氟塑料换热器的研究及应用进展

李剑锋，涂淑平，孙文哲

(上海海事大学 商船学院，上海 201306)

换热器是工业余热回收再利用环节中的主要设备，金属换热器作为主流换热设备，在实际工业应用中受到外界和自身多方条件的影响，存在使用经济性、安全性等诸多问题，包括低温酸腐蚀、易积灰结垢和易磨损，其中仅换热管的腐蚀失效就占金属换热器总故障的50%以上[1]。例如在烟气余热回收过程中，锅炉尾部烟气中硫氧化物含量较高，为了防止低温酸腐蚀问题，通常需要排烟温度高于120 ℃[2]。

因此，为了解决金属换热器在诸如强酸等恶劣工作环境下存在的腐蚀、结垢等问题的现实状况，寻找高性能耐腐蚀的非金属材料换热器替代传统金属换热器，具有重要的意义。

1 氟塑料换热器技术

近年来，应用于氟塑料换热器的材料主要有聚四氟乙烯(PTFE)、四氟乙烯与全氟代烷基乙烯基醚共聚物(PFA)和聚全氟代乙丙烯(FEP)等高分子材料[3]。相比于传统金属换热器，氟塑料换热器的优点显著，如下[4]：

在换热面积和体积比方面，比传统金属换热器高出一个甚至好几个数量级。以典型的金属管壳式换热器(Ø24 mm×4 mm)为例，该换热器的单位体积换热面积140 m2/m3；Ø0.9 mm×0.15 mm的PTFE管，其管间距1.5倍管外径，该换热器的单位体积传热面积为1 551 m2/m3，约为传统金属管壳式换热器的11.9倍。且以大金牌号为F-302的PTFE管为例，该管材密度为2.112 g/cm3，比金属换热器小得多。因此，小直径薄管壁、小密度的氟塑料换热器在相同的换热面积下，质量远小于金属换热器。

优良的耐腐蚀性能，几乎不与强酸、强碱反应，并且能耐住部分含卤素有机溶液[5]，可在250 ℃以下的烟气环境中长期安全工作[6]，使用寿命在15年以上。

摩擦特性优越。PTFE拥有优异的低摩擦性能，在低速、高负荷条件下，摩擦系数可低至0.04，就目前已知的固体物质来说，它的摩擦系数最小[7]。

抗积灰、结垢。具有很小的表面张力，表面光滑且有适度的挠性，使用时有振动现象，因此不容易积灰结垢。

价格成本低。相对于传统金属换热器和稀有金属材质换热器，小直径薄壁管的氟塑料换热器单位面积下所需管材量较小。在国内某机械制造厂，其采用的小直径薄壁管的PTFE换热器，单位体积传热面积所需PTFE仅为1.1～1.4 kg，且在安装、维修和操作方面的实际费用都比金属换热器低[8]。

目前，氟塑料换热器因其耐腐蚀、摩擦系数小、密度小等优良特性被广泛应用于工业余热回收、污水源热泵、海水淡化、溴化锂吸收式制冷、制药轻工等领域，在腐蚀性、污染杂质多的环境中具有突出优势。

2 氟塑料换热器研究及应用现状

2.1 国外氟塑料换热器研究及应用现状

1965年，美国杜邦公司率先在工业领域应用氟塑料换热器[5]，早期的氟塑料换热器主要用于处理化工腐蚀材质。之后，日本和欧洲各地工业发达国家纷纷研制出各种类型的氟塑料换热器，20世纪80年代出现氟塑料换热器用于海水淡化项目，90年代烟气余热回收利用领域也开始应用PTFE换热器[9-10]。并实现了氟塑料换热器的商品化生产，其中包括：日本淀川化成公司的PFA列管、美国United Wire公司的Teflon或聚丙烯加工制造塑料气气换热器、前苏联氟塑料盘管式换热装置等氟塑料产品[11]。

Shelestova等深入研究了碳纤维的大小对基于 PTFE 和改性槲纤维的 Fluvis 减摩复合材料的热物理性和强度特性的影响。研究发现，碳性纤维长度约100 μm时PTFE复合材料的综合性能最好。纤维长度的增加导致复合材料的密度、电阻率和抗压强度下降，过小则其增强作用不能充分发挥，而且会降低涂层表面质量[12]。

He等对PFA-石墨聚合物用于金属换热器涂层进行了深入研究，PFA-石墨复合涂层在循环加热/冷却下的浸渍实验中具有良好的耐腐蚀性和机械性能，其摩擦系数与原始PFA接近，可低至0.133。将约体积分数40%的石墨颗粒混入PFA粉中，热导率可以增加一个数量级[13]。

Y等从PFA复合涂层入手，综合比较分别填充20%石墨、碳化硅、氧化铝和氮化硼的PFA复合涂层的导热性能、机械特性和摩擦系数。并得出以下结论：石墨和氮化硼使其热导率提高至少2.8倍；分析了复合材料涂层的摩擦行为和刮伤变形，了解了滑动条件下的破坏机理，石墨-BN填充复合材料对基体的附着力较差，在BN或石墨鳞片上的应力集中较大，因此可能出现故障在低应用载荷下。相反,氧化铝和SiC填充复合涂层在滑动条件下具有较高的承载力[14]。

