燒結余熱發電高溫煙氣閥門設計①

摘 要：燒結工序的能耗指標與先進國家相比差距較大，每噸燒結礦的平均能耗要高20千克標準煤，節能潛力很大。燒結工序的能耗約占冶金總能耗的10%～12%。而其排放的余熱約占總能耗熱能的49%。在燒結礦生產過程中，特別是燒結礦由鼓風式環冷機冷卻過程中會排出大量溫度為250～400℃的低溫煙氣，其熱能量大約為燒結礦熱耗量的30％左右。實現能源梯級利用的高效性和經濟性角度分析，余熱發電是最為有效的余熱利用途徑，平均每噸燒結礦產生的煙氣余熱回收可發電20千瓦時，折合噸鋼綜合能耗可降低8千克標準煤。余熱發電煙氣閥門燒結余熱發電重要的輔機設備，直接影響燒結和余熱電站運行穩定、廢氣的充分利用以及整個系統運行效率和可靠性，做好高溫煙氣閥門對燒結余熱發電具有重要意義。

關鍵詞：燒結余熱發電 高溫煙氣閥門設計原則設計方案迷宮式金屬密封蝶閥

中圖分類號：TD464文獻標識碼：A文章編號：1674-098X(2011)01(b)-0049-02

1 燒結余熱發電煙氣特性

燒結余熱回收主要有兩部分：一是燒結機尾部廢氣余熱，二是熱燒結礦在冷卻機前段空冷時產生的廢氣余熱。這兩部分廢氣所含熱量約占燒結總能耗的50%，充分利用這部分熱量是提高燒結能源利用效率，顯著降低燒結工序能耗的途徑之一。

燒結機煙氣特性:1)煙氣量大。一般1噸燒結礦大約產生4000～6000m3煙氣。2)含二氧化硫排放濃度大。3)含塵濃度大。煙塵中主要以鐵及其化合物為主，還含有鈣、硅等，有時使用不同的原料，還可能含有微量重金屬元素。4)煙氣溫度變化大。隨燒結工礦的變化，煙氣溫度一般在85℃～180℃。5)含濕量大，煙氣含水量一般在10％左右。煙氣中含塵濃度一般大于200mg/m3，鐵礦石燒結熟料，粒徑大多在100μm，部分粒徑大于0.5mm的顆粒。且粉塵琢磨性較強，燒結煙氣中含有的鐵化合物，產生結垢現象。現在利用的燒結煙氣溫度包含環冷機的鼓風煙氣，高溫煙氣能達到400℃左右。

2 燒結余熱發電煙氣閥門設計原則

(1)根據不同的工況區別設計，以滿足使用要求，保證系統正常運行。燒結余熱發電煙氣閥門在不同使用位置的煙氣參數是不一樣的，煙氣的溫度、腐蝕性決定閥門的結構、材料選擇有著很大的區別。高要求的閥門用于低參數的地方，增加了工程成本，低要求的閥門用在高參數的地方，給工程埋下事故的隱患。

(2)閥門結構合理，便于維護。在滿足工況使用條件下把閥門設計復雜化，不但增加故障點，而且還提高閥門的生產成本。

(3)閥門設計考慮使用中可預見性的問題。閥門在使用中一些可能出現的問題，在閥門設計中加以消化、克服，避免使用運行出現的因閥門問題影響整個系統的正常運行，提高系統的運行效率。

3 燒結余熱發電煙氣閥門設計方案

煙氣閥門主要用于煙氣的切斷或調節介質，應充分重點考慮一下幾個方面。

3.1 設計應充分考慮煙氣溫度與閥門的材料

運行的瞬間高溫對閥門的影響很大，要確保不會產生塑性變形。高溫煙氣閥門的結構及閥內件有很大的差異，如導向間隙、閥板轉動間隙軸承方式等。除了從設計制造方面控制外，還要針對高溫條件下的各種物理性能、機械性能發生變化，分析材料的機械性熱脹冷縮、材質在高溫情況下的不同變形等對閥門使用性能的影響。特別是大口徑閥門，工況條件影響閥門的變形因素較多且變形量不易控制，所以應考慮環境因素的影響。

3.2 設計應充分考慮煙氣的粉塵對閥門的影響

粉塵對閥門的使用影響是非常大，粉塵容易進入閥軸和滑動軸承之間，使之卡死閥軸，導致閥門不能正常啟閉影響系統的正常運行。外置式軸承不但可以避免粉塵侵入，而且可以減少高溫煙氣對軸承的傳熱。閥門底部設計清灰口，閥門積灰嚴重采取清灰，保護執行機構產生過力矩或燒壞電機。特別是煙氣中含塵濃度一般大于200mg/m3，且粉塵琢磨性較強，燒結煙氣中含有的鐵化合物，如沒有階段性的清理會加速粉塵在閥板與閥體上結垢，導致閥門不能正常啟閉。

3.3 設計應充分考慮閥門的機械強度和結構形式

閥門受熱變形和管道應力拉伸變形是大口徑閥門存在的普遍問題，閥板采用采用鋼板焊接，當溫度短時出現超過設計范圍時，閥板容易出現變形，泄漏率增大，無法修復。閥板應采用箱式結構，具有較高的機械性能，確保閥門的正常使用。

