中低温余热回收及能量梯级利用技术阀门部分总结-技术研讨
发布时间：07-23
作者：彭岩1 陈秀林2 陈金环2 单位:1中信重工机械股份有限公司 2瑞安市阀门一厂 [2009-4-8]
关键字:余热发电-阀门
摘要:本文通过对水泥窑余热发电用废气阀门常见问题的分析探讨，结合阀门制造技术，提出了改进意见，并通过工程实践得到验证，取得了余热发电关键设备技术的重大突破，对余热发电项目的建设和运行有重要的参考价值和指导意义。
随着我国新型干法水泥窑纯低温余热发电技术的日益成熟，众多余热发电项目陆续投产，如何增强设备可靠性，提高余热发电运转率，进而提高余热回收效率，已成为业内关注焦点。废气阀门作为纯低温余热发电与水泥生产线连接的关键辅机设备，直接关系到水泥窑的稳定运行、废气的充分利用和整个系统运行效率和可靠性。本文作者结合多年工程实践和阀门制造情况，探讨废气阀门对提高纯低温余热发电废气利用和运行效率的影响。
我们承担的国家863课题2007AA05Z251，产学研结合专门研究中低温余热回收及能量梯级利用技术。我们针对余热发电的共性技术和关键设备技术，进行了系统分析研究，从而指导工程实践，取得了余热发电理论和关键设备技术的重大突破。本文为该课题的初步研究成果。
2 水泥窑余热发电常用废气阀门
2.1一般情况下，一条水泥线余热发电需增设七个废气阀门，即SP锅炉进口烟道阀01、出口烟道阀02、SP锅炉的旁路阀03,如图1所示； AQC炉的进口风道阀04、出口风道阀05、AQC锅炉的旁路阀06、沉降室的冷风阀07，如图2所示。
另外也有在篦冷机前端增加一个开口，同样设置一台电动调节百叶阀08（本文称作过热器炉的进口风道阀门，如图2所示），抽取500~800℃高温段烟气，通过过热器进沉降室，而提高烟气温度，提高窑头烟气的利用率。
一般情况下SP锅炉的进口风道阀门01、SP出口风道阀门02、SP锅炉旁路阀03的烟气温度在330℃左右，400℃以下，波动较小、粉尘磨损也较弱，阀门运行故障少。同理AQC炉的出口风道阀门05、沉降室的冷风阀07受温度、磨损影响也较少。
影响余热发电稳定运行、故障率较高的是AQC炉的进口风道阀门04、AQC锅炉的旁路阀06、过热器炉的进口风道阀门08。
AQC炉的进口风道阀门04设在篦冷机出风口与沉降室之间，也可设在沉降室出口与AQC炉之间，常用电动调节百叶阀（本文统称AQC炉的进口风道阀门），作为调节篦冷机出风口烟气量，该阀门是确保水泥熟料线和AQC锅炉正常运行的关键。余热发电一般在篦冷机中部靠前抽风。气体介质含有不大于30mg/Nm3的熟料颗粒，速度8—15m/s，温度在正常300~400℃，最高时达到500℃以上，腐蚀性大。
AQC锅炉的旁路阀06设在篦冷机后部出口与电收尘之间，气体介质含有不大于30mg/Nm3的熟料颗粒，速度8—15m/s，温度在正常200--500℃左右，最高时达到800℃以上，腐蚀性大。
过热器炉的进口风道阀门08设在篦冷机前部出风口与过热器炉之间，常用电动调节百叶阀来调节篦冷机抽出的高温烟气量，该阀门直接影响水泥窑三次风和过热器锅炉正常运行。气体介质含有不大于30mg/Nm3的熟料颗粒，速度8—15m/s，温度在正常500℃左右，最高时达到800℃以上，腐蚀性大。
2.2烟道阀原则上由窑操控制。启停操作方式：任何情况下开SP锅炉时，首先打开SP锅炉的进出口风道阀门，然后再逐步关小SP锅炉的旁路阀；同理开AQC炉时，首先打开AQC锅炉的进出口风道阀门，然后再逐步关小AQC锅炉的旁路阀。停止SP锅炉时，首先打开SP锅炉旁路阀门，然后再逐步关小SP锅炉的进出口烟道阀门；同理停止AQC锅炉时，首先打开AQC锅炉旁路阀门，然后再逐步关小AQC锅炉的进出口烟道阀门。确保不影响水泥窑的通风、正常运行。 沉降室增加冷风阀，适时调整进口风温；
3 存在问题
