鐘家淞

(廣東萬和新電氣股份有限公司，廣東佛山528325)

1 概述

燃?xì)獠膳療崴疇t舒適靈活、節(jié)能環(huán)保的特點，使其在市場上廣受歡迎[1]。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，自2008年以來，我國燃?xì)獠膳療崴疇t市場銷量一直保持高速增長。與常規(guī)燃?xì)獠膳療崴疇t(指采用大氣式燃燒方式的冷凝式燃?xì)獠膳療崴疇t)相比，全預(yù)混冷凝式燃?xì)獠膳療崴疇t在熱效率、污染物排放量等方面具有明顯的優(yōu)勢[2]。

目前，市場上流行的全預(yù)混冷凝式燃?xì)獠膳療崴疇t技術(shù)大多來源于歐盟國家，使用的一體式冷凝換熱器(結(jié)構(gòu)上顯熱換熱段與潛熱換熱段為一體的換熱器)主要有鑄硅鋁換熱器、不銹鋼盤管式換熱器[3]。兩種一體式冷凝換熱器在國內(nèi)的應(yīng)用中均出現(xiàn)了煙氣側(cè)盤管堵塞與腐蝕問題。本文對不銹鋼盤管式換熱器煙氣側(cè)盤管間隙堵塞與腐蝕成因進(jìn)行分析，提出適用于中國市場的一體式冷凝換熱器，對實際使用效果進(jìn)行實測。

2 堵塞與腐蝕成因

2.1 換熱器結(jié)構(gòu)

不銹鋼盤管式換熱器的結(jié)構(gòu)見圖1，燃燒器、不銹鋼盤管的剖面見圖2。天然氣與空氣的混合氣在燃燒器表面燃燒，產(chǎn)生的高溫?zé)煔?約900 ℃)穿過不銹鋼盤管間隙，加熱不銹鋼盤管內(nèi)循環(huán)水，煙氣不斷冷卻降溫，煙氣中的水蒸氣部分冷凝釋放出汽化潛熱，最終煙氣降溫至60 ℃左右。為提升換熱效率和控制不銹鋼盤管式換熱器的體積，不銹鋼盤管的間距(通過盤管間的凸點或卡條保證)一般為0.80～0.85 mm。

不銹鋼盤管式換熱器由歐盟企業(yè)率先研制并應(yīng)用于全預(yù)混冷凝式燃?xì)獠膳療崴疇t中。根據(jù)歐盟企業(yè)的技術(shù)經(jīng)驗，不銹鋼盤管一般采用牌號為SUS441(22Cr18NbTi)鐵素體不銹鋼、SUS304(0Cr18Ni9)奧氏體不銹鋼、SUS316L(22Cr17Ni12Mo2)奧氏體不銹鋼，除了含有鉻、鎳等元素外，還有大量的鐵元素。

圖1 不銹鋼盤管式換熱器的結(jié)構(gòu)

圖2 燃燒器、不銹鋼盤管的剖面

2.2 堵塞與腐蝕成因

近年來，中國很多燃?xì)獠膳療崴疇t企業(yè)也逐漸引進(jìn)歐洲全預(yù)混冷凝式燃?xì)獠膳療崴疇t的核心部件(其中包括不銹鋼盤管式換熱器)，在國內(nèi)進(jìn)行組裝測試后，將整機(jī)推向市場，也有原裝進(jìn)口的全預(yù)混冷凝式燃?xì)獠膳療崴疇t在中國市場銷售。

從近年來全預(yù)混冷凝式燃?xì)獠膳療崴疇t在中國市場的應(yīng)用反饋來看，普遍存在煙氣側(cè)盤管積灰、腐蝕問題。在中國使用前及使用60 d后的煙氣側(cè)盤管外觀分別見圖3、4。由圖3、4可知，運行60 d后，煙氣側(cè)盤管粘附了大量的褐色蓬松狀物質(zhì)(以下稱為粘附物)，堵塞了煙氣側(cè)盤管間隙。

圖3 在中國使用前的煙氣側(cè)盤管

圖4 在中國使用60 d后的煙氣側(cè)盤管

筆者分別利用X射線衍射儀(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)和X射線能量色散光譜儀(EDX)分析粘附物的主要組成。

