修旭明 陈秀林 陈金环
(1济钢国际工程技术有限公司山东济南0531，2瑞安市阀门一厂浙江瑞安325204)
一、前言
为进一步加大钢铁行业节能技术改造力度，提高能源管理水平及能源利用效率，根据重点产业调整和振兴规划有关要求及工业节能工作总体安排，工信部组织编制了《钢铁企业烧结余热发电技术推广实施方案》。钢铁企业烧结工序能耗仅次于炼铁工序，居第二位，一般为企业总能耗的9%至12%。中国烧结工序的能耗指标与先进国家相比差距较大，每吨烧结矿的平均能耗要高20千克标准煤，节能潜力很大。据统计，烧结工序的能耗约占冶金总能耗的10～12%。而其排放的余热约占总能耗热能的49%。在烧结矿生产过程中，特别是烧结矿由鼓风式环冷机冷却过程中会排出大量温度为250～400℃的低温烟气，其热能量大约为烧结矿热耗量的30％左右。实现能源梯级利用的高效性和经济性角度分析，余热发电是最为有效的余热利用途径，平均每吨烧结矿产生的烟气余热回收可发电20千瓦时，折合吨钢综合能耗可降低8千克标准煤。烧结余热发电技术推广比例比较低，未来几年将是发展高峰期。余热发电烟气阀门烧结余热发电重要的辅机设备，直接影响烧结和余热电站运行稳定、废气的充分利用以及整个系统运行效率和可靠性，做好高温烟气阀门对烧结余热发电具有重要意义。
二、烧结余热发电烟气特性
烧结余热回收主要有两部分：一是烧结机尾部废气余热，二是热烧结矿在冷却机前段空冷时产生的废气余热。这两部分废气所含热量约占烧结总能耗的50%，充分利用这部分热量是提高烧结能源利用效率，显著降低烧结工序能耗的途径之一。
烧结机烟气复杂，具有如下特性:一、烟气量大。烧结工艺是在完全开放及富氧环境下进行，过量的空气通过料层进入风箱，进入废气集气系统。一般1吨烧结矿大约产生4000～6000m3烟气。二、含二氧化硫排放浓度大。随着原料来源的不同、烧结工艺参数的变化，原料中的硫转化为二氧化硫的转化率为60％～90％，烧结烟气中二氧化硫含量变化范围800～3000mg/m3。三、含尘浓度大。烟尘中主要以铁及其化合物为主，还含有钙、硅等，有时使用不同的原料，还可能含有微量重金属元素。四、烟气温度变化大。随烧结工矿的变化，烟气温度一般在85℃～180℃。五、含湿量大，烟气含水量一般在10％左右。六、含有毒气体。烟气中含有一定量的硫化物、氮氧化物、氯化氢、氟化氢等。此外，还含有对人体健康有极大危害的二恶英和呋喃等。烟气中含尘浓度一般大于200mg/m3，铁矿石烧结熟料，粒径大多在100μm，部分粒径大于0.5mm的颗粒。且粉尘琢磨性较强，烧结烟气中含有的铁化合物，产生结垢现象。现在利用的烧结烟气温度包含环冷机的鼓风烟气，高温烟气能达到400℃左右。
三、钢铁烧结余热发电烟气阀门设计原则
1、根据不同的工况区别设计，以满足使用要求，保证系统正常运行。钢铁烧结余热发电烟气阀门在不同使用位置的烟气参数是不一样的，烟气的温度与腐蚀性和阀门的结构形式、材料的选择有着很大的区别。高要求的阀门用于低参数的地方，增加了工程成本，低要求的阀门用在高参数的地方，给工程埋下事故的隐患，这样做是不可取的。
2、阀门结构简单，便于维护。在满足工况使用条件下把阀门设计复杂化，不但增加故障点，而且还提高阀门的生产成本。作为设备没有永远不出故障的时候，不能维护的阀门产品就不是成熟的产品，在设计中应该把日常维护融入阀门设计的一个很重要的环节。
3、阀门设计考虑使用中可预见性的问题。把阀门在使用中一些可能出现的问题，在阀门设计中加以消化、克服，可以避免使用运行出现的因阀门问题而影响整个系统的正常运行，提高系统的运行效率。
四、烧结余热发电烟气阀门设计方案
烟气阀门主要用于烟气的切断或调节介质目的，当该阀作为调节使用的烟道蝶阀在选型时应该满足一下条件；从蝶阀的结构特点可知：在开启角小于10°时，由于阀板由一定厚度，其流通截面的变化几乎等于零；开启角大于70°时，由于阀的毂部（即轴和轴套）由一定厚度，其相对流量的变化很小，已起不到多少调节的作用了；在开启角达到73°时，其旋转的作用力矩达到最大值，甚至使阀颤动而不能稳定，所以，一般都以25°~70°作为蝶阀的有效工作范围。在确定阀径的计算中，常选用蝶阀的最大流量开度为60°这是因为蝶阀的特性在60°以内是近似等百分比特性，超过60°，特性就改变了。为了使用这一段等百分比工作特性，推荐取最大流量时蝶阀开启角度为60°，但是，为充分利用阀的流通能力，也可以选70°最为最大开启角，这样在设备选用上比较经济。
