? ??⑧ 防腐涂層對(duì)熱效率的影響
? ??曾有人擔(dān)心防腐涂料的導(dǎo)熱性能很差，其熱導(dǎo)率為0.1～0.2 W/( m·K)，僅為紫銅的0.4%，是否會(huì)明顯減弱換熱器的換熱性能。下面用一個(gè)簡(jiǎn)單的例子來(lái)說(shuō)明。煙氣流經(jīng)銅水管(帶涂層)時(shí)的傳熱系數(shù)K可以表示為：
? ??將所取數(shù)據(jù)代入上式得到傳熱系數(shù)為48.6 W/(m2·K)。
? ??由于涂層很薄，涂層的熱阻很小。如果沒(méi)有涂層(δ2=0)，傳熱系數(shù)為49.8 W/(m2·K)，兩者只相差2.5%。即有涂層后只需多布置2.5%的換熱面積便可以得到補(bǔ)償?？梢?jiàn)，很薄的涂層(厚度為20～50 μm)對(duì)換熱的影響較小[4]。表1的測(cè)試數(shù)據(jù)也證明了這一點(diǎn)。
?? ?⑨ 冷凝水的分析
?? ?燃?xì)馊紵傻臒煔庵泻兴嵝詺怏wSOx、NOx、CO2以及氯離子、氟離子等物質(zhì)，當(dāng)它們?nèi)苡诶淠斜闵闪蛩?、硝酸、碳酸、鹽酸、氫氟酸等，使冷凝水呈酸性。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)(見(jiàn)表3中的編號(hào)2～6)，冷凝水的酸性(pH值)與燃燒工況的關(guān)系不明顯，在燃用重慶天然氣時(shí)，過(guò)?？諝庀禂?shù)從1.2增大到3.7，冷凝水的pH值均維持在3.0～3.5。但是，從表3還難于得出冷凝水中各酸根質(zhì)量濃度與冷凝水的pH值的關(guān)系。
表3 冷凝水分析
Tab.3 Analysis of condensate
試驗(yàn)編號(hào) | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
燃?xì)夥N類 | 液化石油氣 | 天然氣 | 天然氣 | 天然氣 | 天然氣 | 天然氣 |
過(guò)?？諝庀禂?shù) | 1.6 | 1.2 | 1.8 | 2.7 | 3.7 | 2.O |
冷水溫度/℃ | 25 | 15 | 16 | 16 | 16 | 16 |
排煙溫度/℃ | 54.0 | 50.0 | 47.5 | 50.0 | 50.0 | 49.0 |
冷凝水量/(kg·h-1) | 0.8 | O.5 | 1.7 | 1.5 | 1.4 | 1.8 |
冷凝水pH值 | 5.0～6.0 | 3.1 | 3.O | 3.0 | 3.5 | 3.5 |
冷凝水酸根質(zhì)量濃度/(mg·L-1) | S02- | 11.0 | 2.1 | 120.0 | 107.0 | 61.0 | 99.0 |
NO3- | 280.0 | 5.4 | 139.0 | 132.0 | 59.0 | 56.O |
Cl- | — | 23.0 | — | 6.0 | 11.3 | 7.4 |
3 試驗(yàn)結(jié)果分析
? ??①冷凝水的生成
煙氣沿肋片表面流動(dòng)過(guò)程中，在臨近肋片表面存在一個(gè)溫度邊界層。在邊界層內(nèi)，與肋片表面直接接觸的位置上煙氣溫度與肋片表面溫度相同，為t1，見(jiàn)圖4；離開(kāi)肋片表面，煙氣溫度逐漸升高，最后達(dá)到最高值t2。假定水溫明顯低于露點(diǎn)而煙氣溫度又較低，則在煙氣邊界層內(nèi)便會(huì)存在一個(gè)冷凝區(qū)域，其內(nèi)煙氣溫度處于露點(diǎn)tc以下。相應(yīng)在此冷凝區(qū)域內(nèi)水蒸氣便冷凝成水霧，并貼附在肋片表面，出現(xiàn)冷凝水。因此，冷凝水生成的條件應(yīng)是肋片表面溫度低于煙氣露點(diǎn)(存在冷凝區(qū)域)，即t1＜tc。應(yīng)注意肋片不同位置上的表面溫度不相同。對(duì)冷凝區(qū)域大小影響最大的兩個(gè)因素，一是冷水溫度t0，二是煙氣溫度t2。冷水溫度越低，冷凝區(qū)域越大；煙氣溫度越低，冷凝區(qū)域越大。
??? 當(dāng)煙氣溫度降低到某一溫度t。，煙氣中的水蒸氣便開(kāi)始出現(xiàn)冷凝，析出冷凝水，t。即為煙氣的露點(diǎn)。達(dá)到露點(diǎn)時(shí)煙氣剛開(kāi)始出現(xiàn)冷凝，其冷凝量很小。在燃?xì)鉄崴魃弦篃煔庵械乃魵馊坷淠?，則排煙溫度必須降到環(huán)境溫度，這很難做到。
