中低溫余熱回收及能量梯級(jí)利用技術(shù)閥門(mén)部分總結(jié)
2009-04-08 00:00
隨著我國(guó)新型干法水泥窯純低溫余熱發(fā)電技術(shù)的日益成熟，眾多余熱發(fā)電項(xiàng)目陸續(xù)投產(chǎn)，如何增強(qiáng)設(shè)備可靠性，提高余熱發(fā)電運(yùn)轉(zhuǎn)率，進(jìn)而提高余熱回收效率，已成為業(yè)內(nèi)關(guān)注焦點(diǎn)。廢氣閥門(mén)作為純低溫余熱發(fā)電與水泥生產(chǎn)線(xiàn)連接的關(guān)鍵輔機(jī)設(shè)備，直接關(guān)系到水泥窯的穩(wěn)定運(yùn)行、廢氣的充分利用和整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行效率和可靠性。本文作者結(jié)合多年工程實(shí)踐和閥門(mén)制造情況，探討廢氣閥門(mén)對(duì)提高純低溫余熱發(fā)電廢氣利用和運(yùn)行效率的影響。
我們承擔(dān)的國(guó)家863課題2007AA05Z251，產(chǎn)學(xué)研結(jié)合專(zhuān)門(mén)研究中低溫余熱回收及能量梯級(jí)利用技術(shù)。我們針對(duì)余熱發(fā)電的共性技術(shù)和關(guān)鍵設(shè)備技術(shù)，進(jìn)行了系統(tǒng)分析研究，從而指導(dǎo)工程實(shí)踐，取得了余熱發(fā)電理論和關(guān)鍵設(shè)備技術(shù)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(mén)
2.1一般情況下，一條水泥線(xiàn)余熱發(fā)電需增設(shè)七個(gè)廢氣閥門(mén)，即SP鍋爐進(jìn)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(jìn)口風(fēng)道閥04、出口風(fēng)道閥05、AQC鍋爐的旁路閥06、沉降室的冷風(fēng)閥07，如圖2所示。
另外也有在篦冷機(jī)前端增加一個(gè)開(kāi)口，同樣設(shè)置一臺(tái)電動(dòng)調(diào)節(jié)百葉閥08（本文稱(chēng)作過(guò)熱器爐的進(jìn)口風(fēng)道閥門(mén)，如圖2所示），抽取500~800℃高溫段煙氣，通過(guò)過(guò)熱器進(jìn)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(jìn)口風(fēng)道閥門(mén)01、SP出口風(fēng)道閥門(mén)02、SP鍋爐旁路閥03的煙氣溫度在330℃左右，400℃以下，波動(dòng)較小、粉塵磨損也較弱，閥門(mén)運(yùn)行故障少。同理AQC爐的出口風(fēng)道閥門(mén)05、沉降室的冷風(fēng)閥07受溫度、磨損影響也較少。
影響余熱發(fā)電穩(wěn)定運(yùn)行、故障率較高的是AQC爐的進(jìn)口風(fēng)道閥門(mén)04、AQC鍋爐的旁路閥06、過(guò)熱器爐的進(jìn)口風(fēng)道閥門(mén)08。
AQC爐的進(jìn)口風(fēng)道閥門(mén)04設(shè)在篦冷機(jī)出風(fēng)口與沉降室之間，也可設(shè)在沉降室出口與AQC爐之間，常用電動(dòng)調(diào)節(jié)百葉閥（本文統(tǒng)稱(chēng)AQC爐的進(jìn)口風(fēng)道閥門(mén)），作為調(diào)節(jié)篦冷機(jī)出風(fēng)口煙氣量，該閥門(mén)是確保水泥熟料線(xiàn)和AQC鍋爐正常運(yùn)行的關(guān)鍵。余熱發(fā)電一般在篦冷機(jī)中部靠前抽風(fēng)。氣體介質(zhì)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(shí)達(dá)到500℃以上，腐蝕性大。
AQC鍋爐的旁路閥06設(shè)在篦冷機(jī)后部出口與電收塵之間，氣體介質(zhì)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(shí)達(dá)到800℃以上，腐蝕性大。
