水泥窯余熱發(fā)電窯頭取風(fēng)煙氣閥門的選型與試驗(yàn)

石海英，魏永杰，陳金環(huán)

(1.洛陽礦山機(jī)械工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，河南洛陽 471039;2.瑞安市閥門一廠，浙江瑞安 325204)

水泥窯余熱發(fā)電窯頭取風(fēng)煙氣閥門的選型與試驗(yàn)

石海英1，魏永杰1，陳金環(huán)2

(1.洛陽礦山機(jī)械工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，河南洛陽 471039;2.瑞安市閥門一廠，浙江瑞安 325204)

針對水泥窯余熱發(fā)電窯頭取風(fēng)口高溫?zé)煔忾y門高故障率問題，對3條典型的水泥窯余熱煙氣取風(fēng)閥門進(jìn)行了選型與試驗(yàn)研究.通過對3組閥門研究，給出了煙氣閥門在選型和使用中存在的問題以及其解決方法，并結(jié)合工程實(shí)際提出了閥門在選型和設(shè)計中的建議.

煙氣閥門;水泥窯;余熱發(fā)電

水泥窯余熱發(fā)電系統(tǒng)取風(fēng)閥門是調(diào)節(jié)余熱鍋爐入口煙氣參數(shù)的關(guān)鍵部件，對余熱鍋爐的安全和效率起著決定性作用.窯頭篦冷機(jī)和窯尾預(yù)熱器的高粉塵低溫度煙氣會對余熱鍋爐煙道及其輔助部件造成嚴(yán)重的磨損.實(shí)踐表明，水泥窯余熱發(fā)電系統(tǒng)故障率最高的部件是窯頭取風(fēng)口高溫?zé)煔忾y門.閥板嚴(yán)重磨損時，進(jìn)入鍋爐的煙氣量增大，引起蒸發(fā)量增大，影響鍋爐正常運(yùn)行;造成篦冷機(jī)出口風(fēng)量不平衡，影響水泥線風(fēng)量調(diào)節(jié)和熟料線生產(chǎn).為此，筆者針對3種典型的水泥生產(chǎn)線余熱發(fā)電系統(tǒng)取風(fēng)煙氣閥門的選型選材進(jìn)行研究，并對3種閥門進(jìn)行試驗(yàn).

1 水泥窯余熱發(fā)電系統(tǒng)煙氣參數(shù)及閥門運(yùn)行問題

1.1 余熱發(fā)電窯頭煙氣參數(shù)

新型干法水泥窯余熱廢氣溫度一般在350～450℃，瞬時可高達(dá)600℃.取風(fēng)閥門承受著夾雜固體小顆粒與粉塵的高速氣流沖刷，閥板在較短時間內(nèi)極易磨損，會導(dǎo)致余熱發(fā)電系統(tǒng)停機(jī)或頻繁開停機(jī)，縮短余熱發(fā)電設(shè)備使用壽命，影響余熱回收設(shè)備正常發(fā)電及水泥熟料燒成系統(tǒng)正常運(yùn)行，最終導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)效益下降.水泥窯煙氣堿性粉塵含量大，且窯頭煙氣中灰粒硬度較高，受熱面、閥門及管道雖然沒有酸腐蝕，但存在嚴(yán)重的磨蝕問題.閥門與管道受磨損程度與煙氣溫度、含塵濃度、煙氣流速等密切相關(guān)，也與管道的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)相關(guān).選擇3條典型的水泥窯余熱發(fā)電設(shè)備，表1為選取的3條水泥窯余熱發(fā)電窯頭煙氣的參數(shù)和閥門管道的結(jié)構(gòu)特征.表中No.1 表示第1 條生產(chǎn)線，產(chǎn)量2 500 t/d，No.2 表示第2條生產(chǎn)線，產(chǎn)量2 500 t/d，No.3表示第3條生產(chǎn)線，產(chǎn)量5 000 t/d.

表1 3條不同余熱發(fā)電窯頭廢氣參數(shù)對比

由表1可知，所選取的3條干法水泥窯余熱發(fā)電生產(chǎn)線具有廣泛的代表性，代表了我國當(dāng)前水泥生產(chǎn)線的主力機(jī)型.3條生產(chǎn)線的部分參數(shù)相同，相互之間具有可比性.No.1和No.2生產(chǎn)線生產(chǎn)能力相同，但是No.2和No.3生產(chǎn)線的排煙溫度較高;No.3生產(chǎn)線生產(chǎn)能力與煙氣流量是No.1和 No.2生產(chǎn)線的2倍.No.2生產(chǎn)線煙氣含塵濃度較低，除此以外3條生產(chǎn)線的其他參數(shù)基本相同.

