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冷凝壁挂炉五种主热交换器分析与比较
编辑:shwebkebang   文章来源:未知   时间:2015-04-28 13:33

 

冷凝炉是采用冷凝技术对壁挂炉排出的高温烟气进行潜热回收的一种热水设备,以增加燃气的利用率,提供功效。冷凝技术并不是一个非常高难度的技术,常规的壁挂炉厂家一般都能做到。也不是近几年才有的新技术,早在70年代初就已出现。其主要的难点在于如何解决烟气降温后产生的酸液对主热交换器的低温腐蚀。

 

 

冷 凝 技 术 发 展 历 史

 

 

 

欧美在70年代初就已经在使用冷凝技术了。当时使用的是接触式冷凝技术,即高温烟气直接与一次水接触(一般为喷淋方式),一次水吸收潜热,烟气降温后排放。这也是大型工业锅炉所用的省煤器的前身。其缺点如下:

1、会使得一次水酸化,必须经常使用化学碱或其它方式中和,成本不低。

2、一次水是开放式的,不能用在密闭系统中,或采用换热装置转换。

3、体积较大,不适用于家用锅炉。

 

到80年代中期,由于能源价格的提升以及材料科技的高速发展,出现了间壁式冷凝技术。一次水和高温烟气不发生直接接触,中间使用耐腐蚀材料导热。也是目前大多的冷凝锅炉所使用的技术。

 

 

热 交 换 器 的 低 温 腐 蚀 问 题 介 绍

 

 

常规壁挂炉是将天然气和空气混合后,经燃烧获得热量,排出约170℃的高温烟气。烟气中含有水蒸气、CO2,酸蒸汽等。因为天然气中不可避免的含有硫化物,经燃烧后生成SO2,继续燃烧氧化后产生SO3(约占SO2的5%左右)。SO2与水结合生成亚硫酸,SO3与水结合生成硫酸,其酸露点温度约在140℃到160℃(根据SO3的含量提升),当然烟气中还有亚硝酸、硝酸盐等其它酸类物质(与氮氧化物有关)。

 

当常规壁挂炉的排烟温度在170℃时,气态的酸蒸汽对主热交换器的腐蚀是非常轻微的。

 

当对烟气进行潜热回收时(排烟温度降为50℃),酸蒸汽相变为酸性液体,将会对主热交换器产生极强的腐蚀。且该腐蚀主要发生在较低温度的换热接触面,即低温腐蚀。低温腐蚀严重时可以达到1mm/年的腐蚀能力,造成接触面穿孔,就目前的科学技术尚无法完全腐蚀,只能尽量减轻程度。

 

另外,相对于常规壁挂炉,冷凝炉的燃烧是较为密闭的,烟气中的粉尘和颗粒物不易排出,特别容易出现堵灰积灰现象。飞灰在初期呈蓬松状,在吸收了大量的酸液后会发生黏连结块,进一步影响烟气的排放,促成酸液形成,两者互为影响,恶性循环。所以,壁挂炉回收潜热并不难,难得是如何解决腐蚀和堵灰。

 

 

国 内 五 种 主 热 交 换 器

 

 

1、二级换热式(双层)

 

介绍:

此类是在一台常规壁挂炉的出烟口再加装一个二级换热装置,俗称“假冷凝”。其实,它也是一种冷凝方式,80年代后期和90年代初期被开发和使用,欧洲现已基本淘汰(民用锅炉)。虽然确有冷凝效果,但和市场上的全预混冷凝技术相比,差别较大。目前主要是部分国内和韩国厂商生产。

 

优点:

成本低,企业转型快。

 

 

缺点:

酸性物质及氮氧化物含量高,耐腐能力差。主要是因为它在一级主热交换器的燃烧方面并没有做特别的处理,过多的过剩空气会大量促进氮氧化物和酸性物质的产生,严重腐蚀部件。所以,此类冷凝炉即使使用了不锈钢增加防腐,但其低成本的造价也决定了他的抗腐蚀能力非常有限,其二级冷凝换热器的寿命一般较短。其较多的空气进气量,也使得部分热量无形中被损失了。

 

 

2、铸铝盘管加翅片倒置式

 

 

介绍:

此类机芯一般由锅炉厂商自行设计制造,倒置式燃烧设计,上半段降温,下半段冷凝,目前主要以W牌为该类型代表。


优点:

这类冷凝装置的管道较粗,流量足,对水质要求不高,管内不易结垢,一般不强制使用阻垢剂保护管路。

 

缺点:

