氟塑料換熱器的研究及應(yīng)用進(jìn)展

李劍鋒，涂淑平，孫文哲

(上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，上海 201306)

換熱器是工業(yè)余熱回收再利用環(huán)節(jié)中的主要設(shè)備，金屬換熱器作為主流換熱設(shè)備，在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中受到外界和自身多方條件的影響，存在使用經(jīng)濟(jì)性、安全性等諸多問題，包括低溫酸腐蝕、易積灰結(jié)垢和易磨損，其中僅換熱管的腐蝕失效就占金屬換熱器總故障的50%以上[1]。例如在煙氣余熱回收過程中，鍋爐尾部煙氣中硫氧化物含量較高，為了防止低溫酸腐蝕問題，通常需要排煙溫度高于120 ℃[2]。

因此，為了解決金屬換熱器在諸如強(qiáng)酸等惡劣工作環(huán)境下存在的腐蝕、結(jié)垢等問題的現(xiàn)實(shí)狀況，尋找高性能耐腐蝕的非金屬材料換熱器替代傳統(tǒng)金屬換熱器，具有重要的意義。

1 氟塑料換熱器技術(shù)

近年來，應(yīng)用于氟塑料換熱器的材料主要有聚四氟乙烯(PTFE)、四氟乙烯與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]。相比于傳統(tǒng)金屬換熱器，氟塑料換熱器的優(yōu)點(diǎn)顯著，如下[4]：

在換熱面積和體積比方面，比傳統(tǒng)金屬換熱器高出一個甚至好幾個數(shù)量級。以典型的金屬管殼式換熱器(?24 mm×4 mm)為例，該換熱器的單位體積換熱面積140 m2/m3；?0.9 mm×0.15 mm的PTFE管，其管間距1.5倍管外徑，該換熱器的單位體積傳熱面積為1 551 m2/m3，約為傳統(tǒng)金屬管殼式換熱器的11.9倍。且以大金牌號為F-302的PTFE管為例，該管材密度為2.112 g/cm3，比金屬換熱器小得多。因此，小直徑薄管壁、小密度的氟塑料換熱器在相同的換熱面積下，質(zhì)量遠(yuǎn)小于金屬換熱器。

優(yōu)良的耐腐蝕性能，幾乎不與強(qiáng)酸、強(qiáng)堿反應(yīng)，并且能耐住部分含鹵素有機(jī)溶液[5]，可在250 ℃以下的煙氣環(huán)境中長期安全工作[6]，使用壽命在15年以上。

摩擦特性優(yōu)越。PTFE擁有優(yōu)異的低摩擦性能，在低速、高負(fù)荷條件下，摩擦系數(shù)可低至0.04，就目前已知的固體物質(zhì)來說，它的摩擦系數(shù)最小[7]。

抗積灰、結(jié)垢。具有很小的表面張力，表面光滑且有適度的撓性，使用時有振動現(xiàn)象，因此不容易積灰結(jié)垢。

價格成本低。相對于傳統(tǒng)金屬換熱器和稀有金屬材質(zhì)換熱器，小直徑薄壁管的氟塑料換熱器單位面積下所需管材量較小。在國內(nèi)某機(jī)械制造廠，其采用的小直徑薄壁管的PTFE換熱器，單位體積傳熱面積所需PTFE僅為1.1～1.4 kg，且在安裝、維修和操作方面的實(shí)際費(fèi)用都比金屬換熱器低[8]。

目前，氟塑料換熱器因其耐腐蝕、摩擦系數(shù)小、密度小等優(yōu)良特性被廣泛應(yīng)用于工業(yè)余熱回收、污水源熱泵、海水淡化、溴化鋰吸收式制冷、制藥輕工等領(lǐng)域，在腐蝕性、污染雜質(zhì)多的環(huán)境中具有突出優(yōu)勢。

2 氟塑料換熱器研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 國外氟塑料換熱器研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

1965年，美國杜邦公司率先在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用氟塑料換熱器[5]，早期的氟塑料換熱器主要用于處理化工腐蝕材質(zhì)。之后，日本和歐洲各地工業(yè)發(fā)達(dá)國家紛紛研制出各種類型的氟塑料換熱器，20世紀(jì)80年代出現(xiàn)氟塑料換熱器用于海水淡化項(xiàng)目，90年代煙氣余熱回收利用領(lǐng)域也開始應(yīng)用PTFE換熱器[9-10]。并實(shí)現(xiàn)了氟塑料換熱器的商品化生產(chǎn)，其中包括：日本淀川化成公司的PFA列管、美國United Wire公司的Teflon或聚丙烯加工制造塑料氣氣換熱器、前蘇聯(lián)氟塑料盤管式換熱裝置等氟塑料產(chǎn)品[11]。