過(guò)熱器爐的進(jìn)口風(fēng)道閥門(mén)08設(shè)在篦冷機(jī)前部出風(fēng)口與過(guò)熱器爐之間，常用電動(dòng)調(diào)節(jié)百葉閥來(lái)調(diào)節(jié)篦冷機(jī)抽出的高溫?zé)煔饬?，該閥門(mén)直接影響水泥窯三次風(fēng)和過(guò)熱器鍋爐正常運(yùn)行。氣體介質(zhì)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(shí)達(dá)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(kāi)SP鍋爐時(shí)，首先打開(kāi)SP鍋爐的進(jìn)出口風(fēng)道閥門(mén)，然后再逐步關(guān)小SP鍋爐的旁路閥；同理開(kāi)AQC爐時(shí)，首先打開(kāi)AQC鍋爐的進(jìn)出口風(fēng)道閥門(mén)，然后再逐步關(guān)小AQC鍋爐的旁路閥。停止SP鍋爐時(shí)，首先打開(kāi)SP鍋爐旁路閥門(mén)，然后再逐步關(guān)小SP鍋爐的進(jìn)出口煙道閥門(mén)；同理停止AQC鍋爐時(shí)，首先打開(kāi)AQC鍋爐旁路閥門(mén)，然后再逐步關(guān)小AQC鍋爐的進(jìn)出口煙道閥門(mén)。確保不影響水泥窯的通風(fēng)、正常運(yùn)行。 沉降室增加冷風(fēng)閥，適時(shí)調(diào)整進(jìn)口風(fēng)溫；
3 存在問(wèn)題
3.1 AQC爐的進(jìn)口風(fēng)道閥門(mén)、AQC鍋爐的旁路閥、過(guò)熱器爐的進(jìn)口風(fēng)道閥門(mén)統(tǒng)稱(chēng)篦冷機(jī)出風(fēng)口閥門(mén)，AQC爐的進(jìn)口風(fēng)道閥門(mén)、AQC鍋爐的旁路閥用調(diào)節(jié)百葉閥閥門(mén)材質(zhì)一般選用閥體碳鋼，閥板碳鋼或一般不銹鋼，軸2Cr13。過(guò)熱器爐的進(jìn)口風(fēng)道閥門(mén)用調(diào)節(jié)百葉閥閥門(mén)材質(zhì)一般采用閥體碳鋼、閥板不銹鋼，軸2Cr13。水泥窯運(yùn)行經(jīng)常要根據(jù)三次風(fēng)溫度或熟料產(chǎn)量，來(lái)調(diào)節(jié)燃煤、調(diào)整篦床的走料厚度、篦床的速度，因而篦冷機(jī)的操作不是固定不變的，操作過(guò)程中極易出現(xiàn)料層太薄、料層阻力變小、冷卻風(fēng)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(diào)節(jié)閥門(mén)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(huì)從片狀逐漸轉(zhuǎn)變成球狀，出現(xiàn)球化。由于石墨強(qiáng)度極低，并以片狀出現(xiàn)，使材料強(qiáng)度大大降低，脆性增加，加速材料石墨化。碳鋼長(zhǎng)期工作在425℃以上環(huán)境下，就會(huì)發(fā)生石墨化，在大于475℃更明顯。在高溫下受外力作用時(shí)，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，材料產(chǎn)生蠕變, 溫度升高或應(yīng)力增大，蠕變速度加快。例如，碳素鋼工作溫度超過(guò)300～350℃，合金鋼工作溫度超過(guò)300～400℃就會(huì)有蠕變。蠕變嚴(yán)重會(huì)產(chǎn)生大量變形導(dǎo)致結(jié)構(gòu)斷裂。碳鋼當(dāng)它處于570℃的空氣中時(shí)，會(huì)產(chǎn)生FeO+Fe304+ Fe203氧化皮，該氧化皮很容易脫落而使金屬減薄。達(dá)到某一溫度后，鋼材受溫度影響較大，溫度升高，鋼材強(qiáng)度降低，機(jī)械性能迅速降低，采用碳鋼閥板多則十個(gè)月少則三個(gè)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(gè)月的時(shí)間內(nèi)，閥板也會(huì)被磨損掉，失去了調(diào)節(jié)作用，嚴(yán)重影響了熟料線(xiàn)的正常生產(chǎn)。
3.2 AQC鍋爐的出口閥存在的問(wèn)題
目前該閥門(mén)都采用百葉閥，泄漏率比較高，當(dāng)鍋爐需要檢修而水泥生產(chǎn)線(xiàn)不停的時(shí)候，由于閥門(mén)的泄漏，還有一部分高溫?zé)煔鈴碾娛諌m器往鍋爐進(jìn)，使得檢修人員無(wú)法進(jìn)入鍋爐進(jìn)行檢修。在AQC鍋爐與電收塵之間的閥門(mén)，在電廠正常運(yùn)行時(shí)都是全開(kāi)的，正常情況下不需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，只是在鍋爐檢修時(shí)關(guān)閉。做為設(shè)備是沒(méi)有不出現(xiàn)故障的時(shí)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(jìn)出口風(fēng)道閥門(mén)、SP鍋爐的旁路閥、AQC爐的出口風(fēng)道閥門(mén)、沉降室的冷風(fēng)閥故障率較低，但需要經(jīng)常動(dòng)動(dòng)閥軸，避免長(zhǎng)時(shí)間不動(dòng)而銹死。
4、改進(jìn)措施
