搪瓷換熱管在燃煤發(fā)電機(jī)組MGGH上的應(yīng)用研究

張全斌，朱青國(guó)，何翊皓

（1.浙江省能源集團(tuán)有限公司，杭州 310007；2.浙江浙能臺(tái)州第二發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 臺(tái)州 318000）

搪瓷換熱管在燃煤發(fā)電機(jī)組MGGH上的應(yīng)用研究

張全斌1，朱青國(guó)2，何翊皓1

（1.浙江省能源集團(tuán)有限公司，杭州 310007；2.浙江浙能臺(tái)州第二發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 臺(tái)州 318000）

隨著國(guó)家環(huán)保要求的不斷提高，燃煤火力發(fā)電機(jī)組煙氣超低排放技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用得到了迅速發(fā)展，火力發(fā)電企業(yè)對(duì)MGGH的需求呈井噴式發(fā)展。鑒于MGGH特殊的運(yùn)行環(huán)境，解決其換熱管的低溫腐蝕是一項(xiàng)關(guān)鍵難題，運(yùn)用搪瓷換熱管能很好地解決這個(gè)問(wèn)題。并從腐蝕成因、低溫防腐材料選擇以及工程實(shí)踐等幾個(gè)方面闡述了搪瓷換熱管在MGGH設(shè)備獨(dú)特的應(yīng)用前景。

搪瓷換熱管；MGGH；低溫腐蝕

0 引言

隨著國(guó)家環(huán)保要求的不斷提高，燃煤火力發(fā)電機(jī)組需要不斷降低鍋爐煙氣污染物排放以達(dá)到日益嚴(yán)格的排放指標(biāo)。自2013年以來(lái)，燃煤發(fā)電廠超低排放概念逐漸深入人心，其核心理念就是燃煤發(fā)電機(jī)組的鍋爐煙氣污染物排放指標(biāo)要達(dá)到燃?xì)廨啓C(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)，即SOX≤35 mg/m3，NOX≤50 mg/m3，粉塵≤5 mg/m3（以上均換算為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的數(shù)值）。作為燃煤發(fā)電廠鍋爐煙氣“超低排放”處理系統(tǒng)的重要組成部分，MGGH（水媒管式煙氣換熱器）通過(guò)調(diào)節(jié)、優(yōu)化鍋爐煙氣溫度，提高除塵及脫硫系統(tǒng)效率，其作用日益受到重視。

MGGH是兩級(jí)煙氣-水換熱器，由煙氣放熱器和煙氣再熱器組成，MGGH主要是利用鍋爐低品質(zhì)煙氣余熱加熱脫硫后濕式電除塵器出口的濕煙氣，抬升煙氣溫度以消除煙囪冒白煙現(xiàn)象。MGGH煙氣放熱器布置在鍋爐空預(yù)器出口與干式靜電除塵器之間的煙道上，利用鍋爐空預(yù)器出口煙氣余熱加熱熱媒水；煙氣再熱器布置在濕式電除塵器出口煙道上，利用熱媒水加熱濕式電除塵器出口的低溫?zé)煔?，MGGH通過(guò)熱媒水將干式靜電除塵器入口的煙氣熱量傳遞給濕式電除塵器出口的低溫?zé)煔狻?/p>

鑒于MGGH特殊的運(yùn)行環(huán)境，其煙氣再熱器低溫腐蝕問(wèn)題成為設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)行中一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題，運(yùn)用搪瓷換熱管能很好地加以解決，并且其傳熱性能比普通熱管降低不超過(guò)5%[1]。

某發(fā)電廠工程新建2臺(tái)百萬(wàn)等級(jí)超超臨界燃煤機(jī)組，鍋爐煙氣污染物排放濃度執(zhí)行超低排放指標(biāo)要求，設(shè)計(jì)煤種含硫量為1.0%。工程設(shè)置MGGH，MGGH煙氣放熱器設(shè)計(jì)入口煙溫127℃，出口煙溫≤85℃；煙氣再熱器設(shè)計(jì)入口煙溫48℃，出口煙溫≥80℃。

