塑料合金在白色煙羽治理中的應用優勢及前景分析

謝 玲，張洪濤，王 杏，高 旭，戰衛星，趙明星

(青島達能環保設備股份有限公司，青島 266300)

0 引 言

目前國外對于濕法脫硫白色煙羽的治理由于政策要求寬松，僅有部分國家采用了GGH/MGGH技術，并未大范圍進行治理，對技術的探討也較為局限，遠不能解決國內機組紛繁復雜的情況。自上海市2016年發布政策要求燃煤電廠消除石膏雨后，浙江省、天津市、河北省等各地也陸續發布相關政策，濕法脫硫白色煙羽治理在電廠及鋼鐵等相關行業內被正式提上日程。由于國內改造范圍大、情況復雜多變，同時環保政策要求高(明確要求煙囪入口及出口煙氣的溫度、濕度)，亟需提出有針對性的、高效環保的創新型技術路線[1]。

1 白色煙羽形成及消除機理

圖1濕度-溫度曲線所示為白色煙羽形成與消除機理。假設脫硫塔出口煙氣溫度為50 ℃，則其位于濕飽和曲線上，如點A所示。假設環境溫度為10 ℃，濕度5 g/kg，位于濕飽和線之下。當脫硫塔出口濕飽和煙氣排入大氣時，狀態點位于濕飽和線以上，煙氣中水蒸氣將會發生凝結，產生白煙，如圖中A-C線所示。[4]。

圖1 白色煙羽形成及消除機理圖

為了避免煙氣擴散過程狀態發生過飽和，應設法將擴散過程向飽和線右下方移動。目前常見的方式有直接加熱技術、熱風混合技術、冷凝加再熱技術、冷凝技術。以上幾種技術煙氣的擴散路徑分別為A-B-C、A-F-C、A-D-E-C、A-D-C。

在各種消白技術路線中，煙氣降溫除濕段可采用在脫硫塔出口煙道布置間壁式換熱器(煙道冷凝)實現。將冷卻水通入換熱管內，與脫硫塔出口濕飽和煙氣換熱，使蒸汽凝結，煙氣溫度濕度降低。其原理圖如圖2所示[2]。

圖2 間壁換熱冷凝取水原理圖

該技術路線系統簡單，運行安全穩定，維護量小。布置在脫硫塔后，對脫硫塔運行無影響。煙氣在冷凝器冷卻降溫，水蒸氣發生凝結，產生相變凝聚效果，提高除塵除霧效率。冷凝水水處理工藝較簡單，僅需沉淀及調節PH值即可即進入脫硫塔工藝水箱使用。但是，冷凝換熱器工作條件惡劣，需要防腐蝕性能較強的材質[3]。

2 新型“塑料合金”性能研究

脫硫塔出口濕煙氣中含有大量的S、N、Cl、P、F的氧化物，當煙氣溫度降到露點以下時，煙氣結露形成冷凝液，冷凝液中會含有硫酸、鹽酸、硝酸、磷酸和氫氟酸五種腐蝕介質，這種混合酸液具有極強的腐蝕性，經電力系統多年現場使用驗證，金屬材料中除哈氏合金與鈦合金外，其它均不耐煙氣冷凝液的腐蝕破壞，哈氏合金與鈦合金由于價格昂貴而很難得到大量使用[4]。

近些年，在煙氣再熱器(MGGH升溫段)等低溫尾部煙道中，氟塑料管由于很好地解決了腐蝕問題而得到了較多的應用，逐漸得到了業主的認可。后來，在煙氣冷凝器材質的選擇中，氟塑料管也成為首選。

雖然采用氟塑料管解決了腐蝕問題，但其導熱性差、耐壓低、用于換熱器時與金屬間的連接密封可靠性低易發生泄漏且質量可靠的原材料價格昂貴等缺點，限制了它的推廣使用。

能否找到更宜于應用于煙氣冷凝工作環境的材料，已成為管式換熱器大量推廣使用的關鍵難題。

圍繞此難題，針對煙氣冷凝液腐蝕介質多樣、腐蝕機理復雜、腐蝕性強以及換熱面積大的特點，通過調整配方、改進設備、提升工藝等方法，我們突破常規的生產技術，與華北電力大學經過三年技術攻關，聯合研發出一種強度高、換熱性能好的耐腐蝕高導熱復合材料——特種工程塑料合金[5]。

特種工程塑料合金是由聚四氟乙烯和碳纖維材料在一定比例下通過高溫、高壓復合而成的新材料。它是添加了數種納米級特殊材料，且在特殊的工藝條件下由專有設備復合而成的高導熱納米復合材料。高導熱復合材料是由于與塑料相比，其具有金屬的強度硬度等特性，因此稱之為“塑料合金”。塑料合金通過大量的腐蝕、高溫、高溫急變、磨損等試驗驗證，通過了各項嚴格的腐蝕、溫度、力學破壞的試驗驗證，具有以下優良的性能：