3.1 AQC炉的进口风道阀门、AQC锅炉的旁路阀、过热器炉的进口风道阀门统称篦冷机出风口阀门，AQC炉的进口风道阀门、AQC锅炉的旁路阀用调节百叶阀阀门材质一般选用阀体碳钢，阀板碳钢或一般不锈钢，轴2Cr13。过热器炉的进口风道阀门用调节百叶阀阀门材质一般采用阀体碳钢、阀板不锈钢，轴2Cr13。水泥窑运行经常要根据三次风温度或熟料产量，来调节燃煤、调整篦床的走料厚度、篦床的速度，因而篦冷机的操作不是固定不变的，操作过程中极易出现料层太薄、料层阻力变小、冷却风量增加、出现飞砂现象，由于飞砂都是熟料颗粒和粉尘，硬度高且烟气有一定的腐蚀性，调节阀门的的阀板在高温下作用下，碳钢中的渗碳体由于获得能量将发生迁移和聚集，形成晶粒粗大的渗碳体并夹杂于铁素体中，其渗碳体会从片状逐渐转变成球状，出现球化。由于石墨强度极低，并以片状出现，使材料强度大大降低，脆性增加，加速材料石墨化。碳钢长期工作在425℃以上环境下，就会发生石墨化，在大于475℃更明显。在高温下受外力作用时，随着时间的延长，材料产生蠕变, 温度升高或应力增大，蠕变速度加快。例如，碳素钢工作温度超过300～350℃，合金钢工作温度超过300～400℃就会有蠕变。蠕变严重会产生大量变形导致结构断裂。碳钢当它处于570℃的空气中时，会产生FeO+Fe304+ Fe203氧化皮，该氧化皮很容易脱落而使金属减薄。达到某一温度后，钢材受温度影响较大，温度升高，钢材强度降低，机械性能迅速降低，采用碳钢阀板多则十个月少则三个月就磨损完了，即使采用不锈钢阀板，若不在表面做特殊的处理，在几个月的时间内，阀板也会被磨损掉，失去了调节作用，严重影响了熟料线的正常生产。
3.2 AQC锅炉的出口阀存在的问题
目前该阀门都采用百叶阀，泄漏率比较高，当锅炉需要检修而水泥生产线不停的时候，由于阀门的泄漏，还有一部分高温烟气从电收尘器往锅炉进，使得检修人员无法进入锅炉进行检修。在AQC锅炉与电收尘之间的阀门，在电厂正常运行时都是全开的，正常情况下不需要进行调节，只是在锅炉检修时关闭。做为设备是没有不出现故障的时候的，锅炉也是一样的，尤其是水泥余热废气含有大量的粉尘和具有较大的腐蚀性，水泥余热发电锅炉存在的故障率更高。
3.3一般情况下SP锅炉的进出口风道阀门、SP锅炉的旁路阀、AQC炉的出口风道阀门、沉降室的冷风阀故障率较低，但需要经常动动阀轴，避免长时间不动而锈死。
4、改进措施
4.1 AQC炉的进口风道阀门、AQC锅炉的旁路阀、过热器炉的进口风道阀门统称篦冷机出风口阀门，其改进措施：我们在阀板上进行特殊处理，阀板的迎风面打注上具有高温结构强度高、高温蠕变率低、热膨胀小、抗化学侵蚀性强、抗热震等优点的浇注料，阀板不使用钩钉而采用焊高强度龟夹网可以避免因高温而产生热胀冷缩浇注料的剥落。经过处理，浇注料的导热系数为1.8 W/m.k；耐压强度：1100℃×3h≥150 Mpa，1500℃×3h≥120 Mpa；抗折强度：1100℃×3h≥13 Mpa；线变化率：1450℃×2h≤±0.3%；耐磨性：≤6 CC,这样阀板具有较强的抗高温和耐磨特性，可以大大的延长阀板的使用寿命，也节约了投资。该阀门已经在数条5000t/d余热发电上使用，效果显著，深受用户好评。
4.2 AQC炉的出口风道阀门的改进措施
我们把该阀设计为插板阀结构（见下图），在阀体上设有50mm宽的密封面，在插板上设有斜块，同时阀体上对应部位也设有斜块，插板和阀门的通径大100mm作为和阀体密封接触，当插板阀关闭时越关越紧，起到阀门关闭时的密封效果，同时在阀体的外部设置夹紧螺栓作为预备夹紧装置，在插板阀的底部设置吹灰口，当插板阀关闭不严时，打开吹灰口，清理灰尘后再关闭上述插板阀的结构特征，因此它的密封效果非常显著，其泄露率小于0.1%,是目前百叶阀无法比拟的，给锅炉检修带来了方便和安全保证。通过在数条水泥窑余热发电上使用,效果很好。
5 关于废气调节阀门的泄漏
5.1废气调节阀门普遍存在的泄漏问题
目前大部分水泥余热发电项目，都把烟气阀门设计为三轴和五轴百叶阀，该阀门泄漏率均在3~10%之间。由于阀门存在的泄漏导致系统调节精度无法保证，损失了不少余热，影响锅炉检修时时间及检修安全性。
