吴凤友+孙永明+张成龙+文爽+黄文华+邝也

摘 要：当今航运远洋船舶主要使用重油作为燃料油，重油常温下黏度大，不易流动，需要加热以改善其流动性，达到燃油驳运和喷射、燃烧的效果。如今大部分船舶上都用锅炉蒸汽来加热燃油，为了提高锅炉的热效率，需要降低锅炉排温，然而温度过低又会使其产生低温腐蚀。现拟用聚四氟乙烯材料涂于锅炉排烟管内侧，防止低温腐蚀，同时减少锅炉积灰，这样就能改善船用锅炉的排放环境、大大提高船舶经济性。

关键词：燃油锅炉；聚四氟乙烯材料；低温腐蚀；锅炉排温；经济性

1 概述

地球表面积的百分之七十由海洋覆盖，世界经济的百分之九十靠海洋来完成，如今航运已经与我们的生活息息相关，生活、经济都离不开航运业的发展，航运使世界各地达到了科技共享、资源共享、产品共享。航运经济是以航运市场为依托的，世界经济的发展离不开航运经济。在目前海上航行中船舶使用的锅炉多为燃油锅炉，锅炉产生的则是压力为0.5～1.0MPa的饱和蒸汽，以加热滑油、重油，还可以在主机启动前对其进行暖缸、驱动蒸汽辅机及满足日常生活的需要。所以本论文旨在研究有机高分子技术来防止船舶燃油锅炉低温腐蚀，从而降低船舶锅炉的排气温度，达到节能减排的目的，同时减少航运对海洋生态的影响，增加船舶收益，对整个海洋生态和航运界都有重大意义。

2 船用锅炉的原理及存在问题

2.1 船用锅炉的原理

船用锅炉是一种利用重油燃烧产生的热能把水加热成为热水和蒸汽的设备。重油的燃烧是在锅炉中进行的，锅炉包含锅和炉两个部分。锅炉中产生的热水或蒸汽可供给主机暖缸，并且可以直接为船舶主机、辅机和生活处所提供所需要的能量，另外还可以作为动力装置，比如航母使用的锅炉。[1]

2.2 船用锅炉存在问题

低温腐蚀：锅炉烟管中的低温烟气含有水蒸气、硫酸蒸汽，在锅炉烟管低温受热面上凝结，与烟管金属发生了化学反应，造成烟管壁腐蚀或者厚度减小。船用重油中的硫在锅炉炉膛中燃烧生成二氧化硫（SO2），部分二氧化硫在烟尘催化的作用氧化生成三氧化硫（SO3），其与烟气中水蒸气混合成硫酸蒸汽（H2SO4）。因此烟气中含有的成分包含8%左右水蒸气、部分硫酸蒸汽和二氧化硫气体。当水蒸气在烟管壁面上凝结时，将使烟管产生化学腐蚀；当硫酸蒸汽在烟管管壁面上凝结时，将会生成硫酸亚铁。这就是锅炉烟气的低温腐蚀现象。[2]积灰复燃：燃油中含有0.3%的灰分，灰分中由硫、钒、钠等成分组分，它们组成的化合物熔点很低，在烟管高温受热面非常结渣。当重油灰分中含有钙时，燃烧后变成氧化钙（CaO），它与三氧化硫作用形成硫酸钙，可在烟管壁上变成牢固的积灰。当燃烧不良时，烟气中会存在大量的炭颗粒，它比燃油中的灰分会更加烟灰数量。积灰中的可燃物在烟管尾部接触明火或者过热会重新燃烧，烧毁烟管。即使在温度较低的情况下，炭颗粒也会被缓慢的氧化并产生热量。在锅炉正常工作时，烟道中高流速的烟气，会将快速带走放出的热量，并不会使结碳着火燃烧。但是当停炉后，烟气会停滞在烟管中，非常不利于散热，故氧化放出的热量不能被及时带走，温度逐渐的上升，使氧化加速，结果很可能会导致着火复燃。[1]

