搪瓷换热管在燃煤发电机组MGGH上的应用研究

张全斌，朱青国，何翊皓

（1.浙江省能源集团有限公司，杭州 310007；2.浙江浙能台州第二发电有限责任公司，浙江 台州 318000）

搪瓷换热管在燃煤发电机组MGGH上的应用研究

张全斌1，朱青国2，何翊皓1

（1.浙江省能源集团有限公司，杭州 310007；2.浙江浙能台州第二发电有限责任公司，浙江 台州 318000）

随着国家环保要求的不断提高，燃煤火力发电机组烟气超低排放技术的研发和应用得到了迅速发展，火力发电企业对MGGH的需求呈井喷式发展。鉴于MGGH特殊的运行环境，解决其换热管的低温腐蚀是一项关键难题，运用搪瓷换热管能很好地解决这个问题。并从腐蚀成因、低温防腐材料选择以及工程实践等几个方面阐述了搪瓷换热管在MGGH设备独特的应用前景。

搪瓷换热管；MGGH；低温腐蚀

0 引言

随着国家环保要求的不断提高，燃煤火力发电机组需要不断降低锅炉烟气污染物排放以达到日益严格的排放指标。自2013年以来，燃煤发电厂超低排放概念逐渐深入人心，其核心理念就是燃煤发电机组的锅炉烟气污染物排放指标要达到燃气轮机排放标准，即SOX≤35 mg/m3，NOX≤50 mg/m3，粉尘≤5 mg/m3（以上均换算为标准大气压下的数值）。作为燃煤发电厂锅炉烟气“超低排放”处理系统的重要组成部分，MGGH（水媒管式烟气换热器）通过调节、优化锅炉烟气温度，提高除尘及脱硫系统效率，其作用日益受到重视。

MGGH是两级烟气-水换热器，由烟气放热器和烟气再热器组成，MGGH主要是利用锅炉低品质烟气余热加热脱硫后湿式电除尘器出口的湿烟气，抬升烟气温度以消除烟囱冒白烟现象。MGGH烟气放热器布置在锅炉空预器出口与干式静电除尘器之间的烟道上，利用锅炉空预器出口烟气余热加热热媒水；烟气再热器布置在湿式电除尘器出口烟道上，利用热媒水加热湿式电除尘器出口的低温烟气，MGGH通过热媒水将干式静电除尘器入口的烟气热量传递给湿式电除尘器出口的低温烟气。

鉴于MGGH特殊的运行环境，其烟气再热器低温腐蚀问题成为设计、制造和运行中一个关键的问题，运用搪瓷换热管能很好地加以解决，并且其传热性能比普通热管降低不超过5%[1]。

某发电厂工程新建2台百万等级超超临界燃煤机组，锅炉烟气污染物排放浓度执行超低排放指标要求，设计煤种含硫量为1.0%。工程设置MGGH，MGGH烟气放热器设计入口烟温127℃，出口烟温≤85℃；烟气再热器设计入口烟温48℃，出口烟温≥80℃。

1 MGGH换热管低温腐蚀机理及应对措施

燃煤含有不同程度的硫，经过锅炉燃烧后，会在烟气中产生不同浓度的SO2及SO3，一旦与烟气中水蒸汽结合，在尾部烟温较低区段凝结成为酸液滴，将会对设备造成强烈的腐蚀，这一现象被称为硫酸露点腐蚀，也称为低温腐蚀。强烈的低温腐蚀通常发生在MGGH烟气再热器低温段换热管，烟气对受热面低温腐蚀常用酸露点的高低来表示，露点愈高，腐蚀范围愈广，腐蚀也愈严重，其腐蚀速度与金属壁面温度有很大关系，如图1所示。

图1 低温腐蚀与管壁温度关系（腐蚀曲线）

随着金属管壁温的降低，腐蚀曲线图出现了2个腐蚀严重区和2个安全区。当壁温大于酸露点时，腐蚀速度很低，称为第Ⅰ安全区。当壁温小于酸露点，硫酸开始凝结，引起腐蚀，但由于酸浓度较高（一般在80%以上），凝结酸量较少，腐蚀速度不大；随着壁温降低，凝结酸量增加，硫酸浓度下降，腐蚀速度增大，当管子壁温低于酸露点10～30℃时，金属腐蚀速度达到最大值，此温度附近称为第Ⅰ腐蚀严重区。随着壁温进一步降低，腐蚀速度亦随之下降，直到达到腐蚀最轻点，形成第Ⅱ安全区。壁温再继续下降，由于凝结的酸液浓度接近50%，同时凝结量又多，因此腐蚀速度又上升，当壁温达到水露点，有大量水蒸汽及稀硫酸凝结，使腐蚀剧烈增加，形成第Ⅱ腐蚀严重区。

针对MGGH烟气再热器烟气运行温度区间为48～80℃，热媒水运行温度处于75～105℃，可以估算烟气再热器低温段处于第Ⅱ腐蚀严重区，而烟气再热器的中、高温段则处于第Ⅱ安全区。