由X射線衍射儀分析得到的粘附物的主要成分及質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表1。由表1可知，粘附物主要含有氧化鐵(Fe2O3)、氧化鉻(Cr2O3)、硫化鎳(Ni4S3)等物質(zhì)。經(jīng)過分析，鐵元素主要有兩個來源：燃?xì)廨斔凸艿?、不銹鋼盤管。根據(jù)工程經(jīng)驗，對國內(nèi)輸送的燃?xì)膺M(jìn)行過濾，可以收集到大量的含鐵粉末，并且在國內(nèi)燃?xì)獠膳療崴疇t銅管換熱器表面粘附物中也檢測到含鐵物質(zhì)。這說明燃?xì)鈹y帶含鐵物質(zhì)進(jìn)入燃?xì)獠膳療崴疇t，并在燃燒室內(nèi)氧化成Fe2O3，粘附于煙氣側(cè)盤管壁面。不銹鋼盤管采用的鐵素體不銹鋼、奧氏體不銹鋼含有大量鐵元素，也是原因之一。

表1 由X射線衍射儀分析得到的粘附物的主要成分及質(zhì)量分?jǐn)?shù)

這3種牌號的不銹鋼除含有大量鐵元素外，還含有鉻、鎳元素，粘附物含有Cr氧化物、Ni硫化物意味著煙氣側(cè)盤管壁面發(fā)生了腐蝕。值得注意的是，Ni硫化物的硫分主要來自國內(nèi)常用的燃?xì)饧映魟┧臍溧绶訲HT和硫醇混合物TBM?？紤]到燃?xì)夤艿琅c不銹鋼材料的硅含量非常少，筆者認(rèn)為粘附物中的硅酸鹽主要來自空氣所攜帶的灰塵、泥沙等。

從粘附物的掃描電子顯微鏡圖譜可以看出，粘附物的顆粒細(xì)小疏松。單顆?？梢源┻^不銹鋼盤管間隙，但是燃?xì)馊紵a(chǎn)生的細(xì)微飛灰與燃?xì)?、空氣所攜帶的灰塵、泥沙在酸性凝結(jié)水作用下，發(fā)生碰撞黏附，最終導(dǎo)致不銹鋼盤管間隙堵塞。隨著不銹鋼盤管間隙的堵塞，酸性凝結(jié)水的疏解受阻，造成濃度增高，最終導(dǎo)致不銹鋼盤管表面腐蝕。

筆者對粘附物進(jìn)行了X射線能量色散光譜儀能譜檢測，測量粘附物的元素組成。與采用X射線衍射儀分析結(jié)果一致的是，能譜檢測結(jié)果也顯示粘附物中含有較多的Fe、Ti、Cr，這進(jìn)一步證明煙氣側(cè)盤管管壁發(fā)生了腐蝕。除此之外，粘附物中還含有少量的C，這可能是由于燃?xì)馕茨艹浞秩紵纬傻姆e炭。

3 換熱盤管的改進(jìn)

考慮中國的燃?xì)赓|(zhì)量及空氣質(zhì)量，在不改變不銹鋼盤管式換熱器整體結(jié)構(gòu)的前提下，對換熱盤管進(jìn)行改進(jìn)?？紤]經(jīng)濟(jì)性及耐腐蝕性，換熱盤管選用牌號為SUS441的不銹鋼。改進(jìn)后的換熱盤管應(yīng)滿足以下要求：確保長時間運行后，換熱盤管間隙不應(yīng)出現(xiàn)堵塞。整機(jī)(指全預(yù)混冷凝式燃?xì)獠膳療崴疇t)熱效率應(yīng)達(dá)到GB 20665—2015《家用燃?xì)饪焖贌崴骱腿細(xì)獠膳療崴疇t能效限定值及能效等級》規(guī)定的1級能效等級。氮氧化物排放限值為30 mg/(kW·h)，一氧化碳體積分?jǐn)?shù)排放限值為50×10-6。

分析煙氣側(cè)盤管堵塞、腐蝕原因可知，防止煙氣側(cè)盤管堵塞、腐蝕可從加裝空氣與燃?xì)膺^濾除塵裝置、改進(jìn)換熱盤管結(jié)構(gòu)兩方面入手。