由于设计结构的原因,体积较大,但功率却不大,一般只能做到28KW。

翅片间容易发生粘灰积灰现象,需定期使用钢丝刷清理。但由于采用的是铸铝材质,清理时如不小心非常容易划伤破坏防腐层。防腐层一旦受损,极易形成腐蚀烧穿开裂。国内现有厂家正在研制不锈钢款,尚未见大量商业化成品上市。

其底部浸泡于酸性冷凝液中,液面处的管道往往是腐蚀的重灾区,大多严重的腐蚀烧穿都集中于此。

 

 

3、铸铝夹套加肋筋翅片(针)式

 

介绍:

此类主热交换器主要由荷兰贝XXX公司生产,其它品牌也有类似的技术和工艺,在欧洲有一定使用量。前两年,某B牌有使用过,目前已经召回退市。


该成品本身没什么问题,主要原因在于国内的水质太差,硬度高,颗粒杂质多,造成其夹套中形成大量的水垢堆积,难以清理。也由于国内的燃气(含硫化物高)和空气(PM爆表)质量较差,烟气换热腔内的肋筋翅片(针)容易聚集黏连大量的堵灰、酸性物质和难溶盐。最大的问题还在于其纵横交错的肋筋翅片(针)设计,极难无法清理。曾有某厂商设计过异型(锯齿)钢丝刷,效果非常有限,短则一年、长则两年,换热效率大幅降低,只能报废。

白色物为难溶盐。也由于杂质板结,使得加热不均及应力变化,造成部分肋筋断裂。腐蚀会在铸铝表面产生大量锈痕。

 

一般铝及铝合金的抗腐蚀能力要弱于不锈钢,强于铝青铜、铜及铜合金。

 

 

4、306不锈钢螺旋扁圆管并联式(潜显分离)

介绍:

该主热交换器主要由法国贾XX公司生产,其它品牌也有类似的技术和工艺,在欧洲有一定使用量。材质为306不锈钢,国内曾有某厂商实验室检测过,相关参数偏向于304不锈钢。既然原厂说是306,我们就姑且称为306不锈钢。如Va牌、B牌、A牌等大多厂商均采用该形式主热交换器。


分析:

此类主热交换器需要从其生产工艺谈起。生产工厂用圆盘机将市售的壁厚0.8mm的306不锈钢圆管盘成螺旋式圆桶,在两端加压,将圆管压制成扁圆管。但由于较长的圆管无法保证从头到底均匀一致,所以在压制过程中,不可避免会出现局部圆管被压得过扁,局部圆管又不够扁的情况,造成内径不均。所以工厂采用了分段(单元)压制的方法。这样废品率降低了,成品率提高了,还可以将每一单元设计成8-10KW固定功率。这样可以根据冷凝炉的设计功率模块化加减,以调整冷凝炉的功率数。

 

但这又产生了新的问题,两个单元之间无法进行口对口的串联式对接焊。一方面是没有焊接操作空间,一方面是对接焊的焊缝为圆环状,在整个主热交换器中,环形焊缝一半要处于桶内900度高温,一半要处于桶外约200度(潜显分离),且要求该焊材在这两个温度下的膨胀系数相同,所以目前无法找到合适的焊材。既然对焊串联不行,于是厂商采用了并联法,将几个单元并联在一个分集水器上,让一次水分四路在主热交换器中加热(三显一潜),问题解决。只是由于采用一路分多管的形式,每个单元的管径就大为降低,管径变细,大约是正常总管截面的30%左右。在欧洲的水质和良好的售后服务情况下,使用还比较正常。

只是由于国内的水质问题,如此细的管径极易造成管内结垢,甚至堵死。并且由于其并联的方式(如采用接口串联的方式,中间接口过多,内表面不平滑,更容易结垢,且还需考虑膨胀、漏水等问题),特别容易造成其中一个单元发生结垢现象,然后这个单元是越结垢越容易结垢,越容易结垢就越结垢,杂质会在多次循环后堵在这个单元中,恶性循环。且由于其他三个单元在该单元被堵后,仍然可以正常走水,所有该单元的结垢现象就非常不容易被发现,冷凝炉也无法提供警示。直到该单元由于长期干烧,发生漏水,引起故障,用户才会知晓,但为时已晚,无法维修,只能整体更换。

 

为解决这个问题,许多厂商都采用给系统添加阻垢剂的方法,延缓单元内水垢的产生。但阻垢剂的一般时效最多为2年,且根据水质的严重情况还会有所缩短。所以需要定时检查阻垢剂的浓度,及时添加,人工成本较大。在两年质保期内一般都是免费的,出保后一般每年的费用是300-500元左右(包含了其他方面的清洗和检查)。