1 MGGH換熱管低溫腐蝕機(jī)理及應(yīng)對(duì)措施

燃煤含有不同程度的硫，經(jīng)過(guò)鍋爐燃燒后，會(huì)在煙氣中產(chǎn)生不同濃度的SO2及SO3，一旦與煙氣中水蒸汽結(jié)合，在尾部煙溫較低區(qū)段凝結(jié)成為酸液滴，將會(huì)對(duì)設(shè)備造成強(qiáng)烈的腐蝕，這一現(xiàn)象被稱為硫酸露點(diǎn)腐蝕，也稱為低溫腐蝕。強(qiáng)烈的低溫腐蝕通常發(fā)生在MGGH煙氣再熱器低溫段換熱管，煙氣對(duì)受熱面低溫腐蝕常用酸露點(diǎn)的高低來(lái)表示，露點(diǎn)愈高，腐蝕范圍愈廣，腐蝕也愈嚴(yán)重，其腐蝕速度與金屬壁面溫度有很大關(guān)系，如圖1所示。

圖1 低溫腐蝕與管壁溫度關(guān)系（腐蝕曲線）

隨著金屬管壁溫的降低，腐蝕曲線圖出現(xiàn)了2個(gè)腐蝕嚴(yán)重區(qū)和2個(gè)安全區(qū)。當(dāng)壁溫大于酸露點(diǎn)時(shí)，腐蝕速度很低，稱為第Ⅰ安全區(qū)。當(dāng)壁溫小于酸露點(diǎn)，硫酸開始凝結(jié)，引起腐蝕，但由于酸濃度較高（一般在80%以上），凝結(jié)酸量較少，腐蝕速度不大；隨著壁溫降低，凝結(jié)酸量增加，硫酸濃度下降，腐蝕速度增大，當(dāng)管子壁溫低于酸露點(diǎn)10～30℃時(shí)，金屬腐蝕速度達(dá)到最大值，此溫度附近稱為第Ⅰ腐蝕嚴(yán)重區(qū)。隨著壁溫進(jìn)一步降低，腐蝕速度亦隨之下降，直到達(dá)到腐蝕最輕點(diǎn)，形成第Ⅱ安全區(qū)。壁溫再繼續(xù)下降，由于凝結(jié)的酸液濃度接近50%，同時(shí)凝結(jié)量又多，因此腐蝕速度又上升，當(dāng)壁溫達(dá)到水露點(diǎn)，有大量水蒸汽及稀硫酸凝結(jié)，使腐蝕劇烈增加，形成第Ⅱ腐蝕嚴(yán)重區(qū)。

針對(duì)MGGH煙氣再熱器煙氣運(yùn)行溫度區(qū)間為48～80℃，熱媒水運(yùn)行溫度處于75～105℃，可以估算煙氣再熱器低溫段處于第Ⅱ腐蝕嚴(yán)重區(qū)，而煙氣再熱器的中、高溫段則處于第Ⅱ安全區(qū)。

對(duì)于MGGH煙氣再熱器低溫段，目前主要有2種工程技術(shù)手段控制低溫腐蝕速率：

（1）依據(jù)有限腐蝕理論[2]，通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)入換熱管的水溫將其管道壁溫控制在合理的范圍之內(nèi)。

（2）換熱管采用耐低溫腐蝕性能好的材料，如耐酸鋼、不銹鋼、玻璃、石墨以及復(fù)合材料。

所謂有限腐蝕理論是指管道金屬壁溫低于煙氣酸露點(diǎn)時(shí)，存在兩個(gè)低腐蝕速率區(qū)域，就是圖1所示的2個(gè)安全區(qū)域。在工程實(shí)踐中，將換熱管的水溫控制在煙氣露點(diǎn)以上25℃且小于105℃的區(qū)間，就可以將金屬低溫腐蝕速率控制在0.2mm/a以內(nèi)的安全區(qū)域。而實(shí)際運(yùn)行中，燃煤成分和鍋爐設(shè)備的負(fù)荷波動(dòng)十分頻繁，精確控制換熱管的水溫十分困難，有限腐蝕理論在實(shí)際應(yīng)用中存在一定的制約條件。選擇耐低溫腐蝕性能優(yōu)良的管材則是目前解決MGGH煙氣再熱器低溫腐蝕的主要途徑。

2 低溫段換熱管選用搪瓷管的可行性

目前，常規(guī)耐硫酸腐蝕管材主要有ND鋼、不銹鋼（304，316L，DIN1.4529，254SMo等）和復(fù)合材料（包塑管、搪瓷管）等。

MGGH煙氣再熱器換熱管管材的工程選擇要求：首先，管材必須具有優(yōu)異的耐硫酸腐蝕能力，理想的材料能夠保證與發(fā)電廠同等的設(shè)計(jì)使用壽命，至少確保一個(gè)大修周期的使用年限，即6～10 a；其次，材料應(yīng)該具有良好機(jī)械性能和熱傳導(dǎo)性，滿足運(yùn)行環(huán)境下的防沖刷抗磨損要求，具有足夠的強(qiáng)度、剛度和韌性，以及與普通金屬鋼管同一數(shù)量級(jí)的熱傳導(dǎo)性能；最后，選定的廠商應(yīng)具有規(guī)?；a(chǎn)能力，能提供性價(jià)比良好的換熱管管材。