3 基于有机高分子技术防止船舶燃油锅炉低温腐蚀的应用研究

高分子材料聚四氟乙烯：

3.1 聚四氟乙烯基本原理

四氟乙烯（TFE）单体的高结晶聚合物就是大家熟知的聚四氟乙烯（PTFE），其化学式为-（CF2-CF2）n-，是一种白色的热塑性塑料，具有蜡状形貌。在聚四氟乙烯中，氢原子被氟原子取代。由于氢原子半径（0.028nm）比氟原子半径（0.064nm）小得多，同时，碳-氟键的键能高达460.2kJ/mol，非常牢固，远远高于碳-氢键（410kJ/mol）和碳-碳键（372kJ/mol），这使得聚四氟乙烯化学惰性和热稳定性非常优异；另外氟原子具有极大的电负性，而且TFE单体具有完美的对称性而降低了聚四氟乙烯分子间的表面能和吸引力，因此聚四氟乙烯具有低温时较好的延展性和极低的表面摩擦系数，同时也使得聚四氟乙烯的耐蠕变能力较差，容易出现冷流现象。

3.2 聚四氟乙烯的特性

（1）极高的化学稳定性：聚四氟乙烯能承受包括王水、浓盐酸、硝酸、发烟硫酸、有机酸、氢氟酸等，也能承受有机溶剂、强氧化剂强还原剂以及强碱的作用。（2）温度范围很广泛：聚四氟乙烯使用温度区域在-190℃～260℃，即使在超低温-260℃的以下仍保持一定的挠曲性。（3）优良的不粘性：聚四氟乙烯的表面能是目前固体材料中发现最小的一种，其表面张力约0.019N/m，而且即使是液体也只有表面張力在0.02N/m以下才能完全粘附在其表面，而固体材料几乎都不能在其表面粘附。（4）极高的热稳定性：聚四氟乙烯的熔点为327℃，远高于一般的高聚物，其断裂强度和抗屈强度在260℃仍然很高，使其拥有良好的不燃性。[3]

4 实验设计思路

构建实验平台，用简单易得的工具和道具模拟船用锅炉，利用废气发生器产生大量油烟气，在双层烟管中通入水，消耗排烟大部分热量，通过热量回收利用装置，初步冷却废气，利用温度传感器精确测量余热利用装置前后的温度，然后将废气引入排烟管道，尽可能使更多的废气流过排烟管，一段时间后观察排烟管涂层侧和未涂层侧结灰情况，最后，对废气成分测定，和船用锅炉废气对比，通过对比得知聚四氟乙烯材料的应用价值。

高分子材料（聚四氟乙烯）功用体现：耐高温，易于成型，涂于排烟管内侧，形成表面光滑，不利于烟灰附着的保护层，且使烟管清洗方便，抗低温腐蚀，能力大大提高。实验装置原理图（如图1示）。余热利用装置：利用船用壳管式换热器模型来收集烟管的热量，排烟温度降下来便意味余热被良好的利用。排烟管：拟用铁皮管道内表面一半涂有高分子材料，另一半不做处理，如图1。

5 结束语

世界经济的发展很多时候需要依靠海洋来完成，而且船舶污染也是当今社会关注的焦点。本实验拟用聚四氟乙烯材料图层于锅炉排烟管内侧，从而达到减少锅炉积灰，防止低温腐蚀，充分利用排烟余热的目的。这样既能有效改善船用锅炉的排放对环境的污染，也可降低船舶锅炉的排气温度，大大提高船舶经济性。减少航运对海洋生态的影响，增加船舶收益，对整个海洋生态和航运界都有重要意义。

参考文献

[1]孙永明，王晓中，李国祥.船舶辅机[M].上海：上海浦江教育出版社，2014.

[2]张基标，郝卫，赵之军，等.锅炉烟气低温腐蚀的理论研究和工程实践[J].工程动力学报，2011，10（31）：730-738.

[3]谢苏江.聚四氟乙烯的改性及作用[J].上海涂料，2002，11（30）： 26-30.