氟塑料的改性及其在换热器领域的应用研究进展

氟塑料的改性及其在换热器领域的应用研究进展

刘舒巍李红飞舒斌靳超然

(国家电投集团远达环保工程有限公司重庆科技分公司,重庆401122

 

摘要:文章首先对氟塑料和换热器进行了简单介绍,继而分析了氟塑料换热器的优缺点,同时针对其缺陷提出了相关改性措施,最后重点讨论了氟塑料换热器在烟气回收领域的应用研究,并进一步明确了加强氟塑料换热器综合性能的研究方向。

关键词氟塑料;换热器; 复合改性;烟气余热回收

 


引言

众所周知,对于火力发电机组而言,机组的经济性主要取决于锅炉效率,而影响其效率的重要因素之一便是锅炉排烟损失。已有研究发现[1],排烟温度每升高20,锅炉效率降低约1%因此,为提高机组经济性,对锅炉尾部烟气余热进行换热回收十分必要。

烟气余热回收再利用过程中需要的主要设备就是换热器,作为目前主流的换热设备,金属换热器在实际工业应用中存在低温酸腐蚀、易结垢、易磨损等诸多问题[2]因此,寻找高性能耐腐蚀的非金属材料换热器替代传统的金属换热器,对于节能环保产业的发展具有重要意义。

塑料

1.1氟塑料简介

在行业中,分子结构中含有氟原子的塑料都可以统称为氟塑料。氟塑料具有极强的耐腐蚀性、表面摩擦系数小和耐老化、耐高温等诸多优点。目前氟塑料换热器中使用的材料主要是有着塑料王的称号的聚四氟乙烯(PTFE)。PTFE是一种链烷烃聚合物,是由乙烯分子中的一个或多个氢原子被氟原子取代后聚合而成的[3]。本文将主要以PTFE为例,探究氟塑料换热器的优缺点及其应用研究情况。

1.2氟塑料换热器的优势及缺陷

氟塑料复杂的分子结构使得其与传统金属换热器相比具有显著优势[4]:

1)氟塑料的传热面积与体积比很高(约为金属换热管的10~20),且其综合传热系数可达120220W/(m2•K)为金属换热管的2

2耐腐蚀:氟塑料几乎不与强酸、强碱反应,在运行过程中无需考虑换热器的低温酸腐蚀问题,因此氟塑料换热器的使用寿命较长,一般可在15年以上

3)优越的摩擦特性:以PTFE为例,由于其表面分子对其它分子吸引力小,因而摩擦系数非常小(静、动摩擦系数与钢的比值均为0.04),因此氟塑料换热器对流体的流动阻力很小,运行过程中不易发生堵塞;

4温度适应性好:氟塑料可耐寒、耐高温,具有良好的温度适应性,氟塑料换热器可在-192°~260°C条件下长时间运行

然而,氟塑料换热器也具有一定的缺陷,PTFE的热导率仅为0.24W/(m*K,而金属材料的热导率一般在30~55W/( m*K所以相对而言氟塑料换热器的导热性较差,且其还存在机械强度差膨胀系数大等缺点[5],因此为解决这些问题,还需对氟塑料材料进行进一步的改性研究。

氟塑料的改性

目前,针对氟塑料最常见的改性手段包括表面改性、填充改性和共混改性。本文以PTFE为例进行简要说明:

肖军等[6]将改性碳纤维填充至PTFE磨损表面,发现得到的复合材料的抗拉强度比原PTFE增大了48%,断裂伸长率提高了100%,磨损率则下降了55.6%,改性效果良好;Yu[7]也运用硅灰石对PTFE进行了填充改性,发现得到的复合材料在轻载条件和重载条件下摩擦磨损分别降低了17.1%27.7%,这大大改善了PTFE不耐磨损且难以加工形成的问题;李成才等[8]PTFE平板膜进行了研究,采用后交联法对其进行了亲水改性,发现在pH=5且聚丙烯酸质量分数为2%时,PTFE平板膜的亲水性最佳。

总体来说,改性对PTFE的综合性能提升明显,尤其是耐磨性、表面粘结性能和导热系等与换热相关的主要性能都有了较大的改善,这也为PTFE在换热器方面的应用提供了良好的基础。

用研究进展

早在1965年,美国Dupont公司就已将PTFE换热器应用于工业生产[9]。为解决换热器的腐蚀问题,目前已有15个国家的2000多个工厂使用了PTFE换热器,这些换热器主要是管壳式和浸液式换热器,它们的核心管束主要由PTFE挠性薄软管组成,而这种直径小、壁薄、热阻小且不易结垢的管,也弥补了PTFE本身导热系数差的缺点,因此,近年来国内外学者对PTFE换热器的应用展开了大量研究。