對(duì)可選的MGGH煙氣再熱器換熱管材質(zhì)316L、包塑管、DIN1.4529和搪瓷管（其中包塑管和搪瓷管復(fù)合材料基材考慮采用20鋼或ND鋼）進(jìn)行研究、調(diào)研、比選，決定選用搪瓷換熱管，可滿足本工程要求。從以下幾方面論證其可行性。

2.1 耐硫酸腐蝕能力

根據(jù)參考文獻(xiàn)匯總了主要金屬材料耐硫酸露點(diǎn)腐蝕能力參考值，如表1所示。

表1 主要金屬材料耐硫酸露點(diǎn)腐蝕能力對(duì)照表

表1中各類金屬材料腐蝕速率的測(cè)試環(huán)境與某發(fā)電廠MGGH煙氣再熱器運(yùn)行環(huán)境相接近，處于或接近第Ⅱ腐蝕嚴(yán)重區(qū)，硫酸酸液濃度接近50%，測(cè)試數(shù)據(jù)顯示ND鋼、316L和DIN1.4529鋼具有較好的耐腐蝕能力，而普通碳鋼無(wú)法滿足工程要求。根據(jù)實(shí)際工程使用情況，316L并不是理想的材料，圖2為某發(fā)電廠運(yùn)行3個(gè)月后MGGH煙氣再熱器低溫段的腐蝕情況，肉眼可見銹蝕。

圖2 某發(fā)電廠MGGH換熱管低溫腐蝕（316L）照片

另?yè)?jù)腐蝕試驗(yàn)[3]，得到碳鋼、不銹鋼和搪瓷在不同濃度硫酸溶液的腐蝕速率變化曲線，如圖3所示。

圖3反映出搪瓷在硫酸中具有非常優(yōu)秀的耐腐蝕能力，與碳鋼和不銹鋼比較，腐蝕速率可降低2～3個(gè)數(shù)量級(jí)，數(shù)據(jù)顯示搪瓷在稀硫酸中耐腐蝕能力較差，隨著硫酸濃度的增加，腐蝕速率不斷減少。MGGH煙氣再熱器低溫段換熱管接觸的煙氣硫酸濃度一般高于50%，搪瓷換熱管在這種工作環(huán)境下具有優(yōu)越耐腐蝕性能。包塑管與搪瓷換熱管具有類似的耐腐蝕性能。

2.2 機(jī)械性能

圖3 不同材料在硫酸溶液的腐蝕速率

工程MGGH煙氣再熱器換熱管外徑規(guī)格為Φ38mm，長(zhǎng)度規(guī)格為12040mm，設(shè)計(jì)搪瓷層厚度為170～300 μm。試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示[4]，當(dāng)搪瓷換熱管工作溫差不超過(guò)150℃，搪瓷層厚度小于1mm時(shí)具有較高的熱穩(wěn)定性，搪瓷換熱管完全可以滿足MGGH煙氣再熱器的熱沖擊要求，搪瓷層厚度與最大應(yīng)力的關(guān)系如圖4所示。

圖4 搪瓷層厚度與最大應(yīng)力的關(guān)系

同時(shí)，搪瓷復(fù)合換熱管的物理機(jī)械性能由基材的金屬機(jī)械性能所決定，技術(shù)數(shù)據(jù)與基材基本一致。

2.3 熱傳導(dǎo)性能試驗(yàn)

針對(duì)2種基材的搪瓷換熱管進(jìn)行了導(dǎo)熱系數(shù)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)試?；牟捎?0鋼和3組不銹鋼的搪瓷換熱管規(guī)格分別為Φ38mm×4mm和Φ38mm×3mm，兩者的設(shè)計(jì)搪瓷層厚度均為170～300 μm。經(jīng)檢測(cè)，室溫20.5℃時(shí)，20鋼的導(dǎo)熱系數(shù)為57.29 W/（m·K），搪瓷后為54.53 W/（m·K），導(dǎo)熱系數(shù)下降約4.8%；316L鋼的導(dǎo)熱系數(shù)為116.0 W/（m·K），搪瓷后為111.5 W/（m·K），導(dǎo)熱系數(shù)下降約3.9%。

