余熱發(fā)電高溫煙道閥設計選型
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關健詞：鐵合金行業(yè) 余熱發(fā)電高溫煙氣閥煙道蝶閥 高溫煙道閥門
5月5日剛剛發(fā)布的《*關于進一步加大工作力度確保實現“十一五”節(jié)能減排目標的通知》要求中指出，要實現“十一五”單位國內生產總值能耗降低20%左右的目標。加快實施節(jié)能減排重點工程，支持重點節(jié)能工程建設、循環(huán)經濟發(fā)展、淘汰落后產能、城鎮(zhèn)污水垃圾處理、重點流域水污染治理，以及節(jié)能環(huán)保能力建設等，形成年節(jié)能能力8000萬噸標準煤。溫總理說，要確保實現“十一五”節(jié)能減排目標。我們國家是世界上鐵合金生產大國，同時也是能源非常緊缺的國家。企業(yè)間的競爭也是日益激烈，節(jié)能減排和科技創(chuàng)新是企業(yè)能夠發(fā)展的一個重要途徑。鐵合金行業(yè)是耗能大戶，因此利用余熱發(fā)電則是節(jié)能減排的zui有效辦法。我公司作為早致力于水泥余熱發(fā)電煙道閥門產品研發(fā)、制造、銷售為一體的專業(yè)化企業(yè)，在這幾年來成功為水泥、化工、鋼鐵、玻璃等行業(yè)近百條生產線余熱發(fā)電提供的高溫煙氣閥門，為節(jié)能減排做出了貢獻。鐵合金余熱發(fā)電是我國新興的余熱發(fā)電項目，增強余熱發(fā)電系統(tǒng)設備可靠性對于提高余熱發(fā)電運轉率和余熱回收效率至關重要，也是設計者和業(yè)主所共同關注的問題。高溫煙道廢氣閥門作為余熱發(fā)電與生產線連接的關鍵輔機設備之一，直接關系到整個余熱發(fā)電系統(tǒng)運行效率和可靠性，也是企業(yè)提高余熱發(fā)電效益，降低生產成本的有效措施。
下面我從鐵合金余熱電項目中使用的高溫煙道閥門的工況特性等角度介紹,提供給大家作為煙氣閥門的選型、設計制造、安裝使用參考。
一、余熱電站高溫煙道閥門工況
二、硅鐵爐煙氣中粉塵的化學成分
| 粉塵種類 | CaO | C | SiO2 | Fe2O3 | Al2O3 | Mg0 | 其它 |
| 百分比（%） | 2.0 | 3.5 | 82 | 2 | 1.5 | 0.91 | 8.09 |
從上表可以看出硅鐵爐煙氣中粉塵的化學成分75%是硅鐵。
硅鐵爐煙氣中粉塵的粒徑分布
| 粒徑μm | 0～0.1 | 0.1～0.5 | 0..5～10 | 1～10 | >10 |
| 百分比% | 11.3 | 61.5 | 14.2 | 8.6 | 2.3 |
從上表可以看出煙塵中的灰塵屬飛灰，粒度較小，煙塵粒度（小于2μm 77%；2-5μm 18%； 5-10μm 3% ；大于10μm 2%）。煙氣灰塵含量8—20 g/m3。
硅鐵爐煙氣中粉塵的化學成分75%是硅鐵，硅系鐵合金冶煉煙氣中主要粉體成分是二氧化硅微粉。而微硅粉屬于水硬性粉塵，一接觸水份便會發(fā)生化學變化形成硅酸鹽，產生硬化、結塊、膨脹等現象。同時粉塵特別細，平均料徑在0.1—0.2um之間，吸附力特別強。鐵合金礦熱爐煙氣在礦石和焦碳在電爐中冶煉時形成。它的溫度隨加料出料工藝存在波動，一般在300—700℃范圍。
二、高溫煙道閥門的設計選型
根據鐵合金煙氣的工況條件，一般閥門容易產生卡死熱變形、閥門閥板和管壁粉塵粘結及管道灰堵，導致閥門不能正常啟閉，影響系統(tǒng)的正常運行。因此，我們針對鐵合金發(fā)電的特點進行設計煙氣閥門。