3.1国外应用研究现状

随着美国Dupont公司对应用于处理化工腐蚀材质的氟塑料换热器的不断研发,日本和欧洲等工业大国也纷纷研发出了不同类型的氟塑料换热器并将其运用到了各个领域。在蒸汽压缩海水淡化实验中,Jorge R. Lara[10]发现在黄铜换热器表面添加了Ni-P-PTFE涂料后,其传热系数能够达到传统黄铜换热器的4.3倍。另有研究表明,PVDF(聚偏氟乙烯)板式换热器表面的冷凝方式为滴状冷凝,这种传热效果要远好于单纯的膜状冷凝[11]

 近年来,氟塑料换热器也逐渐开始应用于烟气余热回收利用领域,并已经实现了商业化生产。目前,国外主要应用的是AlWaFlon®氟塑料换热器。表1显示了这种换热器在火力发电厂余热回收方面的部分应用业绩。


国外部分火电厂氟塑料换热器应用业绩

电厂

数量

总回收热量/kW

换热器质量/t

SchwarzePumpe(德国)

1

22

40

Lippendorf(德国)

1

22.8

40

Belchatów(波兰)

1

31.8

60

Ledyice(捷克)

1

39.4

75

Pyeongtek(韩国)

2

54.6

100


3.2国内应用研究现状

国内对于氟塑料换热器的研究略微滞后,大约开始于上世纪70年代末期,到90年代末,国内最早的氟塑料翅片换热器开始逐步应用到了烟气余热回收领域,之后更是成功应用于溴化锂制冷机组、污水源热泵、醋酸钠生产以及涂装工业等多个领域,本文将重点介绍其在电厂机组烟气余热回收领域的应用研究。

早在本世纪初,Jia[12]就提出了两种换热器形式应用于烟气余热回收,第一种形式是翅片管式,管径为25mm/21mm,翅片的厚度为2mm,高度为4mm;第二种形式是轴流螺旋板式,在运行过程中,空气与烟气的换热区域为换热器螺旋板的夹层。其后,朱文韬等[13]300MW燃煤机组进行了节能改造研究,发现采用一段式低压省煤器(氟塑料)+热网循环水回水加热(脱硫塔前布置换热器,将烟气温度由135℃降低到85℃),能够降低系统煤耗约3.35g/(kWh),节能效果显著。胡清等[14]以某600MW机组为例,运用模拟仿真手段,对比分析了金属、氟塑料两种换热器在工程运用上的优劣势,发现在相同换热量要求下,氟塑料换热器比金属换热器投资更小、重量更轻,且运行时无需考虑低温腐蚀问题,其运行维护费用也要低很多(氟塑料换热器的运行维护费用为20万元/a,远低于金属换热器的50万元/a)。李斌等[15]也利用两级烟气冷却器对北方某330MW燃煤供热机组进行了改造:氟塑料换热器(FGC1-HFGC2-H) 布置在烟气侧,金属板式换热器(FGC1-CFGC2-C) 布置在凝结水侧,研究结果表明:在额定负荷下,改造后的系统发电煤耗率降低了约3.09g/(kW•h),回收冷凝水约6.4t/h,连续运行9个月后,能够节约脱硫系统用水约77%,节能效果显著。

另有研究表明[16],在同等条件下,烟气冷却器的换热系数(约310W/m2K))比烟气加热器的换热系数(约260W/m2•K))高,且长时间运行后,两种工况的设备性能均未出现明显变化,因此,氟塑料换热器的换热系数是随着蒸汽温度的升高而增大的,系统烟气温度越高,氟塑料换热器的优势将会越明显。

结语

由于氟塑料换热器具有耐腐蚀、耐高温、综合传热系数高、运行维护费用低等诸多优势,因此近年来得到了行业的广泛认可并在石油、化工及电力生产等多个行业中实现了成功应用。但其换热效果却没有其经济性一样良好,同时也有着机械强度差表面硬度低以及膨胀系数大等缺点,因此在今后的研究中,应对综合改善材料的力学和加工性能方面进行进一步的深化研究,使其能够更好的服务于实践工程。

综上所述,随着节能减排工作的不断推进和对氟塑料开发研究的不断深入,氟塑料换热器必将迎来更为广阔的应用前景,在国家煤电节能、减排改造行动中发挥应有的作用

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作者简介:刘舒巍(1992-),男,汉族,硕士研究生,研究方向为工业节能减排;

基金项目:燃煤电厂氟塑料相变凝聚提水(除尘)技术研究(2017-002-YD-KJ-X)。

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