? ??⑧ 防腐涂層對熱效率的影響
? ??曾有人擔心防腐涂料的導熱性能很差，其熱導率為0.1～0.2 W/( m·K)，僅為紫銅的0.4%，是否會明顯減弱換熱器的換熱性能。下面用一個簡單的例子來說明。煙氣流經(jīng)銅水管(帶涂層)時的傳熱系數(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償?？梢?，很薄的涂層(厚度為20～50 μm)對換熱的影響較小[4]。表1的測試數(shù)據(jù)也證明了這一點。
?? ?⑨ 冷凝水的分析
?? ?燃氣燃燒生成的煙氣中含有酸性氣體SOx、NOx、CO2以及氯離子、氟離子等物質，當它們溶于冷凝水中便生成硫酸、硝酸、碳酸、鹽酸、氫氟酸等，使冷凝水呈酸性。試驗發(fā)現(xiàn)(見表3中的編號2～6)，冷凝水的酸性(pH值)與燃燒工況的關系不明顯，在燃用重慶天然氣時，過?？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量濃度與冷凝水的pH值的關系。
表3 冷凝水分析
Tab.3 Analysis of condensate
試驗編號 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
燃氣種類 | 液化石油氣 | 天然氣 | 天然氣 | 天然氣 | 天然氣 | 天然氣 |
過剩空氣系數(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 試驗結果分析
? ??①冷凝水的生成
煙氣沿肋片表面流動過程中，在臨近肋片表面存在一個溫度邊界層。在邊界層內，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，見圖4；離開肋片表面，煙氣溫度逐漸升高，最后達到最高值t2。假定水溫明顯低于露點而煙氣溫度又較低，則在煙氣邊界層內便會存在一個冷凝區(qū)域，其內煙氣溫度處于露點tc以下。相應在此冷凝區(qū)域內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是肋片表面溫度低于煙氣露點(存在冷凝區(qū)域)，即t1＜tc。應注意肋片不同位置上的表面溫度不相同。對冷凝區(qū)域大小影響最大的兩個因素，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。
??? 當煙氣溫度降低到某一溫度t。，煙氣中的水蒸氣便開始出現(xiàn)冷凝，析出冷凝水，t。即為煙氣的露點。達到露點時煙氣剛開始出現(xiàn)冷凝，其冷凝量很小。在燃氣熱水器上要使煙氣中的水蒸氣全部冷凝，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，煙氣露點不是一個固定值，它與燃氣種類、燃燒過程的過?？諝庀禂?shù)有關。表4列出了天然氣和液化石油氣在不同過?？諝庀禂?shù)下燃燒生成的煙氣的露點。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出。
表4 煙氣的露點
Tab.4 Dew point of flue gas
???????????????????????????????????????????????????? ℃
燃氣種類 | 過剩空氣系數(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號熱水器的試驗表明，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，熱水器不能安全運行。因此對腐蝕污染物的形成必須特別關注。在研究冷凝式熱水器低溫段的腐蝕時，以往的研究認為，煙氣溫度下降到露點以后，水蒸氣冷凝，煙氣中的酸性物質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(空氣預熱器)腐蝕時發(fā)現(xiàn)[5]，由于天然氣中H2S(國家標準允許天然氣中含有H2S的質量濃度≤20 mg/m3)，在燃燒過程中便會生成SO2。若有過?？諝獯嬖?，SO2進一步氧化為SO3，并與水蒸氣反應生成H2SO4。當煙氣溫度下降，氣態(tài)硫酸在酸露點下會冷凝成硫酸液霧，貼附在換熱器表面上便產(chǎn)生強烈腐蝕，生成腐蝕產(chǎn)物硫酸鹽。燃燒煙氣的酸露點與燃氣含硫量有關，在文獻VGB(西德大鍋爐主協(xié)會)1963年8月版上曾報道了天然氣含硫量(質量分數(shù))與其煙氣酸露點間的關系，見表5。重慶天然氣中硫質量分數(shù)為2.5×10-5，其酸露點約73 ℃，比煙氣水露點高出逾20 ℃。煙氣中SO2與水蒸氣反應也會生成亞硫酸，但其酸露點較低(為45～50 ℃)，與煙氣水露點相近，低于硫酸的酸露點。
表5 燃燒氣體的酸露點
Tab.5 Acid dew point of combustion gas
天然氣含硫量(質量分數(shù)) | 10-6 | 10-5 | 10-4 | 10-3 | 10-2 | 2×10-2 | 4×10-2 |
煙氣酸露點/℃ | 57 | 68 | 79 | 91 | 108 | 113 | 121 |
??? 燃氣在燃燒過程中還會生成氮氧化物NO、N02。研究指出，熱水器煙氣中的氮氧化物按體積分數(shù)計，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，含硝酸的冷凝水對銅肋片管也產(chǎn)生腐蝕。燃氣與空氣中還含有微量的氯化物、氟化物，在燃燒過程中分解而生成鹽酸與氫氟酸，它們溶于冷凝水中也會引起腐蝕。煙氣中除硫酸以外，其他酸性氣體的酸露點均與煙氣水露點相近。因此，煙氣的酸露點通常是指酸露點中最高的那個組分的值，即硫酸的酸露點。很明顯，在煙氣溫度下降時首先是氣態(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50年代電站鍋爐容量增大時，為提高熱效率便把排煙溫度降到110 ℃以下。運行發(fā)現(xiàn)，由于燃料含硫，在煙氣低溫段空氣預熱器上，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出現(xiàn)硫酸冷凝引起的強烈腐蝕。這種現(xiàn)象出現(xiàn)在換熱器低溫段，鍋爐上習慣稱作低溫腐蝕。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，這種觀點可以合理地解釋1號熱水器上腐蝕污染物在下導水片上生成的原因。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以下，便會出現(xiàn)硫酸腐蝕。
??? 當燃氣中硫質量分數(shù)降到小于10-6時，酸露點下降到與煙氣露點基本一致，低溫腐蝕便不會出現(xiàn)。而這就對燃氣的凈化提出了很嚴的要求，在制氣成本上很難接受。
4 結論
??? ① 在冷凝式燃氣熱水器的低溫段上若使用傳統(tǒng)的銅肋片管換熱器，不能抵抗冷凝液的酸性腐蝕，也不能滿足長期安全使用的要求。而在銅肋片管換熱器表面浸(噴)涂有機防腐涂料后，可以防止酸性腐蝕，實現(xiàn)冷凝式熱水器正常、安全、長期運行。
??? ② 干粉環(huán)氧樹脂有機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，以提高附著力。
? ??③ 當燃氣含硫時，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以下氣態(tài)硫酸冷凝粘附在換熱器表面，以及在水露點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，危害更大。所以，在冷凝式燃氣熱水器上對防腐涂料的要求是應能承受在酸露點下形成的硫酸液膜的腐蝕。
? ??④ 由于有機防腐涂層的厚度很薄，其熱阻很小，因此對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，在連續(xù)運行1200 h以后，熱效率下降為6.1%。
8.5%，可以接受。
參考文獻：
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[5] 陳學俊.鍋爐學[M].北京：機械工業(yè)出版社.1986.
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