由于搪瓷層的厚度相對(duì)管壁厚度不到十分之一，搪瓷層與碳鋼結(jié)合緊密，涂搪瓷后對(duì)換熱管傳熱系數(shù)的影響很小，能夠滿足MGGH的換熱要求。

2.4 防沖刷抗磨損能力試驗(yàn)

為了測(cè)試搪瓷換熱管的耐沖刷能力，工程方委托某著名高校無(wú)機(jī)非金屬材料研究所就搪瓷管與ND鋼管進(jìn)行耐沖刷比較實(shí)驗(yàn)和材料壽命預(yù)估。實(shí)驗(yàn)樣板采用外徑Φ38mm、長(zhǎng)度100mm的短管。通過(guò)模擬發(fā)電廠的煙氣環(huán)境，在煙塵濃度35 g/m3、煙氣流速10 m/s的情況下，厚度為4 ms的ND鋼管壽命預(yù)估值為40000～50000 h；搪瓷層厚度為300 μm的搪瓷管（搪瓷層）壽命預(yù)估值為80000～100000 h，搪瓷管壽命是ND鋼管的2倍。

另外，對(duì)包塑管的防沖刷抗磨損能力進(jìn)行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)包塑管的包塑質(zhì)量是決定包塑管壽命的一個(gè)關(guān)鍵因素，如果質(zhì)量不穩(wěn)定，對(duì)MGGH的使用壽命產(chǎn)生不利影響，甚至是致命的。圖5為其他發(fā)電廠包塑管使用情況照片，顯示包塑管存在開裂現(xiàn)象。

圖5MGGH包塑管開裂照片

2.5 工程造價(jià)

MGGH煙氣再熱器低溫段采用搪瓷換熱管從技術(shù)層面得到了論證，另外，搪瓷換熱管在工程造價(jià)方面也具有突出的優(yōu)勢(shì)，表2為幾種工程方案的造價(jià)比較情況。

表2MGGH煙氣再熱器低溫段各種用材工程造價(jià)對(duì)照表（2014年價(jià)格）

3 搪瓷換熱管應(yīng)用實(shí)踐

經(jīng)過(guò)近一年研究，MGGH煙氣再熱器低溫段選用了搪瓷換熱管，管子基材采用20鋼，規(guī)格Φ38mm×4mm，長(zhǎng)度12040mm，搪瓷層厚度170～300 μm，搪瓷管主要理化性能指標(biāo)如下：

（1）耐硫酸：30%硫酸，沸騰18 h，侵蝕量不高于2.0 g/m2（ISO28706-2）。

（2）耐鹽酸：20%鹽酸，沸騰6 h，侵蝕量不高于3.5 g/m2（ISO28706-2）。

（3）密著性（附著力）：1級(jí)或以上（EN10209）。

（4）耐電火花：2000 V測(cè)試漏電點(diǎn)個(gè)數(shù)不高于5個(gè)/0.09 m2。

（5）耐熱急變性：加熱到300℃，放入水介質(zhì)（23±3）℃，無(wú)裂紋（DEZ-MB7.7.1）。

2015年設(shè)備安裝完成后，9月機(jī)組正式投運(yùn)。2016年5月，利用發(fā)電廠停機(jī)檢修機(jī)會(huì)，對(duì)MGGH煙氣再熱器進(jìn)行了例行檢查，檢查結(jié)果符合預(yù)期。圖6為MGGH煙氣再熱器檢查照片，照片顯示換熱管有輕微粉塵覆蓋，無(wú)銹蝕情況。

圖6 使用搪瓷換熱管的MGGH煙氣再熱器低溫段檢查照片

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)工程應(yīng)用實(shí)踐，搪瓷換熱管可從根本上解決MGGH煙氣再熱器的低溫腐蝕問(wèn)題。與基材鋼材相比，搪瓷換熱管的傳熱系數(shù)相對(duì)降低率較低，且搪瓷表面光滑不易結(jié)垢和積灰，具有超強(qiáng)防沖刷抗磨損能力，與選用耐酸不銹鋼材料相比，可降低投資。搪瓷換熱管在燃煤發(fā)電廠煙氣低溫防腐領(lǐng)域?qū)⒕哂袕V闊的應(yīng)用前景。

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（本文編輯：張 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

張全斌（1974），男，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事發(fā)電項(xiàng)目管理工作。