Shelestova等深入研究了碳纖維的大小對基于 PTFE 和改性槲纖維的 Fluvis 減摩復(fù)合材料的熱物理性和強(qiáng)度特性的影響。研究發(fā)現(xiàn)，碳性纖維長度約100 μm時PTFE復(fù)合材料的綜合性能最好。纖維長度的增加導(dǎo)致復(fù)合材料的密度、電阻率和抗壓強(qiáng)度下降，過小則其增強(qiáng)作用不能充分發(fā)揮，而且會降低涂層表面質(zhì)量[12]。

He等對PFA-石墨聚合物用于金屬換熱器涂層進(jìn)行了深入研究，PFA-石墨復(fù)合涂層在循環(huán)加熱/冷卻下的浸漬實(shí)驗(yàn)中具有良好的耐腐蝕性和機(jī)械性能，其摩擦系數(shù)與原始PFA接近，可低至0.133。將約體積分?jǐn)?shù)40%的石墨顆?；烊隤FA粉中，熱導(dǎo)率可以增加一個數(shù)量級[13]。

Y等從PFA復(fù)合涂層入手，綜合比較分別填充20%石墨、碳化硅、氧化鋁和氮化硼的PFA復(fù)合涂層的導(dǎo)熱性能、機(jī)械特性和摩擦系數(shù)。并得出以下結(jié)論：石墨和氮化硼使其熱導(dǎo)率提高至少2.8倍；分析了復(fù)合材料涂層的摩擦行為和刮傷變形，了解了滑動條件下的破壞機(jī)理，石墨-BN填充復(fù)合材料對基體的附著力較差，在BN或石墨鱗片上的應(yīng)力集中較大，因此可能出現(xiàn)故障在低應(yīng)用載荷下。相反,氧化鋁和SiC填充復(fù)合涂層在滑動條件下具有較高的承載力[14]。

氟塑料-石墨板式換熱器是20世紀(jì)80年代末發(fā)達(dá)國家提出的一種先進(jìn)換熱設(shè)備[15]。結(jié)合氟塑料和石墨兩者的優(yōu)良性能的該板式換熱器，具有較好的導(dǎo)熱性、優(yōu)秀耐腐蝕特性和力學(xué)性能。Diabon F100石墨板式換熱器是ALFA-LAVAL與德國SIGRI Great Lakes Carbon公司合作開發(fā)的，其是由石墨與塑料配置的復(fù)合材料壓制成的波紋板片，板片之間是耐腐蝕密封劑密封，可安全運(yùn)行在高合金與貴金屬也難以工作的強(qiáng)腐蝕環(huán)境[16]。

近年來，沃斯坦公司(Wallstein)和杜邦公司(Dupont)聯(lián)合研發(fā)的AlWaFlon?氟塑料換熱器占據(jù)市場主導(dǎo)地位，目前已在石油化工、火力發(fā)電站以及制藥輕工等行業(yè)應(yīng)用廣泛。表1是近期AlWaFlon?氟塑料換熱器在火力發(fā)電廠部分使用業(yè)績情況。

表1 國外部分氟塑料換熱器應(yīng)用業(yè)績Table 1 Foreign fluoroplastic heat exchanger application performance

2.2 國內(nèi)氟塑料換熱器研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

20世紀(jì)70年代，國內(nèi)開始研究氟塑料換熱器，略微滯后于歐美等工業(yè)發(fā)達(dá)國家。20世紀(jì)90年代，氟塑料-石墨板式換熱器在稀鹽酸回收等領(lǐng)域得到成功應(yīng)用。90年代末，在煙氣余熱回收方面開始出現(xiàn)氟塑料翅片換熱器應(yīng)用的相關(guān)成果。2005年氟塑料換熱器研究成功應(yīng)用于溴化鋰制冷機(jī)組。目前，也出現(xiàn)了像陜西瑞特、北京新世翼、上海金由等一大批優(yōu)秀的氟塑料換熱器生產(chǎn)制造廠商。

Xiong等利用兩級氟塑料熱交換器(FHE)組成的半工業(yè)測試系統(tǒng)研究水汽和低溫?zé)煔鉂摕峄厥?，采用傳熱系?shù)、熱回收和水回收效率的方法對其優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了評價。其中，兩級FHE總傳熱系數(shù)最大可以達(dá)到 275 W/(m2·K)；水回收效率在70%以上，濕法脫硫系統(tǒng)就能達(dá)到零耗水[17]。

胡清等以國內(nèi)某1 000 MW機(jī)組為例，介紹了一種新型煙氣余熱深度回收技術(shù)，其第一級金屬材質(zhì)低壓省煤器采用H型鰭片管結(jié)構(gòu)，第二級換熱器為氟塑料光管換熱器，分析比較了系統(tǒng)運(yùn)行后的經(jīng)濟(jì)性，鍋爐排煙溫度由130 ℃降至85 ℃，機(jī)組年平均標(biāo)煤耗降低2.58 g /( kW·h)，年節(jié)水量443 100 t，系統(tǒng)年節(jié)約標(biāo)煤凈收益 695.3萬元，投資回收期約5.61年[12]。