对于MGGH烟气再热器低温段，目前主要有2种工程技术手段控制低温腐蚀速率：

（1）依据有限腐蚀理论[2]，通过调节进入换热管的水温将其管道壁温控制在合理的范围之内。

（2）换热管采用耐低温腐蚀性能好的材料，如耐酸钢、不锈钢、玻璃、石墨以及复合材料。

所谓有限腐蚀理论是指管道金属壁温低于烟气酸露点时，存在两个低腐蚀速率区域，就是图1所示的2个安全区域。在工程实践中，将换热管的水温控制在烟气露点以上25℃且小于105℃的区间，就可以将金属低温腐蚀速率控制在0.2mm/a以内的安全区域。而实际运行中，燃煤成分和锅炉设备的负荷波动十分频繁，精确控制换热管的水温十分困难，有限腐蚀理论在实际应用中存在一定的制约条件。选择耐低温腐蚀性能优良的管材则是目前解决MGGH烟气再热器低温腐蚀的主要途径。

2 低温段换热管选用搪瓷管的可行性

目前，常规耐硫酸腐蚀管材主要有ND钢、不锈钢（304，316L，DIN1.4529，254SMo等）和复合材料（包塑管、搪瓷管）等。

MGGH烟气再热器换热管管材的工程选择要求：首先，管材必须具有优异的耐硫酸腐蚀能力，理想的材料能够保证与发电厂同等的设计使用寿命，至少确保一个大修周期的使用年限，即6～10 a；其次，材料应该具有良好机械性能和热传导性，满足运行环境下的防冲刷抗磨损要求，具有足够的强度、刚度和韧性，以及与普通金属钢管同一数量级的热传导性能；最后，选定的厂商应具有规模化生产能力，能提供性价比良好的换热管管材。

对可选的MGGH烟气再热器换热管材质316L、包塑管、DIN1.4529和搪瓷管（其中包塑管和搪瓷管复合材料基材考虑采用20钢或ND钢）进行研究、调研、比选，决定选用搪瓷换热管，可满足本工程要求。从以下几方面论证其可行性。

2.1 耐硫酸腐蚀能力

根据参考文献汇总了主要金属材料耐硫酸露点腐蚀能力参考值，如表1所示。

表1 主要金属材料耐硫酸露点腐蚀能力对照表

表1中各类金属材料腐蚀速率的测试环境与某发电厂MGGH烟气再热器运行环境相接近，处于或接近第Ⅱ腐蚀严重区，硫酸酸液浓度接近50%，测试数据显示ND钢、316L和DIN1.4529钢具有较好的耐腐蚀能力，而普通碳钢无法满足工程要求。根据实际工程使用情况，316L并不是理想的材料，图2为某发电厂运行3个月后MGGH烟气再热器低温段的腐蚀情况，肉眼可见锈蚀。

图2 某发电厂MGGH换热管低温腐蚀（316L）照片

另据腐蚀试验[3]，得到碳钢、不锈钢和搪瓷在不同浓度硫酸溶液的腐蚀速率变化曲线，如图3所示。

图3反映出搪瓷在硫酸中具有非常优秀的耐腐蚀能力，与碳钢和不锈钢比较，腐蚀速率可降低2～3个数量级，数据显示搪瓷在稀硫酸中耐腐蚀能力较差，随着硫酸浓度的增加，腐蚀速率不断减少。MGGH烟气再热器低温段换热管接触的烟气硫酸浓度一般高于50%，搪瓷换热管在这种工作环境下具有优越耐腐蚀性能。包塑管与搪瓷换热管具有类似的耐腐蚀性能。

2.2 机械性能

图3 不同材料在硫酸溶液的腐蚀速率

工程MGGH烟气再热器换热管外径规格为Φ38mm，长度规格为12040mm，设计搪瓷层厚度为170～300 μm。试验数据显示[4]，当搪瓷换热管工作温差不超过150℃，搪瓷层厚度小于1mm时具有较高的热稳定性，搪瓷换热管完全可以满足MGGH烟气再热器的热冲击要求，搪瓷层厚度与最大应力的关系如图4所示。

图4 搪瓷层厚度与最大应力的关系

同时，搪瓷复合换热管的物理机械性能由基材的金属机械性能所决定，技术数据与基材基本一致。

2.3 热传导性能试验

针对2种基材的搪瓷换热管进行了导热系数验数据测试。基材采用20钢和3组不锈钢的搪瓷换热管规格分别为Φ38mm×4mm和Φ38mm×3mm，两者的设计搪瓷层厚度均为170～300 μm。经检测，室温20.5℃时，20钢的导热系数为57.29 W/（m·K），搪瓷后为54.53 W/（m·K），导热系数下降约4.8%；316L钢的导热系数为116.0 W/（m·K），搪瓷后为111.5 W/（m·K），导热系数下降约3.9%。