1、设计应充分考虑烟气温度对阀门的影响
在考虑阀门的使用温度时，应该要充分考虑瞬间的温度对阀门的阀门材质的影响，同时要充分考虑瞬间的具体时间概念，在条件允许的情况下应该要高于使用温度150°作为对阀门的使用温度要求。确保阀门在高温情况下的塑性变形不会对阀门的影响。高温烟气阀门与其它烟气阀门不同，其阀的结构及阀内件有很大的差异，如导向间隙、阀板转动间隙轴承方式等。除了从设计制造方面控制外，还要针对高温条件下的各种物理性能、机械性能发生变化，分析材料的机械性热胀冷缩、材质在高温情况下的不同变形等对阀门使用性能的影响。高温烟气阀门主要起截流或调节流量的作用,特别是大口径阀门,工况条件影响阀门的变形因素较多且变形量不易控制,所以结构设计应考虑环境因素的影响。
2、设计应充分考虑烟气的粉尘对阀门的影响
由于粉尘对阀门的使用影响是非常大，粉尘容易进入阀轴和滑动轴承之间，使之卡死阀轴，导致阀门不能正常启闭影响系统的正常运行。因此轴承必须采用外置式，不但可以避免粉尘进入轴承，而且外置可以减少高温烟气对轴承的传热。
阀门考虑烟气中粉尘量大，为了解决烟气中的粉尘对阀门的使用影响，因此我们在阀门阀体适当的位置设置吹灰口，运行一段时间后，可以接入压缩空气，把吸附在阀板和管壁粉尘吹落。同时阀门底部设计清灰口，当管道积灰严重的情况下，打开卸灰口，卸掉积压在管道的灰尘，然后再开启阀门，这样既保护了执行机构不因为阀门积灰产生过力矩或烧坏电机，使阀门正常运行。特别是烟气中含尘浓度一般大于200mg/m3，且粉尘琢磨性较强，烧结烟气中含有的铁化合物，如没有阶段性的清理会加速粉尘在阀板与阀体上结垢，导致阀门不能正常启闭。
3、设计应充分考虑阀门的机械强度和结构形式
阀体外部设置合适的加强筋，法兰应具有较大的强度，从而提高阀门的机械强度，保证阀门受热和管道应力拉伸不变形。阀门直径较大，阀板采用采用钢板焊接，由于烟气温度的不稳定性，当温度短时出现超过设计范围时，阀板容易出现变形，阀板变形后泄漏率大，而且无法修复。因此阀板采用铸造，具有较高的机械性能，确保阀门的正常使用。
阀轴端结构采用具有隔热和密封效果优良的外置式支撑结构，可实现阀门二轴端先密封后支撑，便于调节的功能，不会产生轴端卡阻。
阀门的泄露大小关系到整个系统的发电效益，过去一般采用通风蝶阀作为烧结余热发电的高温烟气阀门，由于通风蝶阀没有采取很好的密封措施，阀板与阀体留有一定的间隙，间隙的大小一般是靠各个企业的经验来确定，在阀板不变形的情况下，也不可能把泄漏率控制在1%以内，目前也没有人做过专门的泄露测试。通风蝶阀阀板采用多页式或单片式，在实践中由于泄漏率大或阀板变形，后来大部分都改成金属硬密封蝶阀。
4、设计应充分考虑阀门与执行器的连接形式
电动执行器对环境温度有着严格的要求，超过一定的温度范围电动执行器就容易产生故障。影响执行器环境温度因素有阀轴的热传递、管道的热辐射、空气的环境温度，采用曲柄连杆机构，加长阀轴长度，加装隔热套，能有效克服阀轴的高温和管道的热辐射对传动装置的影响，而且由于电动执行器采用阀轴上的曲柄和电动执行器上的曲柄再通过连杆带动阀门旋转，也可以方便检修。阀轴与电动执行器直连，形成了阀轴与电动执行器连接部分"热桥"效应，电动执行器主板受热烧坏，其他元器件也受到很大影响，使之不能正常运行。
五、迷宫式金属密封蝶阀在钢铁烧结余热发电的应用
对于中低温余热利用，关键在于工艺和设备允许范围内充分利用余热，并使设备的使用效率最高，使余热发电最大化。对于低参数汽轮发电机组而言，影响其发电量的是三个主要参数：过热蒸汽流量、压力和温度，其中流量对发电量起决定性影响，压力和温度对单位质量蒸汽的焓和汽轮机的内效率（热能转化为机械能的效率）有影响，但其影响远小于流量的影响，因此整个热力系统的设计首先应满足蒸汽流量最大化的原则。其次应尽量提高过热蒸汽的温度，确保汽轮机的安全运行，保持过热蒸汽与排放烟气之间有20～90℃的合理温差。而确保过热蒸汽流量、压力和温度都与烟气量和品质直接联系。烟气量和品质除了和系统、取气点有很大的关系外，各个连接点密封性能好坏也有一定的影响，阀门作为调节或切断烟气，在整个系统中有着关键的作用，阀门密封性能的好坏直接影响到系统的正常运行。