(1)優良的耐腐蝕性

可在170 ℃ 15%的鹽酸、45%的硫酸、15%的硝酸和磷酸、5%的氫氟酸介質中長期無腐蝕；

(2)優良的耐溫性能

最高使用溫度260 ℃，長期可靠使用溫度200 ℃；

(3)優良的導熱性能

各向異性材料，最小導熱系數為4 W/(mK)，是氟塑料的15倍，不銹鋼的1/4。

(4)優良的阻燃性能

阻燃性能級別V-0。

(5)強度高，抗滲性強

通過高溫高壓成型，使材料的致密性和結合強度大大提高，從而大幅提高換熱管的強度和承壓性能。最高使用壓力2.0 MPa，長期可靠使用壓力1.6 MPa。水壓2.0 MPa，保壓24小時，管子外表無滲漏，表壓無變化。

(6)優良的阻垢性和較好的耐磨性能

成型工藝的改進，新研制的換熱管表面非常光滑，且在高溫、高壓成型時形成的表面層非常致密。另外，配方中添加的無機材料又具有優良潤滑性能。所以，這種換熱管不僅耐磨性高，且表面非常光滑，阻垢性也特別好。特別在腐蝕環境下使用，比碳鋼管的阻垢性能更加優良。

(7)質量輕

此材料生產的換熱管的比重為1.7～1.8 g/cm3，碳鋼為7.8 g/cm3，316 L為7.98 g/cm3。使得設備重量大幅降低，節省大量安裝費用。

(8)加工性能好

塑料合金可采用注塑加工工藝，加工成螺旋翅片管，增大氣側換熱面積，提高整體換熱效率，減小換熱器的體積。

(9)根據現有材料性能參數計算及充分考慮到電廠煙氣的工況推斷，此材料制作的換熱裝置可長期穩定運行達15年以上。

塑料合金的研發成功，徹底解決了管式換熱器換熱管材料導熱性能差、不耐煙氣冷凝液腐蝕以及耐磨性能差的問題，與哈氏合金管、鈦合金管、雙相不銹鋼管、氟塑料等相比，具有很大的性能和價格優勢。

塑料合金與氟塑料相比較，在導熱系數、密度、工作壓力、強度等方面性能優勢明顯，是更適宜制作鍋爐尾部煙道換熱器的材質，兩者的性能指標對比詳見表1[6]。

表1 塑料合金與氟塑料性能對比表

圖3 塑料合金管圖示

3 塑料合金冷凝器應用效果

3.1 應用項目介紹

2018年10月，以塑料合金為換熱元件的煙氣冷凝器設備在山西某鋼鐵廠成功投入運行，目前為止運行良好。

該項目白色煙羽治理采用“煙氣冷凝+MGGH”的技術路線。其中冷凝段設計工況將煙氣溫度由59 ℃降至54 ℃，設計回收水量17 t/h。

系統投入運行后，煙氣經過冷凝器后煙氣溫度由57.2 ℃降低至48.6 ℃，煙溫降幅達8.6 ℃(設計降幅5 ℃)，煙氣含濕量降低34%。加上后續MGGH煙氣再熱升溫段，升溫后進入煙囪排入大氣。改造后，在環境溫度為5 ℃時，幾乎無白煙出現，達到了環保政策要求。同時，煙氣冷凝器每小時收集水量達25 t，具有很好的經濟效益。

該項目煙氣消白系統DCS運行畫面如圖4所示。

圖4 煙氣消白系統運行截圖

3.2 運行效果及腐蝕情況

運行效果及腐蝕情況，如圖5所示。

圖5 改造前后排煙情況對比圖

設備投運半年后，停爐查看塑料合金換熱器設備內部情況，發現塑料合金換熱管無任何積灰、腐蝕、磨損等情況，運行良好，如圖6所示。

圖6 塑料合金管投運3個月后實拍圖

4 結束語

針對電廠及鋼鐵等相關行業的濕法脫硫白色煙羽治理問題，關鍵技術路線中存在的材料耐腐蝕性及性價比低的難題，本文提出一種新型塑料合金材料，針對其性能及耐腐蝕性與氟塑料及其他材料進行了對比分析。

(1)描述了白色煙羽形成及消除機理，提出當前治理白色煙羽技術路線中亟需解決的問題。

(2)分析總結了塑料合金材料良好的耐腐蝕性、導熱性能等，為其更適合做耐腐蝕的換熱器原件提供了一定的理論依據。

(3)對實際工程中塑料合金在煙氣冷凝器的設計和運行效果進行了說明，相關性能得以驗證。

(4)塑料合金相對氟塑料及2205或其他不銹鋼來說，性價比較高，值得推廣應用，在燃煤電廠、鋼鐵廠及相關行業煙羽治理中應用前景相當廣闊。