中低溫余熱回收及能量梯級利用技術閥門部分總結
2009-04-08 00:00
隨著我國新型干法水泥窯純低溫余熱發(fā)電技術的日益成熟，眾多余熱發(fā)電項目陸續(xù)投產，如何增強設備可靠性，提高余熱發(fā)電運轉率，進而提高余熱回收效率，已成為業(yè)內關注焦點。廢氣閥門作為純低溫余熱發(fā)電與水泥生產線連接的關鍵輔機設備，直接關系到水泥窯的穩(wěn)定運行、廢氣的充分利用和整個系統(tǒng)運行效率和可靠性。本文作者結合多年工程實踐和閥門制造情況，探討廢氣閥門對提高純低溫余熱發(fā)電廢氣利用和運行效率的影響。
我們承擔的國家863課題2007AA05Z251，產學研結合專門研究中低溫余熱回收及能量梯級利用技術。我們針對余熱發(fā)電的共性技術和關鍵設備技術，進行了系統(tǒng)分析研究，從而指導工程實踐，取得了余熱發(fā)電理論和關鍵設備技術的重大突破。本文為該課題的初步研究成果。
2 水泥窯余熱發(fā)電常用廢氣閥門
2.1一般情況下，一條水泥線余熱發(fā)電需增設七個廢氣閥門，即SP鍋爐進口煙道閥01、出口煙道閥02、SP鍋爐的旁路閥03,如圖1所示； AQC爐的進口風道閥04、出口風道閥05、AQC鍋爐的旁路閥06、沉降室的冷風閥07，如圖2所示。
另外也有在篦冷機前端增加一個開口，同樣設置一臺電動調節(jié)百葉閥08（本文稱作過熱器爐的進口風道閥門，如圖2所示），抽取500~800℃高溫段煙氣，通過過熱器進沉降室，而提高煙氣溫度，提高窯頭煙氣的利用率。
一般情況下SP鍋爐的進口風道閥門01、SP出口風道閥門02、SP鍋爐旁路閥03的煙氣溫度在330℃左右，400℃以下，波動較小、粉塵磨損也較弱，閥門運行故障少。同理AQC爐的出口風道閥門05、沉降室的冷風閥07受溫度、磨損影響也較少。
影響余熱發(fā)電穩(wěn)定運行、故障率較高的是AQC爐的進口風道閥門04、AQC鍋爐的旁路閥06、過熱器爐的進口風道閥門08。
AQC爐的進口風道閥門04設在篦冷機出風口與沉降室之間，也可設在沉降室出口與AQC爐之間，常用電動調節(jié)百葉閥（本文統(tǒng)稱AQC爐的進口風道閥門），作為調節(jié)篦冷機出風口煙氣量，該閥門是確保水泥熟料線和AQC鍋爐正常運行的關鍵。余熱發(fā)電一般在篦冷機中部靠前抽風。氣體介質含有不大于30mg/Nm3的熟料顆粒，速度8—15m/s，溫度在正常300~400℃，最高時達到500℃以上，腐蝕性大。
AQC鍋爐的旁路閥06設在篦冷機后部出口與電收塵之間，氣體介質含有不大于30mg/Nm3的熟料顆粒，速度8—15m/s，溫度在正常200--500℃左右，最高時達到800℃以上，腐蝕性大。
過熱器爐的進口風道閥門08設在篦冷機前部出風口與過熱器爐之間，常用電動調節(jié)百葉閥來調節(jié)篦冷機抽出的高溫煙氣量，該閥門直接影響水泥窯三次風和過熱器鍋爐正常運行。氣體介質含有不大于30mg/Nm3的熟料顆粒，速度8—15m/s，溫度在正常500℃左右，最高時達到800℃以上，腐蝕性大。