??? 需要指出的是，煙氣露點(diǎn)不是一個(gè)固定值，它與燃?xì)夥N類、燃燒過(guò)程的過(guò)?？諝庀禂?shù)有關(guān)。表4列出了天然氣和液化石油氣在不同過(guò)?？諝庀禂?shù)下燃燒生成的煙氣的露點(diǎn)。煙氣中的水蒸氣冷凝后，一部分貼附在肋片表面上，沿肋片向下流動(dòng)排出熱水器。另一部分則以水霧的形式隨煙氣排出。因此，總的冷凝水量很難直接測(cè)出。
表4 煙氣的露點(diǎn)
Tab.4 Dew point of flue gas
???????????????????????????????????????????????????? ℃
燃?xì)夥N類 | 過(guò)剩空氣系數(shù) |
1.0 | 1.2 | 1.4 | 1.6 | 1.8 | 2.0 |
天然氣 | 57.0 | 55.0 | 53.0 | 51.0 | 49.0 | 46.5 |
液化石油氣 | 54.0 | 51.5 | 49.0 | 46.0 | 43.5 | 41.0 |
② 腐蝕污染物的生成
??? 1號(hào)熱水器的試驗(yàn)表明，一旦換熱器表面生成腐蝕污染物硫酸銅，其直接后果是污染物可能引起煙氣流道堵塞，使燃燒惡化，熱水器不能安全運(yùn)行。因此對(duì)腐蝕污染物的形成必須特別關(guān)注。在研究冷凝式熱水器低溫段的腐蝕時(shí)，以往的研究認(rèn)為，煙氣溫度下降到露點(diǎn)以后，水蒸氣冷凝，煙氣中的酸性物質(zhì)S02、NO、S03、N02、C02、HCl、HF在氣態(tài)下不具有腐蝕性，溶于冷凝水中形成酸性水溶液，酸性水溶液對(duì)換熱器產(chǎn)生腐蝕。產(chǎn)生冷凝水是引發(fā)腐蝕的前提。但是在研究電站鍋爐換熱器低溫段(空氣預(yù)熱器)腐蝕時(shí)發(fā)現(xiàn)[5]，由于天然氣中H2S(國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)允許天然氣中含有H2S的質(zhì)量濃度≤20 mg/m3)，在燃燒過(guò)程中便會(huì)生成SO2。若有過(guò)?？諝獯嬖冢琒O2進(jìn)一步氧化為SO3，并與水蒸氣反應(yīng)生成H2SO4。當(dāng)煙氣溫度下降，氣態(tài)硫酸在酸露點(diǎn)下會(huì)冷凝成硫酸液霧，貼附在換熱器表面上便產(chǎn)生強(qiáng)烈腐蝕，生成腐蝕產(chǎn)物硫酸鹽。燃燒煙氣的酸露點(diǎn)與燃?xì)夂蛄坑嘘P(guān)，在文獻(xiàn)VGB(西德大鍋爐主協(xié)會(huì))1963年8月版上曾報(bào)道了天然氣含硫量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))與其煙氣酸露點(diǎn)間的關(guān)系，見(jiàn)表5。重慶天然氣中硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5×10-5，其酸露點(diǎn)約73 ℃，比煙氣水露點(diǎn)高出逾20 ℃。煙氣中SO2與水蒸氣反應(yīng)也會(huì)生成亞硫酸，但其酸露點(diǎn)較低(為45～50 ℃)，與煙氣水露點(diǎn)相近，低于硫酸的酸露點(diǎn)。
表5 燃燒氣體的酸露點(diǎn)
Tab.5 Acid dew point of combustion gas
天然氣含硫量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) | 10-6 | 10-5 | 10-4 | 10-3 | 10-2 | 2×10-2 | 4×10-2 |
煙氣酸露點(diǎn)/℃ | 57 | 68 | 79 | 91 | 108 | 113 | 121 |