閥軸端結構采用具有隔熱和密封效果優良的外置式支撐結構，可實現閥門二軸端先密封后支撐，便于調節的功能，不會產生軸端卡阻。

3.4 設計應充分考慮閥門與執行器的連接形式

電動執行器對環境溫度有著嚴格的要求，超過一定的溫度范圍電動執行器就容易產生故障。影響執行器環境溫度因素有閥軸的熱傳遞、管道的熱輻射、空氣的環境溫度，采用曲柄連桿機構，加長閥軸長度，加裝隔熱套，能有效克服閥軸的高溫和管道的熱輻射對傳動裝置的影響，也方便檢修。閥軸與電動執行器直連，形成了閥軸與電動執行器連接部分“熱橋”效應，電動執行器主板受熱燒壞，其他元器件也受到很大影響，使之不能正常運行。

4 迷宮式金屬密封蝶閥在燒結余熱發電的應用

中低溫余熱利用，關鍵在于工藝和設備允許范圍內充分利用余熱，并使設備的使用效率最高，余熱發電最大化。煙氣量和品質除了和系統、取氣點有很大的關系外，各個連接點密封性能好壞也有一定的影響，閥門在整個系統中起著關鍵作用，閥門密封性能的好壞直接影響到系統的正常運行。

環冷煙囪閥和鍋爐進口閥是系統重中之重，最早這兩個閥門設計一個翻板閥，余熱發電運行時，閥板切斷通往煙囪的煙氣，余熱發電停機時，切斷往鍋爐的煙氣。由于閥板閥的容易變形密封效果很差，泄漏率高，效果不理想。

后來，改用用兩個通風蝶閥，通風蝶閥閥板與閥體之間留有一定的間隙，間隙小了運行時容易卡死，間隙大了，泄漏率增大。

最后有很多設計把通風蝶閥換成三偏心金屬硬密封蝶閥。三偏心金屬硬密封蝶閥主要用于石油、化工、冶金、水電等領域中作為一種用來實現管路系統通斷及流量控制。三偏心結構的原理，閥板的密封面與閥座之間的密封是靠傳動裝置的力矩使閥板壓向閥座。正流狀態時，介質壓力越高密封擠壓越緊。當流道介質逆流時隨著介質壓力的增大閥板與閥座之間的單位正壓力小于介質壓強時，密封開始泄漏。當介質是高溫含塵煙氣時，首先壓力低，一般都小于0.1MPa，談不上介質壓力越高密封擠壓越緊;其次，當粉塵粘結在密封面時，閥門產生泄漏，閥門啟閉時破壞密封面，密封面很難修復;其三，當瞬間溫度超過一定范圍，閥板變形，變形后煙氣泄漏更大，且檢修困難。由于閥板的間隙，閥內壓力與外界常溫空氣壓力不一致時，就必然存在漏風。一種是熱煙氣漏出系統，一種是常溫空氣順著間隙進入。這兩種漏風都會降低余熱回收效率，由于煙道排煙溫度遠高于常溫空氣溫度，所以常溫空氣漏入系統的危害更大。據某條線測試，煙囪前段和煙囪后段煙氣相差五十多度。由于利用環冷機煙氣本來溫度就不高，進鍋爐的煙氣降了50度，發電量達不到設計要求。

三偏心金屬硬密封蝶閥生產加工復雜，重量大，成本高。雖然使用效果優于翻板閥和通風蝶閥，但還是有它存在的缺點。我們針對目前燒結余熱發電所用的大口徑閥門的現狀，設計生產了迷宮式金屬密封蝶閥，并獲得了國家發明專利(專利號：ZL2008 2 0180105.X)。

迷宮式金屬密封蝶閥技術利用逐步減壓和增加阻力的密封原理，在閥體和閥門密封位置相對設置迷宮式金屬密封環，密封環的材質為不銹鋼，凹凸深度為5～10mm，凹環與凸環之間距離5～10mm，設有3～4道凹凸環，具有良好的密封效果，泄漏率小于0.5%，是解決余熱發電煙氣閥門泄漏率大最有效的途徑。特別是環冷煙囪閥門泄漏大，降低煙氣的品質，造成余熱爐出力不足，降低了發電量。

迷宮式金屬密封蝶閥具有結構簡單、重量輕、密封性能好、成本低、不會導致管道變形等優點，同時迷宮式金屬密封蝶閥采用外置式自潤滑軸承，迷宮式密封系統長期使用不磨損，所積留在迷宮里的粉塵易清理，更便于日后維護，閥門底部設有吹灰口，可以清理積聚在閥門底部的粉塵，使閥門正常啟閉。迷宮式金屬密封蝶閥充分考慮的工藝上的具體要求，針對工況介質特性進行設計，是三偏心金屬硬密封蝶閥無法比擬的，價格相當于三偏心金屬硬密封蝶閥的三分之二，更適合于燒結余熱發電高溫煙氣上使用。

5 結語

燒結余熱發電是我國新興的余熱發電項目，增強余熱發電系統設備可靠性對于提高余熱發電運轉率和余熱回收效率至關重要，也是設計者和業主所共同關注的問題。迷宮式金屬密封蝶閥降低了余熱發電的建設成本，保證了余熱發電系統運行效率和可靠性，企業提高余熱發電效益，為鋼鐵企業在日益激烈的市場競爭中進一步降低生產成本、實現節能降耗發揮積極作用。