2.2煙道閥原則上由窯操控制。啟停操作方式：任何情況下開SP鍋爐時，首先打開SP鍋爐的進出口風道閥門，然后再逐步關小SP鍋爐的旁路閥；同理開AQC爐時，首先打開AQC鍋爐的進出口風道閥門，然后再逐步關小AQC鍋爐的旁路閥。停止SP鍋爐時，首先打開SP鍋爐旁路閥門，然后再逐步關小SP鍋爐的進出口煙道閥門；同理停止AQC鍋爐時，首先打開AQC鍋爐旁路閥門，然后再逐步關小AQC鍋爐的進出口煙道閥門。確保不影響水泥窯的通風、正常運行。 沉降室增加冷風閥，適時調整進口風溫；
3 存在問題
3.1 AQC爐的進口風道閥門、AQC鍋爐的旁路閥、過熱器爐的進口風道閥門統(tǒng)稱篦冷機出風口閥門，AQC爐的進口風道閥門、AQC鍋爐的旁路閥用調節(jié)百葉閥閥門材質一般選用閥體碳鋼，閥板碳鋼或一般不銹鋼，軸2Cr13。過熱器爐的進口風道閥門用調節(jié)百葉閥閥門材質一般采用閥體碳鋼、閥板不銹鋼，軸2Cr13。水泥窯運行經(jīng)常要根據(jù)三次風溫度或熟料產量，來調節(jié)燃煤、調整篦床的走料厚度、篦床的速度，因而篦冷機的操作不是固定不變的，操作過程中極易出現(xiàn)料層太薄、料層阻力變小、冷卻風量增加、出現(xiàn)飛砂現(xiàn)象，由于飛砂都是熟料顆粒和粉塵，硬度高且煙氣有一定的腐蝕性，調節(jié)閥門的的閥板在高溫下作用下，碳鋼中的滲碳體由于獲得能量將發(fā)生遷移和聚集，形成晶粒粗大的滲碳體并夾雜于鐵素體中，其滲碳體會從片狀逐漸轉變成球狀，出現(xiàn)球化。由于石墨強度極低，并以片狀出現(xiàn)，使材料強度大大降低，脆性增加，加速材料石墨化。碳鋼長期工作在425℃以上環(huán)境下，就會發(fā)生石墨化，在大于475℃更明顯。在高溫下受外力作用時，隨著時間的延長，材料產生蠕變, 溫度升高或應力增大，蠕變速度加快。例如，碳素鋼工作溫度超過300～350℃，合金鋼工作溫度超過300～400℃就會有蠕變。蠕變嚴重會產生大量變形導致結構斷裂。碳鋼當它處于570℃的空氣中時，會產生FeO+Fe304+ Fe203氧化皮，該氧化皮很容易脫落而使金屬減薄。達到某一溫度后，鋼材受溫度影響較大，溫度升高，鋼材強度降低，機械性能迅速降低，采用碳鋼閥板多則十個月少則三個月就磨損完了，即使采用不銹鋼閥板，若不在表面做特殊的處理，在幾個月的時間內，閥板也會被磨損掉，失去了調節(jié)作用，嚴重影響了熟料線的正常生產。
3.2 AQC鍋爐的出口閥存在的問題
目前該閥門都采用百葉閥，泄漏率比較高，當鍋爐需要檢修而水泥生產線不停的時候，由于閥門的泄漏，還有一部分高溫煙氣從電收塵器往鍋爐進，使得檢修人員無法進入鍋爐進行檢修。在AQC鍋爐與電收塵之間的閥門，在電廠正常運行時都是全開的，正常情況下不需要進行調節(jié)，只是在鍋爐檢修時關閉。做為設備是沒有不出現(xiàn)故障的時候的，鍋爐也是一樣的，尤其是水泥余熱廢氣含有大量的粉塵和具有較大的腐蝕性，水泥余熱發(fā)電鍋爐存在的故障率更高。
3.3一般情況下SP鍋爐的進出口風道閥門、SP鍋爐的旁路閥、AQC爐的出口風道閥門、沉降室的冷風閥故障率較低，但需要經(jīng)常動動閥軸，避免長時間不動而銹死。
4、改進措施
