聚四氟乙烯换热器的应用

李海锋 张宗敬 国志鹏

（荏原冷热系统（中国）有限公司，山东 烟台 264000）

1 背景

近年来，随着人们的环境保护、节能降耗意识的不断增强，我国对烟气余热回收的重视程度日益提高，现在已有大部分新建及改建电厂采用烟气余热回收系统，可提高整厂运行效率，降低煤耗。针对80 ℃的烟气没有较好的余热提取及除尘方案，聚四氟乙烯换热器应运而生，满足了80～130 ℃温度区间的余热提取及除尘需求。

2 聚四氟乙烯换热器的特点

在烟气余热利用系统中抗烟气腐蚀的材料选择大致经历了以下几个阶段：

（1）316不锈钢+镍金属镀层：此方法在20世纪80年代中期被大量采用，经过运行后证明其无法满足抗烟气腐蚀要求，锈蚀堵塞严重，工作时间不超过两年就需要更换，无法满足电厂运行以及环保要求。

（2）镍金属基材材料：20世纪90年代大量采用这一材料，经过实践证明其无法满足抗烟气腐蚀要求，只可在脱硫后的净烟气再加热器中使用，并且造价高，经济性差。

（3）哈式合金材料：20世纪90年代末至21世纪初大量采用这一材料，长期运行后证明其有一定的抗烟气腐蚀能力，但耐腐蚀时间也只是比前两种材料长1～2年，而且价格极其昂贵。

经过前期的多种材料运行实践，需要有一种材质自身就需具备特有的抗烟气腐蚀能力，只有这样才能在烟气余热利用方面有所作为。基于以上分析，氟塑料材质的聚四氟乙烯换热器贴合市场需求，开始在烟气余热利用领域崭露头角，主要是因为其具有以下性能：

（1）耐腐蚀性极强：化学性能稳定，几乎对所有化学品和溶剂呈惰性，且几乎没有一种溶剂或化合物可在300 ℃以下溶解它，可以应用在大多数恶劣的工作环境中。

（2）耐高温和低温：非金属材料在-190～260 ℃范围内低温不脆化、高温不软化，可正常使用。

（3）优越的清灰功能：有固体材料中最小的表面张力，表面接触角非常大，不粘附任何物质；管壁表面光滑，并且有时度的挠性，使用时微有振动，故不易结垢；同时安装清灰装置，很好解决了积灰问题。

（4）优异的耐磨损性：非金属材料本身具有优异的耐磨损性，并在设计时选取低磨损、低阻力的烟气流速，从而减少了对聚四氟乙烯换热器管束的磨损。

（5）低阻力：非金属材料换热管本身表面光滑，摩擦系数小，对烟气的阻力小；具体设计时考虑聚四氟乙烯换热器本身对烟气的阻力，有最优化的结构尺寸。

（6）使用寿命长：非金属材料中不含光敏基因，极耐老化，有塑料中最佳的老化寿命，且耐磨损性强，不易堵灰，非金属换热器正常情况下可使用10～15年。

（7）配置自动水冲洗及防积灰、结垢系统：冲洗系统是聚四氟乙烯换热器必不可少的组成部分。聚四氟乙烯换热器跟烟道连接，换热管束与烟气直接接触，运行环境恶劣，长时间运行换热管外壁与定位板将大量积灰，给换热带来极大的影响，导致换热能力严重下降，冲洗系统极好地解决了积灰的问题。冲洗系统在聚四氟乙烯换热器运行过程中，定时地对换热管束进行冲洗。

3 聚四氟乙烯换热器的应用方向

聚四氟乙烯换热器能吸收烟气余热，将流经脱硫塔的烟气通过冷凝方式析出其中水分，进一步将脱硫塔未脱除的SO3、SO2等酸性气体以酸液的形式凝结析出。通过烟尘与换热管束表面凝结水膜碰撞、吸附降低烟尘浓度。主要应用方向分为预热助燃空气、加热热网水、凝结水等。