煙道蝶閥主要用于煙氣的切斷或調節(jié)介質目的，當該閥作為調節(jié)使用的煙道蝶閥在選型時應該滿足一下條件；從蝶閥的結構特點可知：在開啟角小于10°時，由于閥板由一定厚度，其流通截面的變化幾乎等于零；開啟角大于70°時，由于閥的轂部（即軸和軸套）由一定厚度，其相對流量的變化很小，已起不到多少調節(jié)的作用了；在開啟角達到73°時，其旋轉的作用力矩達到zui大值，甚至使閥顫動而不能穩(wěn)定，所以，一般都以25°~70°作為蝶閥的有效工作范圍。在確定閥徑的計算中，常選用蝶閥的zui大流量開度為60°這是因為蝶閥的特性在60°以內是近似等百分比特性，超過60°，特性就改變了。為了使用這一段等百分比工作特性，推薦取zui大流量時蝶閥開啟角度為60°，但是，為充分利用閥的流通能力，也可以選70°zui為zui大開啟角，這樣在設備選用上比較經濟。
同時在選型應該考慮zui小的流量不能小于20°~25°，這樣這樣選取閥徑可以保留一定的工況生產的需要，以滿足生產發(fā)展的需要。
在考慮閥門的使用溫度時，應該要充分考慮瞬間的溫度對閥門的閥門材質的影響，同時要充分考慮瞬間的具體時間概念，在條件允許的情況下應該要高于使用溫度150°作為對閥門的使用溫度要求。確保閥門在高溫情況下的塑性變形不會對閥門的影響。
蝶閥計算當量截面法，（當量截面法的計算公式）
在一定條件（壓力、溫度、密度和壓降）之下，流過閥門的流量與閥的開啟截面積成正比。如算出在zui大流量下，閥可能的zui大開啟截面，就可求得應選的閥徑。這個方法稱為：“當量截面法”。
當量截面法的實用流量公式從閥徑計算的基本公式推導而得。又
（1）
D的單位由（m）換成（cm），的單位由（）換成（）
則得
（） （2）
式中 ——容積流量
——流束膨脹系數
——蝶閥閥板直徑，
——閥兩端的壓降，
——介質密度，
系數——
變換公式（2）可得
（3）
式中叫做閥板直徑為D的蝶閥在一起開啟下“當量截面”其中為流量系數，m為相對流通截面，求的值，在一定開啟角下，就可決定需用的閥徑D。
煙道蝶閥的設計：
高溫煙氣閥門與其它煙氣閥門不同，其閥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(fā)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。高溫煙氣閥門主要起截流或調節(jié)流量的作用, 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, 所以結構設計應考慮環(huán)境因素的影響。根據上述介紹的使用工況條件，由于煙氣中的微硅粉屬于水硬性粉塵，一接觸水份便會發(fā)生化學變化形成硅酸鹽，產生硬化、結塊、膨脹等現象，粉塵特別細。由于粉塵對閥門的使用影響是非常大，它容易產生閥門閥板和管壁粉塵粘結造成閥板卡死，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(tǒng)的正常運行。因此，在該場合使用的煙道閥門不同于一般火電廠風門和除塵系統(tǒng)上使用的閥門，它們主要是風量的調節(jié)，不存在閥板高溫變形和粉塵吸附等問題，材質一般采用Q235鋼板焊接，而且厚度很薄，大多在6mm一下，泄漏率要求也不高。
鐵合金余熱發(fā)電系統(tǒng)煙氣溫度高（300—900℃），并含有大量粉塵，如在余熱發(fā)電也同樣采用此閥門，勢必造成閥板變形，出現閥板卡死，旁路泄漏大，浪費了大量廢氣資源，同時無法調節(jié)進余熱鍋爐的煙氣量。因此閥板在設計是要充分考慮機械強度，我們閥板厚度一般設計在15mm（口徑大時加厚），保證閥板不受高溫產生變形。采用徑向密封應用過程中受溫度影響易產生熱卡阻，影響閥門的啟閉；通常無密封圈的通徑密封結構，在受熱變形或管道稍微積灰的情況下不能啟閉。因此，在高溫煙氣閥門中應設計閥體有密封圈結構。蝶板外徑可以小于閥體通徑，在閥體對應兩側加副密封，以減少閥門的泄漏率，同時即使閥門內腔管壁有粘結也能方便開啟。閥體外部和閥板設置合適的加強筋，增加閥門的機械強度，保證閥門受熱不變形。同時在葉片與葉片之間設置密封條，使閥門的泄漏率得到有效的控制。特別是旁路閥漏風對發(fā)電量影響很大，旁路閥門泄漏率大了，降低煙氣的品質，造成余熱爐出力不足，降低了發(fā)電量。當鍋爐故障維修時，打開旁路閥關閉進口閥，進口閥主要性能是切斷性能，關閉時的密封性能好，切斷該閥后，檢修不受影響，才能而且保證檢修的安全性。所以，在閥門設計和制造過程中要根據不同使用位置不同的工況確定的閥門的主要功能，保證其滿足現場運行的需要。同時我們在閥門閥體適當的位置設置吹灰口，運行一段時間后，可以接入壓縮空氣，把吸附在閥板和管壁粉塵吹落。