氟塑料-石墨板式换热器是20世纪80年代末发达国家提出的一种先进换热设备[15]。结合氟塑料和石墨两者的优良性能的该板式换热器，具有较好的导热性、优秀耐腐蚀特性和力学性能。Diabon F100石墨板式换热器是ALFA-LAVAL与德国SIGRI Great Lakes Carbon公司合作开发的，其是由石墨与塑料配置的复合材料压制成的波纹板片，板片之间是耐腐蚀密封剂密封，可安全运行在高合金与贵金属也难以工作的强腐蚀环境[16]。

近年来，沃斯坦公司(Wallstein)和杜邦公司(Dupont)联合研发的AlWaFlon®氟塑料换热器占据市场主导地位，目前已在石油化工、火力发电站以及制药轻工等行业应用广泛。表1是近期AlWaFlon®氟塑料换热器在火力发电厂部分使用业绩情况。

表1 国外部分氟塑料换热器应用业绩Table 1 Foreign fluoroplastic heat exchanger application performance

2.2 国内氟塑料换热器研究及应用现状

20世纪70年代，国内开始研究氟塑料换热器，略微滞后于欧美等工业发达国家。20世纪90年代，氟塑料-石墨板式换热器在稀盐酸回收等领域得到成功应用。90年代末，在烟气余热回收方面开始出现氟塑料翅片换热器应用的相关成果。2005年氟塑料换热器研究成功应用于溴化锂制冷机组。目前，也出现了像陕西瑞特、北京新世翼、上海金由等一大批优秀的氟塑料换热器生产制造厂商。

Xiong等利用两级氟塑料热交换器(FHE)组成的半工业测试系统研究水汽和低温烟气潜热回收，采用传热系数、热回收和水回收效率的方法对其优点进行了评价。其中，两级FHE总传热系数最大可以达到 275 W/(m2·K)；水回收效率在70%以上，湿法脱硫系统就能达到零耗水[17]。

胡清等以国内某1 000 MW机组为例，介绍了一种新型烟气余热深度回收技术，其第一级金属材质低压省煤器采用H型鳍片管结构，第二级换热器为氟塑料光管换热器，分析比较了系统运行后的经济性，锅炉排烟温度由130 ℃降至85 ℃，机组年平均标煤耗降低2.58 g /( kW·h)，年节水量443 100 t，系统年节约标煤净收益 695.3万元，投资回收期约5.61年[12]。

王亮亮等对高导热聚四氟乙烯复合材料进行了深入研究，石墨平均粒径≤2.3 μm，体积分数为30%时，PTFE/石墨复合材料的拉伸强度只有13.2 MPa，比PTFE下降了58.8%，而其热导率为1.2 W/(m·K)，是纯PTFE的近6倍。用经过表面处理的碳纤维壳明显提高PTFE/石墨符合材料的力学性能，在体积分数为30%的复合材料中添加6.2%的碳纤维时，其拉伸强度可达到86.6 MPa，是原复合材料的6倍多[18]。

杨继虎等提出了一种氟塑料管包覆不锈钢管的氟塑钢空预器，通过对氟塑钢空预器传热性能、积灰特性和防腐蚀的实验分析，对比金属换热器、纯氟塑料换热器和搪瓷换热器的优劣性，论证了其在电厂低温烟气长期安全运行的可行性。其中，当氟塑钢空预器换热管外包氟塑料厚度<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[19]。

魏安安等探究了PFA涂层能否用于氧化铝蒸发器的表面防腐蚀保护，用SEM对PFA涂层进行表面质量观测，涂层与金属基体结合良好，无孔隙和杂质；用拉开法对PFA涂层和基体实施结合强度的测试，结果表明，涂层试样的平均强度为12.9 MPa，PFA涂层与基体的结合强度十分理想;并设计模拟氧化铝蒸发器的实际工作环境，对PFA涂层的耐蚀性、耐热性、耐应力腐蚀性进行综合分析，PFA涂层结合强度高、致密性高、抗渗透能力强，能用于氧化铝蒸发器的表面防腐蚀[20]。

陕西瑞特热工氟塑料管壳式换热器产品材质选用美国Dupont(TEFLON)、日本Daikin Industries(FLON)等进口原料制造，可选用Φ9、Φ6、Φ5、Φ4、Φ3等氟塑料管束，产品温度范围为-150～260 ℃，总传热系数可达150～300 W/(m2·K)，适用于电镀、冶炼、化工、石油等行业。

上海金由氟塑料换热器主要应用于烟气消白领域，其大管径乐氟换热器管径51 mm，壁厚1 mm，可在-50～220 ℃范围内长期稳定安全运行。目前，氟塑料GGH成功应用于无锡固废处置中心GGH项目。

国内部分电厂(比如：华电半山电厂和江苏华电扬州发电厂)在锅炉余热利用方面也开始应用氟塑料换热器代替传统金属换热器，对电厂综合能效的提高有相当的影响。

3 结论与展望

相比金属换热器，氟塑料换热器更适合长期在强腐蚀环境下安全工作，且其运行维修费用低、质量轻。氟塑料换热器已经在国内外火力发电厂、石油化工等行业得到成功应用。

目前氟塑料换热器由于导热系数小、抗拉强度低和加工性能差等问题没有得到解决，国内外一些研究人员基于金属换热器的基本结构，充分利用氟塑料材料优秀的耐腐蚀特性以及石墨、氮化硼等材料优秀的导热性能和力学特性制成复合涂层，既使换热器表面保留了强耐腐蚀性的同时，也具有足够的强度及导热性能。其中，PFA与PTFE相比，除有更好的热塑性和力学性能外，其他性质相似。在未来，不论是工业领域耐腐蚀换热器的应用，还是国内外学术领域的研究上，PFA复合涂层都将拥有不可或缺的地位。