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                                    冷凝壁掛爐五種主熱交換器分析與比較
                                    編輯:shwebkebang   文章來源:未知   時間:2015-04-28 13:33

                                     

                                    冷凝爐是采用冷凝技術對壁掛爐排出的高溫煙氣進行潛熱回收的一種熱水設備,以增加燃氣的利用率,提供功效。冷凝技術并不是一個非常高難度的技術,常規的壁掛爐廠家一般都能做到。也不是近幾年才有的新技術,早在70年代初就已出現。其主要的難點在于如何解決煙氣降溫后產生的酸液對主熱交換器的低溫腐蝕。

                                     

                                     

                                    冷 凝 技 術 發 展 歷 史

                                     

                                     

                                     

                                    歐美在70年代初就已經在使用冷凝技術了。當時使用的是接觸式冷凝技術,即高溫煙氣直接與一次水接觸(一般為噴淋方式),一次水吸收潛熱,煙氣降溫后排放。這也是大型工業鍋爐所用的省煤器的前身。其缺點如下:

                                    1、會使得一次水酸化,必須經常使用化學堿或其它方式中和,成本不低。

                                    2、一次水是開放式的,不能用在密閉系統中,或采用換熱裝置轉換。

                                    3、體積較大,不適用于家用鍋爐。

                                     

                                    到80年代中期,由于能源價格的提升以及材料科技的高速發展,出現了間壁式冷凝技術。一次水和高溫煙氣不發生直接接觸,中間使用耐腐蝕材料導熱。也是目前大多的冷凝鍋爐所使用的技術。

                                     

                                     

                                    熱 交 換 器 的 低 溫 腐 蝕 問 題 介 紹

                                     

                                     

                                    常規壁掛爐是將天然氣和空氣混合后,經燃燒獲得熱量,排出約170℃的高溫煙氣。煙氣中含有水蒸氣、CO2,酸蒸汽等。因為天然氣中不可避免的含有硫化物,經燃燒后生成SO2,繼續燃燒氧化后產生SO3(約占SO2的5%左右)。SO2與水結合生成亞硫酸,SO3與水結合生成硫酸,其酸露點溫度約在140℃到160℃(根據SO3的含量提升),當然煙氣中還有亞硝酸、硝酸鹽等其它酸類物質(與氮氧化物有關)。

                                     

                                    當常規壁掛爐的排煙溫度在170℃時,氣態的酸蒸汽對主熱交換器的腐蝕是非常輕微的。

                                     

                                    當對煙氣進行潛熱回收時(排煙溫度降為50℃),酸蒸汽相變為酸性液體,將會對主熱交換器產生極強的腐蝕。且該腐蝕主要發生在較低溫度的換熱接觸面,即低溫腐蝕。低溫腐蝕嚴重時可以達到1mm/年的腐蝕能力,造成接觸面穿孔,就目前的科學技術尚無法完全腐蝕,只能盡量減輕程度。

                                     

                                    另外,相對于常規壁掛爐,冷凝爐的燃燒是較為密閉的,煙氣中的粉塵和顆粒物不易排出,特別容易出現堵灰積灰現象。飛灰在初期呈蓬松狀,在吸收了大量的酸液后會發生黏連結塊,進一步影響煙氣的排放,促成酸液形成,兩者互為影響,惡性循環。所以,壁掛爐回收潛熱并不難,難得是如何解決腐蝕和堵灰。

                                     

                                     

                                    國 內 五 種 主 熱 交 換 器

                                     

                                     

                                    1、二級換熱式(雙層)

                                     

                                    介紹:

                                    此類是在一臺常規壁掛爐的出煙口再加裝一個二級換熱裝置,俗稱“假冷凝”。其實,它也是一種冷凝方式,80年代后期和90年代初期被開發和使用,歐洲現已基本淘汰(民用鍋爐)。雖然確有冷凝效果,但和市場上的全預混冷凝技術相比,差別較大。目前主要是部分國內和韓國廠商生產。

                                     

                                    優點:

                                    成本低,企業轉型快。

                                     

                                     

                                    缺點:

                                    酸性物質及氮氧化物含量高,耐腐能力差。主要是因為它在一級主熱交換器的燃燒方面并沒有做特別的處理,過多的過??諝鈺罅看龠M氮氧化物和酸性物質的產生,嚴重腐蝕部件。所以,此類冷凝爐即使使用了不銹鋼增加防腐,但其低成本的造價也決定了他的抗腐蝕能力非常有限,其二級冷凝換熱器的壽命一般較短。其較多的空氣進氣量,也使得部分熱量無形中被損失了。

                                     

                                     

                                    2、鑄鋁盤管加翅片倒置式

                                     

                                     

                                    介紹:

                                    此類機芯一般由鍋爐廠商自行設計制造,倒置式燃燒設計,上半段降溫,下半段冷凝,目前主要以W牌為該類型代表。


                                    優點:

                                    這類冷凝裝置的管道較粗,流量足,對水質要求不高,管內不易結垢,一般不強制使用阻垢劑保護管路。

                                     

