鐘家淞

(廣東萬(wàn)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(diǎn)，使其在市場(chǎng)上廣受歡迎[1]。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，自2008年以來(lái)，我國(guó)燃?xì)獠膳療崴疇t市場(chǎng)銷(xiāo)量一直保持高速增長(zhǎng)。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(shì)[2]。

目前，市場(chǎng)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(lái)源于歐盟國(guó)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(pán)管式換熱器[3]。兩種一體式冷凝換熱器在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用中均出現(xiàn)了煙氣側(cè)盤(pán)管堵塞與腐蝕問(wèn)題。本文對(duì)不銹鋼盤(pán)管式換熱器煙氣側(cè)盤(pán)管間隙堵塞與腐蝕成因進(jìn)行分析，提出適用于中國(guó)市場(chǎng)的一體式冷凝換熱器，對(duì)實(shí)際使用效果進(jìn)行實(shí)測(cè)。

2 堵塞與腐蝕成因

2.1 換熱器結(jié)構(gòu)

不銹鋼盤(pán)管式換熱器的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，燃燒器、不銹鋼盤(pán)管的剖面見(jiàn)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(guò)不銹鋼盤(pán)管間隙，加熱不銹鋼盤(pán)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(pán)管式換熱器的體積，不銹鋼盤(pán)管的間距(通過(guò)盤(pán)管間的凸點(diǎn)或卡條保證)一般為0.80～0.85 mm。

不銹鋼盤(pán)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(yàn)，不銹鋼盤(pán)管一般采用牌號(hào)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(pán)管式換熱器的結(jié)構(gòu)

圖2 燃燒器、不銹鋼盤(pán)管的剖面

2.2 堵塞與腐蝕成因

近年來(lái)，中國(guó)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(pán)管式換熱器)，在國(guó)內(nèi)進(jìn)行組裝測(cè)試后，將整機(jī)推向市場(chǎng)，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(guó)市場(chǎng)銷(xiāo)售。

從近年來(lái)全預(yù)混冷凝式燃?xì)獠膳療崴疇t在中國(guó)市場(chǎng)的應(yīng)用反饋來(lái)看，普遍存在煙氣側(cè)盤(pán)管積灰、腐蝕問(wèn)題。在中國(guó)使用前及使用60 d后的煙氣側(cè)盤(pán)管外觀分別見(jiàn)圖3、4。由圖3、4可知，運(yùn)行60 d后，煙氣側(cè)盤(pán)管粘附了大量的褐色蓬松狀物質(zhì)(以下稱(chēng)為粘附物)，堵塞了煙氣側(cè)盤(pán)管間隙。

圖3 在中國(guó)使用前的煙氣側(cè)盤(pán)管

圖4 在中國(guó)使用60 d后的煙氣側(cè)盤(pán)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(jiàn)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(guò)分析，鐵元素主要有兩個(gè)來(lái)源：燃?xì)廨斔凸艿?、不銹鋼盤(pán)管。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)國(guó)內(nèi)輸送的燃?xì)膺M(jìn)行過(guò)濾，可以收集到大量的含鐵粉末，并且在國(guó)內(nèi)燃?xì)獠膳療崴疇t銅管換熱器表面粘附物中也檢測(cè)到含鐵物質(zhì)。這說(shuō)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(pán)管壁面。不銹鋼盤(pán)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(hào)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(pán)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(lái)自國(guó)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(lái)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┻^(guò)不銹鋼盤(pán)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(pán)管間隙堵塞。隨著不銹鋼盤(pán)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(pán)管表面腐蝕。

筆者對(duì)粘附物進(jìn)行了X射線能量色散光譜儀能譜檢測(cè)，測(cè)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(cè)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(pán)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(pán)管的改進(jìn)