（1）空气预热。即以一次循环水为热媒，将在烟气侧吸收的热量释放给一、二次冷风，将进入预热器前的冷风预加热，从而减少蒸汽暖风器所需蒸汽用量，节约能源。具体工艺路线如图1所示。

图1 余热预热空气流程图

（2）利用烟气余热加热凝结水，提高热效率，降低煤耗。低温的锅炉回水及凝结水进入聚四氟乙烯换热器后，吸取烟气的热量，温度得到提升后进入温度较高的一级加热器，水的热量释放后回到聚四氟乙烯换热器继续循环。这种方式提取了烟气中的废热，减少了烟气中的酸性及大颗粒粉尘数量，起到了节能减排的作用。具体工艺路线如图2所示。

图2 余热加热凝结水流程图

（3）利用烟气余热加热水暖系统热网循环水，提高热效率，降低煤耗。此种方式适合于有供热需求的区域，温度较低的热网回水进入热泵，热泵提取了循环水的热量传递给热网回水，加热热网回水后继续供暖。循环水则是提取了烟气中的废热。这种方式提取了烟气中的废热，减少了烟气中的酸性及大颗粒粉尘数量，起到了节能减排的作用。具体工艺路线如图3所示。

图3 余热供暖流程图

4 结论

根据热平衡原理，得到传热速率方程：

冷介质和热介质热交换平衡方程式：

计算得出余热回收量之后，根据现场相关价格计算经济收益。

5 经济性分析

（1）以天津某电厂330 MW机组为例，在脱硫塔后、烟囱前设置聚四氟乙烯换热器，用于提取低温烟气余热，减少烟尘排放量。根据实际测试数据分析其经济性，其中工业水价按照7元/t，标煤价格按照600元/t，计算项目整体收益，详见表1。

（2）金属换热器和聚四氟乙烯换热器两者之间的性能对比如表2所示。

（3）净化、除尘功能。烟气经过聚四氟乙烯换热器后降温，随之大量的水蒸气在聚四氟乙烯换热器的小管径密集管束外表面凝结成水膜，烟气中的粉尘颗粒、SO2、H2SO4、（SO3）气溶胶、HCl等酸性气体流经密集管束时，充分与密集管束外表面的水膜接触、粘结、吸附，随凝液一起凝结排入地坑，并对管束外表面进行定期喷淋冲洗，达到超净化除尘的目的。

表1 聚四氟乙烯换热器参数表

表2 性能对比

6 结语

综上所述，聚四氟乙烯换热器凭借自身特有的防腐蚀性能及本身的换热性能，对比金属换热器更具经济性，并且维护费用低，一次安装。聚四氟乙烯换热器正常使用寿命在15～20年左右，使用过程中运行成本低，只是涉及到循环水、部分喷淋水水泵的用电，其他无耗能部件，基本不需维护。随着国家环保要求的日趋严格以及人们节能意识的增强，其在工程领域的应用前景十分广阔。

[参考文献]

[1]杨世铭，陶文铨.传热学[M].4版.北京：高等教育出版社，2006.

[2]王岩.氟塑料低温省煤器在燃煤电站的应用[J].能源与节能，2013（5）：119-120.

[3]孙金栋，鲁国丽，贾力.新型烟气冷凝节能与脱硫装置研究[J].环境污染治理技术与设备，2002（8）：79-82.

[4]崔永章，钱申贤.翅片换热器中天然气烟气的冷凝传热[J].山东建筑工程学院学报，2000（2）：41-45.

[5]笪耀东，车德福，庄正宁，等.高水分烟气对流冷凝换热模拟实验研究[J].工业锅炉，2003（1）：12-15.

[6]王随林，刘贵昌，温治，等.新型防腐镀膜烟气冷凝换热器换热实验研究[J].暖通空调，2005（2）：71-74.

[7]戴传山，李彪，王秋香.氟塑料换热器研究进展[J].化工进展，2011（S1）：633-636.