废气调节阀门存在的泄漏的问题归根结底是阀门的结构问题。目前在水泥余热发电烟风阀门上，关于阀门的结构形式，有着不同的说法。采用百叶式主要考虑，阀板三叶或五叶式，受热面积小，不易变形，变形后泄漏量更大，但也不会卡死，还能进行调节，阀板轻力矩比较小，可由于叶片与叶片之间的空隙，长时间受到熟料粉尘的磨损，很快泄漏量逐渐增大；采用单片式主要考虑泄漏率小，调节精度比较好，但由于阀板重量较大，阀门力矩多叶的大。根据工艺的要求如果在阀板不变形的情况下，明显采用单片式优于百叶式。
水泥余热发电由于自身的特点，区别于水泥工艺和火电厂烟风阀门有着很大的差别。在水泥工艺线上，由于低价竞争，加上工艺上对阀门的泄漏要求不是很高，很多厂家生产的阀门，阀体和阀板厚度都在5mm左右，而且泄漏率大。火电厂风阀介质一般是常温干净风，主要用于风量的调节。水泥余热发电烟气温度高，并含有熟料粉尘，速度高负压大，特别是窑尾含尘量达到80mg以上、负压7000Pa，如在余热发电也同样采用此阀门，势必造成阀板变形，出现阀板卡死，流量无法调节。
5.2改进阀门的结构形式降低阀门的泄漏率
除窑头抽气口调节风门外，其他阀门的阀板在考虑机械性能、热胀量、热交变和重力等因素的影响，采用16Mn钢板（根据具体温度而定）制作单片式阀板，阀板采用箱式结构，且厚度在12mm以上，设置合理的加强筋，具有机械强度高，受热不易变形的特点。我们在数十个余热发电项目上采用单片式结构，至今均没有出现阀板变形卡死，泄漏率低调节性能好。由此可见，单片式结构烟风阀门并不是象人们所担心的变形卡死的主要原因，采用单片式结构，更能使阀门泄漏率低调节性能好。
5.3水泥余热发电新型废气切断阀门—迷宫式金属密封蝶阀
迷宫式金属密封蝶阀应用范围
除篦冷机出风口电动调节百叶阀外，其他地方都可以使用迷宫式金属密封蝶阀应用范围。
迷宫式金属密封蝶阀的特点和效果
针对目前烟道废气阀门存在的问题，我们研究生产了一种泄露率都小于0.5%专门用于水泥余热发电烟气的切断阀门—迷宫式金属密封蝶阀。迷宫式金属密封蝶阀是属于亚密封蝶阀，制造工艺简单，启动力矩小，制造成本低。迷宫式密封环的凹凸深度10至15mm，凹环凸环直接的间隙5-10mm，一般设有3至4凹凸环，阀门受温度热胀冷缩的变形对密封的影响小，该结构的亚密封蝶阀对阀体和阀板的机械强度要求比金属硬密封蝶阀低，比目前的百叶蝶阀要高，需保证阀板在使用温度情况下不能变形，因此我们在设计蝶板是采用箱体式框架结构，该结构变形量非常小，刚性好，重量轻，强度高等优点，为了提高阀体的机械强度，我们在阀体中间增设加强环。该结构的密封原理是采用逐步减压和增加阻力原理，由于水泥窑纯低温余热发电项目中烟气压力低，因此迷宫式密封结构是可以在该系统中使用能起到良好密封切断作用，泄漏率小于0.5%。由于迷宫式密封蝶阀的结构特征，相对于金属硬密封蝶阀具有降低阀门的制造成本及简化了加工要求，因此它具有重量轻、价格低、不会因为自身的重量导致管道的变形等优点。烟道蝶阀改进为迷宫式密封蝶阀，是提高水泥窑纯中低温余热发电设备性能，使提高水泥窑废气利用率的最有效方式，同时也是增加成本最少，见效最好的改进方式。从而提高目前的水泥窑纯中低温余热发电设备技术得以大幅提高。对于此项烟道切断设备（迷宫式金属密封蝶阀），我们已申请国家专利（申请号：200810210689.5）。
6结语
水泥纯余热发电具有较好的经济效益、社会效益、节能减排效果，得到广泛认可、正大力推广使用，我国余热发电技术及工程实践也日臻完善，废气阀门作为余热发电系统的重要设备，关乎水泥窑、余热发电的正常运行和检修，通过对该阀门的不断改进，减少泄露、提高余热回收效率，进而提高延长阀门的使用寿命、运行的可靠性，对于提高我国纯低温余热发电技术及装备水平具有很大的意义，同时也为广大业主节约了生产成本。
基金项目：国家高技术研究发展计划（2007AA05Z251）
上一页:
下一页：
.jpg)
.jpg)