4.1 AQC爐的進口風道閥門、AQC鍋爐的旁路閥、過熱器爐的進口風道閥門統(tǒng)稱篦冷機出風口閥門，其改進措施：我們在閥板上進行特殊處理，閥板的迎風面打注上具有高溫結構強度高、高溫蠕變率低、熱膨脹小、抗化學侵蝕性強、抗熱震等優(yōu)點的澆注料，閥板不使用鉤釘而采用焊高強度龜夾網(wǎng)可以避免因高溫而產生熱脹冷縮澆注料的剝落。經(jīng)過處理，澆注料的導熱系數(shù)為1.8 W/m.k；耐壓強度：1100℃×3h≥150 Mpa，1500℃×3h≥120 Mpa；抗折強度：1100℃×3h≥13 Mpa；線變化率：1450℃×2h≤±0.3%；耐磨性：≤6 CC,這樣閥板具有較強的抗高溫和耐磨特性，可以大大的延長閥板的使用壽命，也節(jié)約了投資。該閥門已經(jīng)在數(shù)條5000t/d余熱發(fā)電上使用，效果顯著，深受用戶好評。
4.2 AQC爐的出口風道閥門的改進措施
我們把該閥設計為插板閥結構（見下圖），在閥體上設有50mm寬的密封面，在插板上設有斜塊，同時閥體上對應部位也設有斜塊，插板和閥門的通徑大100mm作為和閥體密封接觸，當插板閥關閉時越關越緊，起到閥門關閉時的密封效果，同時在閥體的外部設置夾緊螺栓作為預備夾緊裝置，在插板閥的底部設置吹灰口，當插板閥關閉不嚴時，打開吹灰口，清理灰塵后再關閉上述插板閥的結構特征，因此它的密封效果非常顯著，其泄露率小于0.1%,是目前百葉閥無法比擬的，給鍋爐檢修帶來了方便和安全保證。通過在數(shù)條水泥窯余熱發(fā)電上使用,效果很好。
5 關于廢氣調節(jié)閥門的泄漏
5.1廢氣調節(jié)閥門普遍存在的泄漏問題
目前大部分水泥余熱發(fā)電項目，都把煙氣閥門設計為三軸和五軸百葉閥，該閥門泄漏率均在3~10%之間。由于閥門存在的泄漏導致系統(tǒng)調節(jié)精度無法保證，損失了不少余熱，影響鍋爐檢修時時間及檢修安全性。
廢氣調節(jié)閥門存在的泄漏的問題歸根結底是閥門的結構問題。目前在水泥余熱發(fā)電煙風閥門上，關于閥門的結構形式，有著不同的說法。采用百葉式主要考慮，閥板三葉或五葉式，受熱面積小，不易變形，變形后泄漏量更大，但也不會卡死，還能進行調節(jié)，閥板輕力矩比較小，可由于葉片與葉片之間的空隙，長時間受到熟料粉塵的磨損，很快泄漏量逐漸增大；采用單片式主要考慮泄漏率小，調節(jié)精度比較好，但由于閥板重量較大，閥門力矩多葉的大。根據(jù)工藝的要求如果在閥板不變形的情況下，明顯采用單片式優(yōu)于百葉式。
水泥余熱發(fā)電由于自身的特點，區(qū)別于水泥工藝和火電廠煙風閥門有著很大的差別。在水泥工藝線上，由于低價競爭，加上工藝上對閥門的泄漏要求不是很高，很多廠家生產的閥門，閥體和閥板厚度都在5mm左右，而且泄漏率大?；痣姀S風閥介質一般是常溫干凈風，主要用于風量的調節(jié)。水泥余熱發(fā)電煙氣溫度高，并含有熟料粉塵，速度高負壓大，特別是窯尾含塵量達到80mg以上、負壓7000Pa，如在余熱發(fā)電也同樣采用此閥門，勢必造成閥板變形，出現(xiàn)閥板卡死，流量無法調節(jié)。
5.2改進閥門的結構形式降低閥門的泄漏率