4.1 AQC爐的進(jìn)口風(fēng)道閥門(mén)、AQC鍋爐的旁路閥、過(guò)熱器爐的進(jìn)口風(fēng)道閥門(mén)統(tǒng)稱(chēng)篦冷機(jī)出風(fēng)口閥門(mén)，其改進(jìn)措施：我們?cè)陂y板上進(jìn)行特殊處理，閥板的迎風(fēng)面打注上具有高溫結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、高溫蠕變率低、熱膨脹小、抗化學(xué)侵蝕性強(qiáng)、抗熱震等優(yōu)點(diǎn)的澆注料，閥板不使用鉤釘而采用焊高強(qiáng)度龜夾網(wǎng)可以避免因高溫而產(chǎn)生熱脹冷縮澆注料的剝落。經(jīng)過(guò)處理，澆注料的導(dǎo)熱系數(shù)為1.8 W/m.k；耐壓強(qiáng)度：1100℃×3h≥150 Mpa，1500℃×3h≥120 Mpa；抗折強(qiáng)度：1100℃×3h≥13 Mpa；線(xiàn)變化率：1450℃×2h≤±0.3%；耐磨性：≤6 CC,這樣閥板具有較強(qiáng)的抗高溫和耐磨特性，可以大大的延長(zhǎng)閥板的使用壽命，也節(jié)約了投資。該閥門(mén)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(hù)好評(píng)。
4.2 AQC爐的出口風(fēng)道閥門(mén)的改進(jìn)措施
我們把該閥設(shè)計(jì)為插板閥結(jié)構(gòu)（見(jiàn)下圖），在閥體上設(shè)有50mm寬的密封面，在插板上設(shè)有斜塊，同時(shí)閥體上對(duì)應(yīng)部位也設(shè)有斜塊，插板和閥門(mén)的通徑大100mm作為和閥體密封接觸，當(dāng)插板閥關(guān)閉時(shí)越關(guān)越緊，起到閥門(mén)關(guān)閉時(shí)的密封效果，同時(shí)在閥體的外部設(shè)置夾緊螺栓作為預(yù)備夾緊裝置，在插板閥的底部設(shè)置吹灰口，當(dāng)插板閥關(guān)閉不嚴(yán)時(shí)，打開(kāi)吹灰口，清理灰塵后再關(guān)閉上述插板閥的結(jié)構(gòu)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(wú)法比擬的，給鍋爐檢修帶來(lái)了方便和安全保證。通過(guò)在數(shù)條水泥窯余熱發(fā)電上使用,效果很好。
5 關(guān)于廢氣調(diào)節(jié)閥門(mén)的泄漏
5.1廢氣調(diào)節(jié)閥門(mén)普遍存在的泄漏問(wèn)題
目前大部分水泥余熱發(fā)電項(xiàng)目，都把煙氣閥門(mén)設(shè)計(jì)為三軸和五軸百葉閥，該閥門(mén)泄漏率均在3~10%之間。由于閥門(mén)存在的泄漏導(dǎo)致系統(tǒng)調(diào)節(jié)精度無(wú)法保證，損失了不少余熱，影響鍋爐檢修時(shí)時(shí)間及檢修安全性。
廢氣調(diào)節(jié)閥門(mén)存在的泄漏的問(wèn)題歸根結(jié)底是閥門(mén)的結(jié)構(gòu)問(wèn)題。目前在水泥余熱發(fā)電煙風(fēng)閥門(mén)上，關(guān)于閥門(mén)的結(jié)構(gòu)形式，有著不同的說(shuō)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(huì)卡死，還能進(jìn)行調(diào)節(jié)，閥板輕力矩比較小，可由于葉片與葉片之間的空隙，長(zhǎng)時(shí)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(diào)節(jié)精度比較好，但由于閥板重量較大，閥門(mén)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(diǎn)，區(qū)別于水泥工藝和火電廠煙風(fēng)閥門(mén)有著很大的差別。在水泥工藝線(xiàn)上，由于低價(jià)競(jìng)爭(zhēng)，加上工藝上對(duì)閥門(mén)的泄漏要求不是很高，很多廠家生產(chǎn)的閥門(mén)，閥體和閥板厚度都在5mm左右，而且泄漏率大。火電廠風(fēng)閥介質(zhì)一般是常溫干凈風(fēng)，主要用于風(fēng)量的調(diào)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(fù)壓大，特別是窯尾含塵量達(dá)到80mg以上、負(fù)壓7000Pa，如在余熱發(fā)電也同樣采用此閥門(mén)，勢(shì)必造成閥板變形，出現(xiàn)閥板卡死，流量無(wú)法調(diào)節(jié)。
5.2改進(jìn)閥門(mén)的結(jié)構(gòu)形式降低閥門(mén)的泄漏率
