中容易出现人为破坏情况 2 氟塑料换热器的特点说明 氟塑料换热器是以小直径氟塑料软管作为换热管束的换热器 由于氟塑料具有极强的耐腐 蚀 良好的表面不沾性 较宽的温度范围和耐老化等优点 因此 1 优异的耐腐蚀性能 对烟气成分及酸露点温度无要求 由于聚四氟乙烯属化学惰性材料 除高温下的元素氟 熔融态碱金属 三氟化氯 六氟化铀 全氟煤油外 几乎可以在所有的介质中工作 因此氟塑料换热器对烟气 成分没有特殊要求 对换热器管壁温度和烟气酸露点没有特殊要求 2 换热管表面光滑 不积灰 不结垢 易清理 由于聚四氟乙烯管的化学惰性 表面光滑性 绕曲性和高膨胀系数 使换热管表面 及内壁都十分光滑 管外烟尘不易粘结 堆积 管内热媒在换热面很难结垢 可以 大大减少了设备的维护和清洗次数 保证了其能在相对稳定的传热系数下长期安全 运行 同时 由于氟塑料不怕酸腐蚀 可以设置在线水冲洗对其进行清灰 清灰 方便 彻底 3 薄管壁 换热性能良好 氟塑料换热器采用的是薄壁管 壁厚不小于 1mm 所以克服了聚四氟乙烯材料导 热系数低的缺点 换热性能良好 4 柔性疲劳强度高 经久耐用 聚四氟乙烯具有较高的柔性疲劳强度 且不含光敏基因