除以上說說的，高溫煙氣閥門還必須注意以下的幾個問題：
1、閥軸端結構采用具有隔熱和密封效果優(yōu)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(jié)的功能，不會產生軸端卡阻。在直連式或曲柄連桿機構與傳動機構連接時，加長閥軸長度，加裝隔熱套，能有效遠離高溫環(huán)境對傳動裝置的影響，保證閥門的正常工作。
2、煙氣溫度隨加料出料工藝存在波動，一般在300—900℃范圍。因此它對閥門的要強度有則嚴格的要求，防止金屬材料在高溫塑性變形積累和蠕變。因此閥板的厚度和焊接結構都是非常重要的，
3、控制閥門動作的電動執(zhí)行器不易采用直接連接方式，應該采用閥軸上的曲柄和電動執(zhí)行器上的曲柄再通過連桿帶動閥門旋轉，這樣可以方便檢修同時能降低閥體對電動執(zhí)行器的熱傳遞。
4、硅系鐵合金冶煉煙氣中粉塵特別細，吸附力強，為了解決煙氣中的粉塵對閥門的使用影響，因此我們在閥門閥體適當的位置設置吹灰口，運行一段時間后，可以接入壓縮空氣，把吸附在閥板和管壁粉塵吹落。同時要求安裝時應在閥門開啟端或閥門連接轉角處設計封閉型漏斗，當管道積灰嚴重的情況下，打開卸灰口，卸掉積壓在管道的灰塵，然后再開啟閥門，這樣既保護了執(zhí)行機構不因為閥門積灰產生過力矩或燒壞電機，使閥門正常運行。
三、安裝煙道閥門時必須要注意一下事項
1、閥軸必須要在水平位置，或則會使閥板單邊位移，使閥板和閥體卡死。
2、由于管道一般強度比較差，在溫度的變化，產生變形，而管道變形不影響使用，但管道的變形會拉動閥體的變形，產生閥門變形而卡死，以此建議在閥門的周圍管道上增加加強圈，減少管道的變形對閥門的影響。
3、在高溫管道上安裝高溫蝶閥時，由于電動執(zhí)行器對環(huán)境溫度有一點的要求，溫度直接影響電動執(zhí)行器的使用壽命，對電動執(zhí)行器來說，它的溫度來自3方面1是環(huán)境溫度，2是熱傳遞，3是熱輻射，由于環(huán)境溫度沒有辦法解決，但熱傳遞我們一般在閥門設計的時候應該給與充分的考慮，但熱輻射，是管道的保溫效果比較差造成，以此我們建議在電動執(zhí)行器和管道之間增加隔熱板，充分利用空氣的來隔熱，效果是非常明顯的，也是zui有效的辦法。
4、對水平管道上安裝閥門時，同時閥門旁邊的管道允許的情況下，建議在管道下方開一個人孔，便于開孔清理粉塵。
5、由于煙氣管道壁厚薄，容易變形，因此在閥門兩端管道內大約閥門三分之一多口徑的管道里加焊梅花筋，加強管道的機械性能，避免因管道變形，導致閥門閥板打不開。
6、定期除灰以防止灰塵堆積過多，便于閥板的轉動。
7、閥門安裝好了應該檢查閥門內腔和兩邊管道內是否有雜物或焊渣和鋼筋，發(fā)現及時清理，以免影響閥門的正常啟閉。平時有發(fā)現安裝閥門時，為了使吊裝時閥板不會晃動，用鋼筋把閥板焊接固定，可把閥門裝好了，忘了拆除焊接的鋼筋，等到調試時才發(fā)現閥板不能打開。
鐵合金余熱發(fā)電系統(tǒng)用高溫煙氣閥門作為電站系統(tǒng)的輔機設備，在數量上、價值上雖然很小，但對余熱發(fā)電系統(tǒng)的安全經濟運行至關重要，其發(fā)揮的作用不是其數量或價值比例所決定的。鑒于此，用戶需就鐵合金余熱發(fā)電工藝設計特點進行正確選型。