                                    缺點:

                                    由于設計結構的原因,體積較大,但功率卻不大,一般只能做到28KW。

                                    翅片間容易發生粘灰積灰現象,需定期使用鋼絲刷清理。但由于采用的是鑄鋁材質,清理時如不小心非常容易劃傷破壞防腐層。防腐層一旦受損,極易形成腐蝕燒穿開裂。國內現有廠家正在研制不銹鋼款,尚未見大量商業化成品上市。

                                    其底部浸泡于酸性冷凝液中,液面處的管道往往是腐蝕的重災區,大多嚴重的腐蝕燒穿都集中于此。

                                     

                                     

                                    3、鑄鋁夾套加肋筋翅片(針)式

                                     

                                    介紹:

                                    此類主熱交換器主要由荷蘭貝XXX公司生產,其它品牌也有類似的技術和工藝,在歐洲有一定使用量。前兩年,某B牌有使用過,目前已經召回退市。


                                    該成品本身沒什么問題,主要原因在于國內的水質太差,硬度高,顆粒雜質多,造成其夾套中形成大量的水垢堆積,難以清理。也由于國內的燃氣(含硫化物高)和空氣(PM爆表)質量較差,煙氣換熱腔內的肋筋翅片(針)容易聚集黏連大量的堵灰、酸性物質和難溶鹽。最大的問題還在于其縱橫交錯的肋筋翅片(針)設計,極難無法清理。曾有某廠商設計過異型(鋸齒)鋼絲刷,效果非常有限,短則一年、長則兩年,換熱效率大幅降低,只能報廢。

                                    白色物為難溶鹽。也由于雜質板結,使得加熱不均及應力變化,造成部分肋筋斷裂。腐蝕會在鑄鋁表面產生大量銹痕。

                                     

                                    一般鋁及鋁合金的抗腐蝕能力要弱于不銹鋼,強于鋁青銅、銅及銅合金。

                                     

                                     

                                    4、306不銹鋼螺旋扁圓管并聯式(潛顯分離)

                                    介紹:

                                    該主熱交換器主要由法國賈XX公司生產,其它品牌也有類似的技術和工藝,在歐洲有一定使用量。材質為306不銹鋼,國內曾有某廠商實驗室檢測過,相關參數偏向于304不銹鋼。既然原廠說是306,我們就姑且稱為306不銹鋼。如Va牌、B牌、A牌等大多廠商均采用該形式主熱交換器。


                                    分析:

                                    此類主熱交換器需要從其生產工藝談起。生產工廠用圓盤機將市售的壁厚0.8mm的306不銹鋼圓管盤成螺旋式圓桶,在兩端加壓,將圓管壓制成扁圓管。但由于較長的圓管無法保證從頭到底均勻一致,所以在壓制過程中,不可避免會出現局部圓管被壓得過扁,局部圓管又不夠扁的情況,造成內徑不均。所以工廠采用了分段(單元)壓制的方法。這樣廢品率降低了,成品率提高了,還可以將每一單元設計成8-10KW固定功率。這樣可以根據冷凝爐的設計功率模塊化加減,以調整冷凝爐的功率數。

                                     

                                    但這又產生了新的問題,兩個單元之間無法進行口對口的串聯式對接焊。一方面是沒有焊接操作空間,一方面是對接焊的焊縫為圓環狀,在整個主熱交換器中,環形焊縫一半要處于桶內900度高溫,一半要處于桶外約200度(潛顯分離),且要求該焊材在這兩個溫度下的膨脹系數相同,所以目前無法找到合適的焊材。既然對焊串聯不行,于是廠商采用了并聯法,將幾個單元并聯在一個分集水器上,讓一次水分四路在主熱交換器中加熱(三顯一潛),問題解決。只是由于采用一路分多管的形式,每個單元的管徑就大為降低,管徑變細,大約是正??偣芙孛娴?0%左右。在歐洲的水質和良好的售后服務情況下,使用還比較正常。

                                    只是由于國內的水質問題,如此細的管徑極易造成管內結垢,甚至堵死。并且由于其并聯的方式(如采用接口串聯的方式,中間接口過多,內表面不平滑,更容易結垢,且還需考慮膨脹、漏水等問題),特別容易造成其中一個單元發生結垢現象,然后這個單元是越結垢越容易結垢,越容易結垢就越結垢,雜質會在多次循環后堵在這個單元中,惡性循環。且由于其他三個單元在該單元被堵后,仍然可以正常走水,所有該單元的結垢現象就非常不容易被發現,冷凝爐也無法提供警示。直到該單元由于長期干燒,發生漏水,引起故障,用戶才會知曉,但為時已晚,無法維修,只能整體更換。

                                     

                                    為解決這個問題,許多廠商都采用給系統添加阻垢劑的方法,延緩單元內水垢的產生。但阻垢劑的一般時效最多為2年,且根據水質的嚴重情況還會有所縮短。所以需要定時檢查阻垢劑的濃度,及時添加,人工成本較大。在兩年質保期內一般都是免費的,出保后一般每年的費用是300-500元左右(包含了其他方面的清洗和檢查)。

