氟塑料換熱器的研究及應用進展

李劍鋒，涂淑平，孫文哲

(上海海事大學 商船學院，上海 201306)

換熱器是工業余熱回收再利用環節中的主要設備，金屬換熱器作為主流換熱設備，在實際工業應用中受到外界和自身多方條件的影響，存在使用經濟性、安全性等諸多問題，包括低溫酸腐蝕、易積灰結垢和易磨損，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酸等惡劣工作環境下存在的腐蝕、結垢等問題的現實狀況，尋找高性能耐腐蝕的非金屬材料換熱器替代傳統金屬換熱器，具有重要的意義。

1 氟塑料換熱器技術

近年來，應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]。相比于傳統金屬換熱器，氟塑料換熱器的優點顯著，如下[4]：

在換熱面積和體積比方面，比傳統金屬換熱器高出一個甚至好幾個數量級。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，質量遠小于金屬換熱器。

優良的耐腐蝕性能，幾乎不與強酸、強堿反應，并且能耐住部分含鹵素有機溶液[5]，可在250 ℃以下的煙氣環境中長期安全工作[6]，使用壽命在15年以上。

摩擦特性優越。PTFE擁有優異的低摩擦性能，在低速、高負荷條件下，摩擦系數可低至0.04，就目前已知的固體物質來說，它的摩擦系數最小[7]。

抗積灰、結垢。具有很小的表面張力，表面光滑且有適度的撓性，使用時有振動現象，因此不容易積灰結垢。

價格成本低。相對于傳統金屬換熱器和稀有金屬材質換熱器，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。在國內某機械制造廠，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際費用都比金屬換熱器低[8]。

目前，氟塑料換熱器因其耐腐蝕、摩擦系數小、密度小等優良特性被廣泛應用于工業余熱回收、污水源熱泵、海水淡化、溴化鋰吸收式制冷、制藥輕工等領域，在腐蝕性、污染雜質多的環境中具有突出優勢。

2 氟塑料換熱器研究及應用現狀

2.1 國外氟塑料換熱器研究及應用現狀

1965年，美國杜邦公司率先在工業領域應用氟塑料換熱器[5]，早期的氟塑料換熱器主要用于處理化工腐蝕材質。之后，日本和歐洲各地工業發達國家紛紛研制出各種類型的氟塑料換熱器，20世紀80年代出現氟塑料換熱器用于海水淡化項目，90年代煙氣余熱回收利用領域也開始應用PTFE換熱器[9-10]。并實現了氟塑料換熱器的商品化生產，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、前蘇聯氟塑料盤管式換熱裝置等氟塑料產品[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 減摩復合材料的熱物理性和強度特性的影響。研究發現，碳性纖維長度約100 μm時PTFE復合材料的綜合性能最好。纖維長度的增加導致復合材料的密度、電阻率和抗壓強度下降，過小則其增強作用不能充分發揮，而且會降低涂層表面質量[12]。

He等對PFA-石墨聚合物用于金屬換熱器涂層進行了深入研究，PFA-石墨復合涂層在循環加熱/冷卻下的浸漬實驗中具有良好的耐腐蝕性和機械性能，其摩擦系數與原始PFA接近，可低至0.133。將約體積分數40%的石墨顆粒混入PFA粉中，熱導率可以增加一個數量級[13]。

Y等從PFA復合涂層入手，綜合比較分別填充20%石墨、碳化硅、氧化鋁和氮化硼的PFA復合涂層的導熱性能、機械特性和摩擦系數。并得出以下結論：石墨和氮化硼使其熱導率提高至少2.8倍；分析了復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理，石墨-BN填充復合材料對基體的附著力較差，在BN或石墨鱗片上的應力集中較大，因此可能出現故障在低應用載荷下。相反,氧化鋁和SiC填充復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80年代末發達國家提出的一種先進換熱設備[15]。結合氟塑料和石墨兩者的優良性能的該板式換熱器，具有較好的導熱性、優秀耐腐蝕特性和力學性能。Diabon F100石墨板式換熱器是ALFA-LAVAL與德國SIGRI Great Lakes Carbon公司合作開發的，其是由石墨與塑料配置的復合材料壓制成的波紋板片，板片之間是耐腐蝕密封劑密封，可安全運行在高合金與貴金屬也難以工作的強腐蝕環境[16]。

近年來，沃斯坦公司(Wallstein)和杜邦公司(Dupont)聯合研發的AlWaFlon?氟塑料換熱器占據市場主導地位，目前已在石油化工、火力發電站以及制藥輕工等行業應用廣泛。表1是近期AlWaFlon?氟塑料換熱器在火力發電廠部分使用業績情況。

表1 國外部分氟塑料換熱器應用業績Table 1 Foreign fluoroplastic heat exchanger application performance