上图为管路被切开后的截面图,可以看到圆管被压扁后的情况。管壁厚度为0.8mm,管间缝隙为0.6mm(根据抗低温腐蚀的要求,管壁厚度建议至少在0.8mm以上,管间缝隙至少在0.6mm以上)。该主热交换器管壁厚度和管间缝隙刚好达到基本要求,但未达到良好的设计标准。这是由于加压压力、定压时间、材料壁厚、回弹能力、缝隙宽度和成本之间的相互牵制关系,使得厂商必须选择一个中间点来平衡各方面的关系,也就无法做到全方位的高标准。

 

冷凝炉燃烧后产生的烟尘飞灰其直径一般在500微米(0.5mm)以下,但会由于吸附酸液而使得多个飞灰(初期的飞灰为蓬松状,体积大,易吸附酸液)发生黏连,形成大朵飞灰颗粒。如果管间缝隙小,很容易造成堵灰。

在欧洲空气和燃气质量较好的情况下,飞灰颗粒较小,只要日常维护及时,一般问题不大。但在中国PM爆表的情况下,堵灰积灰情况就非常严重。高温烟气穿过管间缝隙后,温度降为50度,会产生大量堵灰、冷凝水和酸液。由于管外壁为圆弧形(未压扁部分),产生的堵灰、冷凝水和酸液的混合物只能顺弧面流回缝隙中,在缝隙中与后来的烟气发生“顶牛”,最终在两管间的喇叭口堆积了大量的堵灰、酸液和难溶盐的混合物,造成排烟不畅及酸液对外管壁的腐蚀。

 

为解决这个问题,目前厂商主要采取定期上门用钢丝刷清理管间缝隙的办法。但该设计为一体化设计的,钢丝刷清理只能解决圆桶内壁的清理工作,圆桶的外表面(圆桶与外壳之间)仍然无法清理,是一个暂时无法破解的隐患。

 

标准的间距及烟温

 

5、361Ti不锈钢螺旋方管单管式(潜显一体)

 

介绍:

这是一款比较独特的主热交换器,属于Vi牌的设计专利,目前也只有Vi牌自行生产和采用这个设计,现国内外也有类似工艺。

 

分析:

该主热交换器采用了316Ti不锈钢生产,316Ti不锈钢是在316L不锈钢的基础上添加了Ti(钛元素),学名叫钼二钛不锈钢。

 

由于316L不锈钢强大的耐腐蚀性(强化型抗面腐蚀),316L不锈钢被广泛应用于军用潜水艇,水下作业机器人等,还有如劳力士潜水表、苹果手表等民用奢侈品方面。

 

钼二钛不锈钢(316Ti)的抗腐蚀能力约为316L不锈钢的10倍,特别是其超强的抗晶间腐蚀能力,是制作冷凝炉主热交换器的优良材料,一般只用于在特殊场合和恶劣环境下工作的大型高端工业锅炉的制造中,如大型水库、核电站使用的专用锅炉。

 

该设计为单管式,口径大,流量足,不易结垢。即使发生内壁结垢现象,也不容易堵塞。不会出现并联式那样堵塞不报故障的情况出现。因如由于管内结垢造成流量变小,热负荷带不出去的情况时,锅炉会由于超温报警而得到警示信号,这保证了管内结垢后可及时得到警示和清理,是一款可维护维修的设计。在目前的国内水质情况下,无须强制添加阻垢剂。


生产厂商将316Ti不锈钢板进行剪裁成长条形,进行折边焊接(焊缝处于圆桶内部,处于900度的高温区域,属于干区,不涉及低温腐蚀,也由于所有焊缝处于同一温度区,所以也不涉及膨胀系数不同的问题),制作成方形管材,用圆盘机盘成螺旋型桶状。方管管壁厚度1.2mm,管间缝隙0.8mm,达到优良的设计标准。管壁厚,耐腐蚀性能好,寿命长。缝隙宽度合理,热交换效率高,烟气畅通,不堵灰,不卡颗粒。

平顶管面(非圆弧型)容易引入垃圾杂质,不会出现“逆流”和“顶牛”。平顶面的两条黑色压痕为其专利设计的导流槽,便于使冷凝水、飞灰和酸液的混合物顺着导流槽流入积水盘,排入下水道。避免了杂质流回缝隙,同时也减少了酸性溶液在不锈钢表面的停留时间,减缓了低温腐蚀的情况

在目前国内的环境工况下,虽不强制每年做内部冲洗,但仍建议定期进行主热交换器的维护清理。

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