以环冷烟囱阀和锅炉进口阀为例，最早这两个阀门是设计用一个阀板阀，余热发电运行时，阀板翻到在烟囱里，切断通往烟囱的烟气，余热发电停机时，阀板在进锅炉管道里，切断往锅炉的烟气。可是由于阀板阀的密封效果很差，泄漏率很高，假如阀板再变点形，效果就更不理想了。当余热发电运行，从烟囱渗漏进来的大量冷空气，降低了进锅炉烟气的温度，最大的时温度降了将近80度，降低了发电效率低；当余热锅炉需要检修时，大量的高温烟气往锅炉进去，又保证不了锅炉的正常维修和人员的安全。后来，这两个地方就分别采用两个通风蝶阀，通风蝶阀阀板与阀体之间留有一定的间隙，间隙小了运行时容易卡死，间隙大了，泄漏率增大，而且通风蝶阀采用焊接的，口径大阀板强度不够，在高温下容易变形。结果还是出现上述同样的问题。最后，很多公司还是舍下大成本，把这两个地方换成三偏心金属硬密封蝶阀。三偏心金属硬密封蝶阀主要用于石油、化工、冶金、水电等领域中作为一种用来实现管路系统通断及流量控制。因三偏心结构的原理，阀板的密封面与阀座之间的密封是靠传动装置的力矩使阀板压向阀座。正流状态时，介质压力越高密封挤压越紧。当流道介质逆流时随着介质压力的增大阀板与阀座之间的单位正压力小于介质压强时，密封开始泄漏。当介质是高温含尘烟气时，首先压力低，一般都小于0.1Mpa，谈不上介质压力越高密封挤压越紧；其次，当粉尘粘结在密封面时，阀门产生泄漏，而且阀门启闭时会破坏密封面，密封面很难修复；其三，当瞬间温度超过一定范围，也容易使阀板变形，变形后阀板和密封面产生一定距离，产生更大的泄漏，且检修时也无法修复。由于阀板的间隙，阀内压力与外界常温空气压力不一致时,就必然存在漏风。一种是热烟气漏出系统，一种是常温空气顺着间隙进入。这两种漏风都会降低余热回收效率,由于烟道排烟温度远高于常温空气温度,所以常温空气漏入系统的危害更大。据某条线测试，烟囱前段和烟囱后段烟气相差五十多度。由于利用环冷机烟气本来温度就不高，进锅炉的烟气降了50度，发电量还能考核过去啊？
由于三偏心金属硬密封蝶阀生产加工复杂，重量大，成本高。虽然使用效果优于翻板阀和通风蝶阀，但还是有它存在的缺点。我们针对目前烧结余热发电所用的大口径阀门的现状，设计生产了迷宫式金属密封蝶阀，并获得了国家发明专利（专利号：ZL200820180105.X）。
迷宫式金属密封蝶阀技术是充分考虑到上述工况条件设计的，利用逐步减压和增加阻力的密封原理，在阀体和阀门密封位置相对设置迷宫式金属密封环，密封环的材质为不锈钢，凹凸深度为5-10mm,凹环与凸环之间距离5-10mm，一般设有3-4道凹凸环，具有良好的密封效果，泄漏率小于0.5%，是解决余热发电烟气阀门泄漏率大最有效的途径。特别是环冷烟囱
阀门泄漏大，降低烟气的品质，造成余热炉出
力不足，降低了发电量。
迷宫式金属密封蝶阀具有结构简单、重量
轻、密封性能好、成本低、不会导致管道变形
等优点，同时由于阀门安装的位置比较高，工
况条件差，不太方便检修，迷宫式金属密封蝶
阀采用外置式自润滑轴承，不用添加润滑油，
特别是迷宫式密封系统长期使用不磨损，所积
留在迷宫里德粉尘易清理特点，更便于日后维
护，阀门底部设有吹灰口，可以清理积聚在阀
门底部的粉尘，使阀门正常启闭。迷宫式金属
密封蝶阀充分考虑的工艺上的具体要求，针对工况介质特性进行设计，是三偏心金属硬密封蝶阀无法比拟的，且价格相当于三偏心金属硬密封蝶阀的三分之二，更适合于烧结余热发电高温烟气上使用。
六、结语
烧结余热发电是我国新兴的余热发电项目，增强余热发电系统设备可靠性对于提高余热发电运转率和余热回收效率至关重要，也是设计者和业主所共同关注的问题。迷宫式金属密封蝶阀降低了余热发电的建设成本，保证了余热发电系统运行效率和可靠性，企业提高余热发电效益，为钢铁企业在日益激烈的市场竞争中进一步降低生产成本、实现节能降耗发挥积极作用。