由于搪瓷层的厚度相对管壁厚度不到十分之一，搪瓷层与碳钢结合紧密，涂搪瓷后对换热管传热系数的影响很小，能够满足MGGH的换热要求。

2.4 防冲刷抗磨损能力试验

为了测试搪瓷换热管的耐冲刷能力，工程方委托某著名高校无机非金属材料研究所就搪瓷管与ND钢管进行耐冲刷比较实验和材料寿命预估。实验样板采用外径Φ38mm、长度100mm的短管。通过模拟发电厂的烟气环境，在烟尘浓度35 g/m3、烟气流速10 m/s的情况下，厚度为4 ms的ND钢管寿命预估值为40000～50000 h；搪瓷层厚度为300 μm的搪瓷管（搪瓷层）寿命预估值为80000～100000 h，搪瓷管寿命是ND钢管的2倍。

另外，对包塑管的防冲刷抗磨损能力进行调研，发现包塑管的包塑质量是决定包塑管寿命的一个关键因素，如果质量不稳定，对MGGH的使用寿命产生不利影响，甚至是致命的。图5为其他发电厂包塑管使用情况照片，显示包塑管存在开裂现象。

图5MGGH包塑管开裂照片

2.5 工程造价

MGGH烟气再热器低温段采用搪瓷换热管从技术层面得到了论证，另外，搪瓷换热管在工程造价方面也具有突出的优势，表2为几种工程方案的造价比较情况。

表2MGGH烟气再热器低温段各种用材工程造价对照表（2014年价格）

3 搪瓷换热管应用实践

经过近一年研究，MGGH烟气再热器低温段选用了搪瓷换热管，管子基材采用20钢，规格Φ38mm×4mm，长度12040mm，搪瓷层厚度170～300 μm，搪瓷管主要理化性能指标如下：

（1）耐硫酸：30%硫酸，沸腾18 h，侵蚀量不高于2.0 g/m2（ISO28706-2）。

（2）耐盐酸：20%盐酸，沸腾6 h，侵蚀量不高于3.5 g/m2（ISO28706-2）。

（3）密着性（附着力）：1级或以上（EN10209）。

（4）耐电火花：2000 V测试漏电点个数不高于5个/0.09 m2。

（5）耐热急变性：加热到300℃，放入水介质（23±3）℃，无裂纹（DEZ-MB7.7.1）。

2015年设备安装完成后，9月机组正式投运。2016年5月，利用发电厂停机检修机会，对MGGH烟气再热器进行了例行检查，检查结果符合预期。图6为MGGH烟气再热器检查照片，照片显示换热管有轻微粉尘覆盖，无锈蚀情况。

图6 使用搪瓷换热管的MGGH烟气再热器低温段检查照片

4 结语

通过工程应用实践，搪瓷换热管可从根本上解决MGGH烟气再热器的低温腐蚀问题。与基材钢材相比，搪瓷换热管的传热系数相对降低率较低，且搪瓷表面光滑不易结垢和积灰，具有超强防冲刷抗磨损能力，与选用耐酸不锈钢材料相比，可降低投资。搪瓷换热管在燃煤发电厂烟气低温防腐领域将具有广阔的应用前景。

[1]何立波，陈恩鉴，林伯川.搪瓷热管的耐腐蚀实验研究[J].玻璃与搪瓷，2002（3）:29-31.

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[6]刘宇钢，罗志忠，陈刚，等.低温省煤器及MGGH运行中存在典型问题分析及对策[J].东方电气评论，2016，30（2）:33-37.

[7]何立波，陈恩鉴.搪瓷热管的应力分析及热稳定性研究[J].工业加热，2003（5）:7-9.

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[9]王维宗.硫酸露点腐蚀机理及防护[J].石油化工腐蚀与防护，1992（4）:16-22.

[10]王斌斌，仇性启.热管换热器在烟气余热回收中的应用[J].通用机械，2006（3）:61-65.

（本文编辑：张 彩）

Application of Enamel Heat Exchange Tube in MGGH of Coal-fired Power Generating Units

ZHANG Quanbin1，ZHU Qingguo2，He Yihao1
（1.Zhejiang Provincial Energy Group Co.，Ltd.，Hangzhou310007，China；2.Zhejiang Zheneng Taizhou No.2 Power Generation Co.，Ltd.，Taizhou Zhejiang318000，China）

With the continuous improvement of the national environmental protection requirements，the development and application of ultra-low flue gas emission technology of coal-fired power generating units develop rapidly，and the demand for MGGH of thermal power generation enterprises increases sharply.In view of the special operation environment of MGGH，it is a key problem to solve the low temperature corrosion of heat exchange tube，and the application of enamel heat exchange tube can solve this problem.In this paper，the unique application prospect of enamel heat exchange tube in MGGH equipment is expounded from several aspects such as the causes of corrosion，the selection of low temperature corrosion protection materials and engineering practice.

enamel heat exchange tube；MGGH；low temperature corrosion

X773

：B

：1007-1881（2016）09-0057-05

2016-06-12

张全斌（1974），男，高级工程师，现从事发电项目管理工作。