考慮中國(guó)的燃?xì)赓|(zhì)量及空氣質(zhì)量，在不改變不銹鋼盤(pán)管式換熱器整體結(jié)構(gòu)的前提下，對(duì)換熱盤(pán)管進(jìn)行改進(jìn)。考慮經(jīng)濟(jì)性及耐腐蝕性，換熱盤(pán)管選用牌號(hào)為SUS441的不銹鋼。改進(jìn)后的換熱盤(pán)管應(yīng)滿足以下要求：確保長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，換熱盤(pán)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(jí)》規(guī)定的1級(jí)能效等級(jí)。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(pán)管堵塞、腐蝕原因可知，防止煙氣側(cè)盤(pán)管堵塞、腐蝕可從加裝空氣與燃?xì)膺^(guò)濾除塵裝置、改進(jìn)換熱盤(pán)管結(jié)構(gòu)兩方面入手。

加裝空氣與燃?xì)膺^(guò)濾除塵裝置，可去除空氣、燃?xì)鈹y帶的雜質(zhì)，但過(guò)濾裝置的過(guò)濾精度不宜過(guò)高，否則易導(dǎo)致管道阻力過(guò)大。因此，過(guò)濾除塵裝置不可能完全去掉空氣、燃?xì)庵械碾s質(zhì)，更無(wú)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(guò)改進(jìn)換熱盤(pán)管結(jié)構(gòu)，優(yōu)化流場(chǎng)，降低堵塞、腐蝕的速率。

由分析可知，改造前的不銹鋼盤(pán)管堵塞最根本的原因是盤(pán)管間隙過(guò)小(僅有0.85 mm)。根據(jù)我們對(duì)全預(yù)混冷凝式采暖熱水爐的研究和試驗(yàn)，當(dāng)燃用中國(guó)天然氣時(shí)，只有不銹鋼盤(pán)管間隙大于1.6 mm才不易堵塞。但當(dāng)換熱盤(pán)管間隙大于0.85 mm后，換熱效率急劇下降。歐盟國(guó)家采用的不銹鋼盤(pán)管間隙為0.80～0.85 mm，主要是由于歐盟國(guó)家的氣源質(zhì)量和空氣質(zhì)量相對(duì)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(shí)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(méi)有嚴(yán)重的堵塞現(xiàn)象，而且換熱效率也比較理想。經(jīng)過(guò)分析研究，綜合不銹鋼盤(pán)管與翅片管結(jié)構(gòu)，將兩者優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，研制不銹鋼翅片盤(pán)管。不銹鋼翅片盤(pán)管的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5，局部剖開(kāi)情況見(jiàn)圖6。圖中不銹鋼翅片盤(pán)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(guò)不銹鋼翅片盤(pán)管間隙，緩解堵塞及腐蝕的發(fā)生。

圖5 不銹鋼翅片盤(pán)管的結(jié)構(gòu)

圖6 不銹鋼翅片盤(pán)管局部剖開(kāi)情況

4 效果驗(yàn)證

采用不銹鋼翅片盤(pán)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(jiǎn)稱(chēng)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(jiǎn)稱(chēng)公司)的產(chǎn)品研發(fā)試驗(yàn)室對(duì)樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)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(cè)試結(jié)果見(jiàn)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(cè)試結(jié)果

2016年11月，將某臺(tái)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(guò)程中，用戶沒(méi)有反映質(zhì)量問(wèn)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(cè)試及拆解。

使用2 a后的樣機(jī)整機(jī)性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)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(cè)試結(jié)果

整機(jī)性能測(cè)試完成后，對(duì)樣機(jī)進(jìn)行拆解，查看不銹鋼翅片盤(pán)管的堵塞、腐蝕情況。運(yùn)行2 a后的不銹鋼翅片盤(pán)管見(jiàn)圖7。由圖7可知，運(yùn)行2 a后的不銹鋼翅片盤(pán)管的翅片表面僅有少量積灰，無(wú)明顯局部腐蝕及堵塞。

圖7 運(yùn)行2 a后的不銹鋼翅片盤(pán)管