除窯頭抽氣口調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)外，其他閥門(mén)的閥板在考慮機(jī)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(jié)構(gòu)，且厚度在12mm以上，設(shè)置合理的加強(qiáng)筋，具有機(jī)械強(qiáng)度高，受熱不易變形的特點(diǎn)。我們?cè)跀?shù)十個(gè)余熱發(fā)電項(xiàng)目上采用單片式結(jié)構(gòu)，至今均沒(méi)有出現(xiàn)閥板變形卡死，泄漏率低調(diào)節(jié)性能好。由此可見(jiàn)，單片式結(jié)構(gòu)煙風(fēng)閥門(mén)并不是象人們所擔(dān)心的變形卡死的主要原因，采用單片式結(jié)構(gòu)，更能使閥門(mén)泄漏率低調(diào)節(jié)性能好。
5.3水泥余熱發(fā)電新型廢氣切斷閥門(mén)—迷宮式金屬密封蝶閥
迷宮式金屬密封蝶閥應(yīng)用范圍
除篦冷機(jī)出風(fēng)口電動(dòng)調(diào)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(yīng)用范圍。
迷宮式金屬密封蝶閥的特點(diǎn)和效果
針對(duì)目前煙道廢氣閥門(mén)存在的問(wèn)題，我們研究生產(chǎn)了一種泄露率都小于0.5%專(zhuān)門(mén)用于水泥余熱發(fā)電煙氣的切斷閥門(mén)—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(jiǎn)單，啟動(dòng)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(shè)有3至4凹凸環(huán)，閥門(mén)受溫度熱脹冷縮的變形對(duì)密封的影響小，該結(jié)構(gòu)的亞密封蝶閥對(duì)閥體和閥板的機(jī)械強(qiáng)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?cè)谠O(shè)計(jì)蝶板是采用箱體式框架結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)變形量非常小，剛性好，重量輕，強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，為了提高閥體的機(jī)械強(qiáng)度，我們?cè)陂y體中間增設(shè)加強(qiáng)環(huán)。該結(jié)構(gòu)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(xiàng)目中煙氣壓力低，因此迷宮式密封結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)特征，相對(duì)于金屬硬密封蝶閥具有降低閥門(mén)的制造成本及簡(jiǎn)化了加工要求，因此它具有重量輕、價(jià)格低、不會(huì)因?yàn)樽陨淼闹亓繉?dǎo)致管道的變形等優(yōu)點(diǎn)。煙道蝶閥改進(jìn)為迷宮式密封蝶閥，是提高水泥窯純中低溫余熱發(fā)電設(shè)備性能，使提高水泥窯廢氣利用率的最有效方式，同時(shí)也是增加成本最少，見(jiàn)效最好的改進(jìn)方式。從而提高目前的水泥窯純中低溫余熱發(fā)電設(shè)備技術(shù)得以大幅提高。對(duì)于此項(xiàng)煙道切斷設(shè)備（迷宮式金屬密封蝶閥），我們已申請(qǐng)國(guó)家專(zhuān)利（申請(qǐng)?zhí)枺?00810210689.5）。
6結(jié)語(yǔ)
水泥純余熱發(fā)電具有較好的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益、節(jié)能減排效果，得到廣泛認(rèn)可、正大力推廣使用，我國(guó)余熱發(fā)電技術(shù)及工程實(shí)踐也日臻完善，廢氣閥門(mén)作為余熱發(fā)電系統(tǒng)的重要設(shè)備，關(guān)乎水泥窯、余熱發(fā)電的正常運(yùn)行和檢修，通過(guò)對(duì)該閥門(mén)的不斷改進(jìn)，減少泄露、提高余熱回收效率，進(jìn)而提高延長(zhǎng)閥門(mén)的使用壽命、運(yùn)行的可靠性，對(duì)于提高我國(guó)純低溫余熱發(fā)電技術(shù)及裝備水平具有很大的意義，同時(shí)也為廣大業(yè)主節(jié)約了生產(chǎn)成本。
基金項(xiàng)目：國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（2007AA05Z251）
編輯：
監(jiān)督：0571-85871667
投稿：news@ccement.com
本文內(nèi)容為作者個(gè)人觀點(diǎn)，不代表水泥網(wǎng)立場(chǎng)。聯(lián)系電話(huà)：0571-85871513，郵箱：news@ccement.com。