加裝空氣與燃?xì)膺^濾除塵裝置，可去除空氣、燃?xì)鈹y帶的雜質(zhì)，但過濾裝置的過濾精度不宜過高，否則易導(dǎo)致管道阻力過大。因此，過濾除塵裝置不可能完全去掉空氣、燃?xì)庵械碾s質(zhì)，更無法杜絕燃?xì)饩植坎煌耆紵纬傻姆e炭。最為關(guān)鍵的還是通過改進(jìn)換熱盤管結(jié)構(gòu)，優(yōu)化流場，降低堵塞、腐蝕的速率。

由分析可知，改造前的不銹鋼盤管堵塞最根本的原因是盤管間隙過小(僅有0.85 mm)。根據(jù)我們對全預(yù)混冷凝式采暖熱水爐的研究和試驗，當(dāng)燃用中國天然氣時，只有不銹鋼盤管間隙大于1.6 mm才不易堵塞。但當(dāng)換熱盤管間隙大于0.85 mm后，換熱效率急劇下降。歐盟國家采用的不銹鋼盤管間隙為0.80～0.85 mm，主要是由于歐盟國家的氣源質(zhì)量和空氣質(zhì)量相對清潔，以及售后服務(wù)體系的完善(可以做到每年定期保養(yǎng))。

在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，由于翅片管換熱器的翅片間隙比較大，并沒有嚴(yán)重的堵塞現(xiàn)象，而且換熱效率也比較理想。經(jīng)過分析研究，綜合不銹鋼盤管與翅片管結(jié)構(gòu)，將兩者優(yōu)勢相結(jié)合，研制不銹鋼翅片盤管。不銹鋼翅片盤管的結(jié)構(gòu)見圖5，局部剖開情況見圖6。圖中不銹鋼翅片盤管的光管外直徑為17 mm，內(nèi)直徑為15 mm，翅片直徑28 mm，相鄰翅片管的間距(指兩根翅片管的翅片頂端距離)為2.5 mm。從而確保煙氣中的顆粒能夠順利通過不銹鋼翅片盤管間隙，緩解堵塞及腐蝕的發(fā)生。

圖5 不銹鋼翅片盤管的結(jié)構(gòu)

圖6 不銹鋼翅片盤管局部剖開情況

4 效果驗證

采用不銹鋼翅片盤管式換熱器的全預(yù)混冷凝式燃?xì)獠膳療崴疇t樣機(jī)(以下簡稱樣機(jī))，額定熱功率為24 kW，額定熱效率≥103%。氮氧化物排放限值為30 mg/(kW·h)，一氧化碳體積分?jǐn)?shù)排放限值為50×10-6。

在筆者所在公司(以下簡稱公司)的產(chǎn)品研發(fā)試驗室對樣機(jī)進(jìn)行測試，測試標(biāo)準(zhǔn)為CJ/T 395—2012《冷凝式燃?xì)馀捎脿t》、GB 25034—2010《燃?xì)獠膳療崴疇t》、GB 20665—2015。樣機(jī)的整機(jī)性能測試結(jié)果見表2。由表2可知，在額定熱負(fù)荷、最小熱負(fù)荷條件下，樣機(jī)的整機(jī)性能指標(biāo)均比較理想。

表2 樣機(jī)的整機(jī)性能測試結(jié)果

2016年11月，將某臺相同技術(shù)參數(shù)的樣機(jī)安裝在河北省石家莊某用戶家中試用。在試用過程中，用戶沒有反映質(zhì)量問題。在樣機(jī)使用2 a后，將產(chǎn)品調(diào)回公司進(jìn)行整機(jī)性能測試及拆解。

使用2 a后的樣機(jī)整機(jī)性能測試結(jié)果見表3。由表3可知，在使用2 a后，樣機(jī)的熱效率有所降低，氮氧化物排放量、一氧化碳排放體積分?jǐn)?shù)均略有升高，但整體性能仍比較理想。

表3 使用2 a后的樣機(jī)整機(jī)性能測試結(jié)果

整機(jī)性能測試完成后，對樣機(jī)進(jìn)行拆解，查看不銹鋼翅片盤管的堵塞、腐蝕情況。運行2 a后的不銹鋼翅片盤管見圖7。由圖7可知，運行2 a后的不銹鋼翅片盤管的翅片表面僅有少量積灰，無明顯局部腐蝕及堵塞。

圖7 運行2 a后的不銹鋼翅片盤管