                                    上圖為管路被切開后的截面圖,可以看到圓管被壓扁后的情況。管壁厚度為0.8mm,管間縫隙為0.6mm(根據抗低溫腐蝕的要求,管壁厚度建議至少在0.8mm以上,管間縫隙至少在0.6mm以上)。該主熱交換器管壁厚度和管間縫隙剛好達到基本要求,但未達到良好的設計標準。這是由于加壓壓力、定壓時間、材料壁厚、回彈能力、縫隙寬度和成本之間的相互牽制關系,使得廠商必須選擇一個中間點來平衡各方面的關系,也就無法做到全方位的高標準。

                                     

                                    冷凝爐燃燒后產生的煙塵飛灰其直徑一般在500微米(0.5mm)以下,但會由于吸附酸液而使得多個飛灰(初期的飛灰為蓬松狀,體積大,易吸附酸液)發生黏連,形成大朵飛灰顆粒。如果管間縫隙小,很容易造成堵灰。

                                    在歐洲空氣和燃氣質量較好的情況下,飛灰顆粒較小,只要日常維護及時,一般問題不大。但在中國PM爆表的情況下,堵灰積灰情況就非常嚴重。高溫煙氣穿過管間縫隙后,溫度降為50度,會產生大量堵灰、冷凝水和酸液。由于管外壁為圓弧形(未壓扁部分),產生的堵灰、冷凝水和酸液的混合物只能順弧面流回縫隙中,在縫隙中與后來的煙氣發生“頂牛”,最終在兩管間的喇叭口堆積了大量的堵灰、酸液和難溶鹽的混合物,造成排煙不暢及酸液對外管壁的腐蝕。

                                     

                                    為解決這個問題,目前廠商主要采取定期上門用鋼絲刷清理管間縫隙的辦法。但該設計為一體化設計的,鋼絲刷清理只能解決圓桶內壁的清理工作,圓桶的外表面(圓桶與外殼之間)仍然無法清理,是一個暫時無法破解的隱患。

                                     

                                    標準的間距及煙溫

                                     

                                    5、361Ti不銹鋼螺旋方管單管式(潛顯一體)

                                     

                                    介紹:

                                    這是一款比較獨特的主熱交換器,屬于Vi牌的設計專利,目前也只有Vi牌自行生產和采用這個設計,現國內外也有類似工藝。

                                     

                                    分析:

                                    該主熱交換器采用了316Ti不銹鋼生產,316Ti不銹鋼是在316L不銹鋼的基礎上添加了Ti(鈦元素),學名叫鉬二鈦不銹鋼。

                                     

                                    由于316L不銹鋼強大的耐腐蝕性(強化型抗面腐蝕),316L不銹鋼被廣泛應用于軍用潛水艇,水下作業機器人等,還有如勞力士潛水表、蘋果手表等民用奢侈品方面。

                                     

                                    鉬二鈦不銹鋼(316Ti)的抗腐蝕能力約為316L不銹鋼的10倍,特別是其超強的抗晶間腐蝕能力,是制作冷凝爐主熱交換器的優良材料,一般只用于在特殊場合和惡劣環境下工作的大型高端工業鍋爐的制造中,如大型水庫、核電站使用的專用鍋爐。

                                     

                                    該設計為單管式,口徑大,流量足,不易結垢。即使發生內壁結垢現象,也不容易堵塞。不會出現并聯式那樣堵塞不報故障的情況出現。因如由于管內結垢造成流量變小,熱負荷帶不出去的情況時,鍋爐會由于超溫報警而得到警示信號,這保證了管內結垢后可及時得到警示和清理,是一款可維護維修的設計。在目前的國內水質情況下,無須強制添加阻垢劑。


                                    生產廠商將316Ti不銹鋼板進行剪裁成長條形,進行折邊焊接(焊縫處于圓桶內部,處于900度的高溫區域,屬于干區,不涉及低溫腐蝕,也由于所有焊縫處于同一溫度區,所以也不涉及膨脹系數不同的問題),制作成方形管材,用圓盤機盤成螺旋型桶狀。方管管壁厚度1.2mm,管間縫隙0.8mm,達到優良的設計標準。管壁厚,耐腐蝕性能好,壽命長??p隙寬度合理,熱交換效率高,煙氣暢通,不堵灰,不卡顆粒。

                                    平頂管面(非圓弧型)容易引入垃圾雜質,不會出現“逆流”和“頂牛”。平頂面的兩條黑色壓痕為其專利設計的導流槽,便于使冷凝水、飛灰和酸液的混合物順著導流槽流入積水盤,排入下水道。避免了雜質流回縫隙,同時也減少了酸性溶液在不銹鋼表面的停留時間,減緩了低溫腐蝕的情況

                                    。

                                    在目前國內的環境工況下,雖不強制每年做內部沖洗,但仍建議定期進行主熱交換器的維護清理。

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