??? 燃?xì)庠谌紵^(guò)程中還會(huì)生成氮氧化物NO、N02。研究指出，熱水器煙氣中的氮氧化物按體積分?jǐn)?shù)計(jì)，90%～95%是NO，而N02份額只有5%～10%。NO難溶于水，NO2溶于水生成硝酸，含硝酸的冷凝水對(duì)銅肋片管也產(chǎn)生腐蝕。燃?xì)馀c空氣中還含有微量的氯化物、氟化物，在燃燒過(guò)程中分解而生成鹽酸與氫氟酸，它們?nèi)苡诶淠幸矔?huì)引起腐蝕。煙氣中除硫酸以外，其他酸性氣體的酸露點(diǎn)均與煙氣水露點(diǎn)相近。因此，煙氣的酸露點(diǎn)通常是指酸露點(diǎn)中最高的那個(gè)組分的值，即硫酸的酸露點(diǎn)。很明顯，在煙氣溫度下降時(shí)首先是氣態(tài)硫酸冷凝，煙氣溫度再下降便是水蒸氣冷凝，各種酸性物質(zhì)溶于冷凝水中生成酸性冷凝水，這兩種酸性冷凝物均使換熱器產(chǎn)生腐蝕。
??? 在20世紀(jì)50年代電站鍋爐容量增大時(shí)，為提高熱效率便把排煙溫度降到110 ℃以下。運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，由于燃料含硫，在煙氣低溫段空氣預(yù)熱器上，出現(xiàn)明顯的腐蝕穿孔與污染物堵塞現(xiàn)象，而此煙氣溫度下未出現(xiàn)水蒸氣冷凝。這是由于煙氣溫度低于酸露點(diǎn)出現(xiàn)硫酸冷凝引起的強(qiáng)烈腐蝕。這種現(xiàn)象出現(xiàn)在換熱器低溫段，鍋爐上習(xí)慣稱作低溫腐蝕。低溫腐蝕表現(xiàn)為受熱面腐蝕減薄、穿孔以及污染物粘附在受熱面上使流道堵塞。低溫腐蝕總是出現(xiàn)在水蒸氣冷凝之前的溫度區(qū)段。顯然，這種觀點(diǎn)可以合理地解釋1號(hào)熱水器上腐蝕污染物在下導(dǎo)水片上生成的原因。因此，冷凝式熱水器的換熱器不管是高溫段還是低溫段，只要表面溫度降到煙氣酸露點(diǎn)以下，便會(huì)出現(xiàn)硫酸腐蝕。
??? 當(dāng)燃?xì)庵辛蛸|(zhì)量分?jǐn)?shù)降到小于10-6時(shí)，酸露點(diǎn)下降到與煙氣露點(diǎn)基本一致，低溫腐蝕便不會(huì)出現(xiàn)。而這就對(duì)燃?xì)獾膬艋岢隽撕車?yán)的要求，在制氣成本上很難接受。
4 結(jié)論
??? ① 在冷凝式燃?xì)鉄崴鞯牡蜏囟紊先羰褂脗鹘y(tǒng)的銅肋片管換熱器，不能抵抗冷凝液的酸性腐蝕，也不能滿足長(zhǎng)期安全使用的要求。而在銅肋片管換熱器表面浸(噴)涂有機(jī)防腐涂料后，可以防止酸性腐蝕，實(shí)現(xiàn)冷凝式熱水器正常、安全、長(zhǎng)期運(yùn)行。
??? ② 干粉環(huán)氧樹(shù)脂有機(jī)涂料作為銅肋片管換熱器的防腐涂層，具有良好的抗酸腐蝕與耐溫性能，能基本滿足使用要求。但噴涂工藝還需改進(jìn)，以提高附著力。
? ??③ 當(dāng)燃?xì)夂驎r(shí)，酸性腐蝕表現(xiàn)為在銅換熱器表面生成腐蝕污染物硫酸銅，以及銅片腐蝕減薄。產(chǎn)生腐蝕的原因是在酸露點(diǎn)以下氣態(tài)硫酸冷凝粘附在換熱器表面，以及在水露點(diǎn)以下水蒸氣冷凝形成酸性水溶液粘附在換熱器表面。兩者相比，前者的腐蝕更強(qiáng)，危害更大。所以，在冷凝式燃?xì)鉄崴魃蠈?duì)防腐涂料的要求是應(yīng)能承受在酸露點(diǎn)下形成的硫酸液膜的腐蝕。
? ??④ 由于有機(jī)防腐涂層的厚度很薄，其熱阻很小，因此對(duì)于熱水器的熱效率影響也較小。
? ??⑤ 熱水器使用有防腐涂層的銅換熱器時(shí)，在連續(xù)運(yùn)行1200 h以后，熱效率下降為6.1%。
8.5%，可以接受。
參考文獻(xiàn)：
[1] 車德福.冷凝式鍋爐及其系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.
[2] 同濟(jì)大學(xué)，重慶建筑大學(xué)，哈爾濱建筑大學(xué)，等.燃?xì)馊紵c應(yīng)用(第3版)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2000.
[3] 秦國(guó)治，袁士霄.防腐蝕工程[M].北京：中國(guó)石化出版社，1996年.
[4] 林宗虎.強(qiáng)化傳熱及其工程應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1987.
[5] 陳學(xué)俊.鍋爐學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社.1986.