王亮亮等對高導(dǎo)熱聚四氟乙烯復(fù)合材料進(jìn)行了深入研究，石墨平均粒徑≤2.3 μm，體積分?jǐn)?shù)為30%時，PTFE/石墨復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度只有13.2 MPa，比PTFE下降了58.8%，而其熱導(dǎo)率為1.2 W/(m·K)，是純PTFE的近6倍。用經(jīng)過表面處理的碳纖維殼明顯提高PTFE/石墨符合材料的力學(xué)性能，在體積分?jǐn)?shù)為30%的復(fù)合材料中添加6.2%的碳纖維時，其拉伸強(qiáng)度可達(dá)到86.6 MPa，是原復(fù)合材料的6倍多[18]。

楊繼虎等提出了一種氟塑料管包覆不銹鋼管的氟塑鋼空預(yù)器，通過對氟塑鋼空預(yù)器傳熱性能、積灰特性和防腐蝕的實(shí)驗(yàn)分析，對比金屬換熱器、純氟塑料換熱器和搪瓷換熱器的優(yōu)劣性，論證了其在電廠低溫?zé)煔忾L期安全運(yùn)行的可行性。其中，當(dāng)氟塑鋼空預(yù)器換熱管外包氟塑料厚度<1.0 mm時，氟塑鋼管相比不銹鋼管增加了一層氟塑料而導(dǎo)致空預(yù)器傳熱能力減弱的影響可以接受[19]。

魏安安等探究了PFA涂層能否用于氧化鋁蒸發(fā)器的表面防腐蝕保護(hù)，用SEM對PFA涂層進(jìn)行表面質(zhì)量觀測，涂層與金屬基體結(jié)合良好，無孔隙和雜質(zhì)；用拉開法對PFA涂層和基體實(shí)施結(jié)合強(qiáng)度的測試，結(jié)果表明，涂層試樣的平均強(qiáng)度為12.9 MPa，PFA涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度十分理想;并設(shè)計(jì)模擬氧化鋁蒸發(fā)器的實(shí)際工作環(huán)境，對PFA涂層的耐蝕性、耐熱性、耐應(yīng)力腐蝕性進(jìn)行綜合分析，PFA涂層結(jié)合強(qiáng)度高、致密性高、抗?jié)B透能力強(qiáng)，能用于氧化鋁蒸發(fā)器的表面防腐蝕[20]。

陜西瑞特?zé)峁し芰瞎軞な綋Q熱器產(chǎn)品材質(zhì)選用美國Dupont(TEFLON)、日本Daikin Industries(FLON)等進(jìn)口原料制造，可選用Φ9、Φ6、Φ5、Φ4、Φ3等氟塑料管束，產(chǎn)品溫度范圍為-150～260 ℃，總傳熱系數(shù)可達(dá)150～300 W/(m2·K)，適用于電鍍、冶煉、化工、石油等行業(yè)。

上海金由氟塑料換熱器主要應(yīng)用于煙氣消白領(lǐng)域，其大管徑樂氟換熱器管徑51 mm，壁厚1 mm，可在-50～220 ℃范圍內(nèi)長期穩(wěn)定安全運(yùn)行。目前，氟塑料GGH成功應(yīng)用于無錫固廢處置中心GGH項(xiàng)目。

國內(nèi)部分電廠(比如：華電半山電廠和江蘇華電揚(yáng)州發(fā)電廠)在鍋爐余熱利用方面也開始應(yīng)用氟塑料換熱器代替?zhèn)鹘y(tǒng)金屬換熱器，對電廠綜合能效的提高有相當(dāng)?shù)挠绊憽?/p>

3 結(jié)論與展望

相比金屬換熱器，氟塑料換熱器更適合長期在強(qiáng)腐蝕環(huán)境下安全工作，且其運(yùn)行維修費(fèi)用低、質(zhì)量輕。氟塑料換熱器已經(jīng)在國內(nèi)外火力發(fā)電廠、石油化工等行業(yè)得到成功應(yīng)用。

目前氟塑料換熱器由于導(dǎo)熱系數(shù)小、抗拉強(qiáng)度低和加工性能差等問題沒有得到解決，國內(nèi)外一些研究人員基于金屬換熱器的基本結(jié)構(gòu)，充分利用氟塑料材料優(yōu)秀的耐腐蝕特性以及石墨、氮化硼等材料優(yōu)秀的導(dǎo)熱性能和力學(xué)特性制成復(fù)合涂層，既使換熱器表面保留了強(qiáng)耐腐蝕性的同時，也具有足夠的強(qiáng)度及導(dǎo)熱性能。其中，PFA與PTFE相比，除有更好的熱塑性和力學(xué)性能外，其他性質(zhì)相似。在未來，不論是工業(yè)領(lǐng)域耐腐蝕換熱器的應(yīng)用，還是國內(nèi)外學(xué)術(shù)領(lǐng)域的研究上，PFA復(fù)合涂層都將擁有不可或缺的地位。