2.2 國內氟塑料換熱器研究及應用現狀

20世紀70年代，國內開始研究氟塑料換熱器，略微滯后于歐美等工業發達國家。20世紀90年代，氟塑料-石墨板式換熱器在稀鹽酸回收等領域得到成功應用。90年代末，在煙氣余熱回收方面開始出現氟塑料翅片換熱器應用的相關成果。2005年氟塑料換熱器研究成功應用于溴化鋰制冷機組。目前，也出現了像陜西瑞特、北京新世翼、上海金由等一大批優秀的氟塑料換熱器生產制造廠商。

Xiong等利用兩級氟塑料熱交換器(FHE)組成的半工業測試系統研究水汽和低溫煙氣潛熱回收，采用傳熱系數、熱回收和水回收效率的方法對其優點進行了評價。其中，兩級FHE總傳熱系數最大可以達到 275 W/(m2·K)；水回收效率在70%以上，濕法脫硫系統就能達到零耗水[17]。

胡清等以國內某1 000 MW機組為例，介紹了一種新型煙氣余熱深度回收技術，其第一級金屬材質低壓省煤器采用H型鰭片管結構，第二級換熱器為氟塑料光管換熱器，分析比較了系統運行后的經濟性，鍋爐排煙溫度由130 ℃降至85 ℃，機組年平均標煤耗降低2.58 g /( kW·h)，年節水量443 100 t，系統年節約標煤凈收益 695.3萬元，投資回收期約5.61年[12]。

王亮亮等對高導熱聚四氟乙烯復合材料進行了深入研究，石墨平均粒徑≤2.3 μm，體積分數為30%時，PTFE/石墨復合材料的拉伸強度只有13.2 MPa，比PTFE下降了58.8%，而其熱導率為1.2 W/(m·K)，是純PTFE的近6倍。用經過表面處理的碳纖維殼明顯提高PTFE/石墨符合材料的力學性能，在體積分數為30%的復合材料中添加6.2%的碳纖維時，其拉伸強度可達到86.6 MPa，是原復合材料的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器，通過對氟塑鋼空預器傳熱性能、積灰特性和防腐蝕的實驗分析，對比金屬換熱器、純氟塑料換熱器和搪瓷換熱器的優劣性，論證了其在電廠低溫煙氣長期安全運行的可行性。其中，當氟塑鋼空預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致空預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器的表面防腐蝕保護，用SEM對PFA涂層進行表面質量觀測，涂層與金屬基體結合良好，無孔隙和雜質；用拉開法對PFA涂層和基體實施結合強度的測試，結果表明，涂層試樣的平均強度為12.9 MPa，PFA涂層與基體的結合強度十分理想;并設計模擬氧化鋁蒸發器的實際工作環境，對PFA涂層的耐蝕性、耐熱性、耐應力腐蝕性進行綜合分析，PFA涂層結合強度高、致密性高、抗滲透能力強，能用于氧化鋁蒸發器的表面防腐蝕[20]。

陜西瑞特熱工氟塑料管殼式換熱器產品材質選用美國Dupont(TEFLON)、日本Daikin Industries(FLON)等進口原料制造，可選用Φ9、Φ6、Φ5、Φ4、Φ3等氟塑料管束，產品溫度范圍為-150～260 ℃，總傳熱系數可達150～300 W/(m2·K)，適用于電鍍、冶煉、化工、石油等行業。

上海金由氟塑料換熱器主要應用于煙氣消白領域，其大管徑樂氟換熱器管徑51 mm，壁厚1 mm，可在-50～220 ℃范圍內長期穩定安全運行。目前，氟塑料GGH成功應用于無錫固廢處置中心GGH項目。

國內部分電廠(比如：華電半山電廠和江蘇華電揚州發電廠)在鍋爐余熱利用方面也開始應用氟塑料換熱器代替傳統金屬換熱器，對電廠綜合能效的提高有相當的影響。

3 結論與展望

相比金屬換熱器，氟塑料換熱器更適合長期在強腐蝕環境下安全工作，且其運行維修費用低、質量輕。氟塑料換熱器已經在國內外火力發電廠、石油化工等行業得到成功應用。

目前氟塑料換熱器由于導熱系數小、抗拉強度低和加工性能差等問題沒有得到解決，國內外一些研究人員基于金屬換熱器的基本結構，充分利用氟塑料材料優秀的耐腐蝕特性以及石墨、氮化硼等材料優秀的導熱性能和力學特性制成復合涂層，既使換熱器表面保留了強耐腐蝕性的同時，也具有足夠的強度及導熱性能。其中，PFA與PTFE相比，除有更好的熱塑性和力學性能外，其他性質相似。在未來，不論是工業領域耐腐蝕換熱器的應用，還是國內外學術領域的研究上，PFA復合涂層都將擁有不可或缺的地位。