除窯頭抽氣口調節(jié)風門外，其他閥門的閥板在考慮機械性能、熱脹量、熱交變和重力等因素的影響，采用16Mn鋼板（根據(jù)具體溫度而定）制作單片式閥板，閥板采用箱式結構，且厚度在12mm以上，設置合理的加強筋，具有機械強度高，受熱不易變形的特點。我們在數(shù)十個余熱發(fā)電項目上采用單片式結構，至今均沒有出現(xiàn)閥板變形卡死，泄漏率低調節(jié)性能好。由此可見，單片式結構煙風閥門并不是象人們所擔心的變形卡死的主要原因，采用單片式結構，更能使閥門泄漏率低調節(jié)性能好。
5.3水泥余熱發(fā)電新型廢氣切斷閥門—迷宮式金屬密封蝶閥
迷宮式金屬密封蝶閥應用范圍
除篦冷機出風口電動調節(jié)百葉閥外，其他地方都可以使用迷宮式金屬密封蝶閥應用范圍。
迷宮式金屬密封蝶閥的特點和效果
針對目前煙道廢氣閥門存在的問題，我們研究生產了一種泄露率都小于0.5%專門用于水泥余熱發(fā)電煙氣的切斷閥門—迷宮式金屬密封蝶閥。迷宮式金屬密封蝶閥是屬于亞密封蝶閥，制造工藝簡單，啟動力矩小，制造成本低。迷宮式密封環(huán)的凹凸深度10至15mm，凹環(huán)凸環(huán)直接的間隙5-10mm，一般設有3至4凹凸環(huán)，閥門受溫度熱脹冷縮的變形對密封的影響小，該結構的亞密封蝶閥對閥體和閥板的機械強度要求比金屬硬密封蝶閥低，比目前的百葉蝶閥要高，需保證閥板在使用溫度情況下不能變形，因此我們在設計蝶板是采用箱體式框架結構，該結構變形量非常小，剛性好，重量輕，強度高等優(yōu)點，為了提高閥體的機械強度，我們在閥體中間增設加強環(huán)。該結構的密封原理是采用逐步減壓和增加阻力原理，由于水泥窯純低溫余熱發(fā)電項目中煙氣壓力低，因此迷宮式密封結構是可以在該系統(tǒng)中使用能起到良好密封切斷作用，泄漏率小于0.5%。由于迷宮式密封蝶閥的結構特征，相對于金屬硬密封蝶閥具有降低閥門的制造成本及簡化了加工要求，因此它具有重量輕、價格低、不會因為自身的重量導致管道的變形等優(yōu)點。煙道蝶閥改進為迷宮式密封蝶閥，是提高水泥窯純中低溫余熱發(fā)電設備性能，使提高水泥窯廢氣利用率的最有效方式，同時也是增加成本最少，見效最好的改進方式。從而提高目前的水泥窯純中低溫余熱發(fā)電設備技術得以大幅提高。對于此項煙道切斷設備（迷宮式金屬密封蝶閥），我們已申請國家專利（申請?zhí)枺?00810210689.5）。
6結語
水泥純余熱發(fā)電具有較好的經(jīng)濟效益、社會效益、節(jié)能減排效果，得到廣泛認可、正大力推廣使用，我國余熱發(fā)電技術及工程實踐也日臻完善，廢氣閥門作為余熱發(fā)電系統(tǒng)的重要設備，關乎水泥窯、余熱發(fā)電的正常運行和檢修，通過對該閥門的不斷改進，減少泄露、提高余熱回收效率，進而提高延長閥門的使用壽命、運行的可靠性，對于提高我國純低溫余熱發(fā)電技術及裝備水平具有很大的意義，同時也為廣大業(yè)主節(jié)約了生產成本。
基金項目：國家高技術研究發(fā)展計劃（2007AA05Z251）
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