1.2 閥門運(yùn)行中的一般問題及解決方法

干法水泥窯余熱發(fā)電煙氣側(cè)管道、部件和受熱面工作環(huán)境非常惡劣，工作在高溫、高風(fēng)速、高含塵環(huán)境中，會出現(xiàn)形變、磨損和金相遷移的問題，導(dǎo)致閥門失效和損壞.

1.2.1 閥門形變

閥門受熱形變會導(dǎo)致2種問題:一是形變會使閥門啟閉動作卡澀甚至卡死，嚴(yán)重影響余熱鍋爐運(yùn)行;二是增大漏風(fēng)量，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組輸出功降低.水泥窯篦冷機(jī)煙氣流量和溫度不穩(wěn)定，瞬間流量的突增或溫度的陡升，會導(dǎo)致閥門永久性形變，甚至報廢.煙氣中的灰粒進(jìn)入閥軸和滑動軸承會造成閥門動作卡澀［1］.目前取風(fēng)口閥門一般為百葉式閘板閥［2］，其使用壽命比蝶閥長，較陶瓷閥不易斷裂，但閘板閥容易發(fā)生形變，使用壽命一般為6個月.

在閥門選材時，材質(zhì)最低應(yīng)選擇304雙面焊龜甲網(wǎng)，澆注耐高溫、耐磨、高強(qiáng)度澆注料，以增強(qiáng)閥門強(qiáng)度.目前常用澆注料以剛玉、碳化硅為基體，并添加鋼纖維、防爆纖維.剛玉硬度大、熔點(diǎn)高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，對酸、堿都有良好抵抗性，碳化硅同樣具有硬度大、熔點(diǎn)高的特點(diǎn)［3］;采用正確的澆注、養(yǎng)護(hù)、烘烤方法，就可確保澆注料的質(zhì)量，從而大大提高閥板使用壽命.為防止閥門受熱變形，閥體應(yīng)澆注與管道同樣厚度的隔熱材料和澆注料.若條件允許，在保證閥門啟閉不卡澀情況下，加焊梅花筋，增強(qiáng)機(jī)械性能，避免變形.為防止閥板過熱，還可以在閥板表面噴涂隔熱涂層，隔熱涂料主要由高熔點(diǎn)低導(dǎo)熱率的Al2O3，CaO，MgO，Y2O3，CeO2和 ZrO2制成多孔材質(zhì).為提高氧化物隔熱涂層與基體的結(jié)合力，常用NiCr，NiAI，NiAlCrY 等作為結(jié)合涂層［4］.

1.2.2 閥門磨損

受磨損程度是閥門使用壽命的最重要指標(biāo)，輕微磨損會導(dǎo)致漏風(fēng)增加，影響鍋爐運(yùn)行與控制，降低機(jī)組發(fā)電功率，嚴(yán)重磨損會導(dǎo)致閥門報廢［5］.

閥門在高溫環(huán)境中工作，機(jī)械強(qiáng)度降低，灰粒對閥板的磨損會更嚴(yán)重，因此對閥板在高溫下的耐磨性要求較高.閥板必須采用加焊高強(qiáng)度龜甲網(wǎng)，澆注材料應(yīng)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).閥板在經(jīng)過高溫烘烤或進(jìn)行表面噴涂處理后才具有較強(qiáng)的抗高溫和耐磨特性.目前火焰噴涂、電弧噴涂和等離子噴涂3種噴涂方法比較常用，常用的噴涂材料主要有鎳基合金和鈷基合金、碳化物、硼化物、氧化物等.

要提高閥門抗磨損能力，提高使用壽命，單純采用高溫耐磨材料閥門也會較快地磨損掉，必須根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際對閥門的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)［6］.

1.2.3 閥門材質(zhì)的遷移和蠕變

碳鋼中的滲碳體在高溫環(huán)境(大于425℃)中獲得能量會發(fā)生遷移和聚集的金相相變現(xiàn)象，滲碳體的聚集晶體變大會導(dǎo)致金屬變脆、強(qiáng)度下降.晶體逐漸變大，會從片狀逐漸形成球狀，球化的閘板強(qiáng)度很低，容易被灰粒磨損，當(dāng)受到煙氣氣流沖擊時，容易發(fā)生斷裂和塑性形變.

碳鋼、合金鋼的閘板在高溫環(huán)境中(大于300℃)，受到外力作用會發(fā)生蠕變，塑性變形增多，變形量會逐漸增大.而水泥窯篦冷機(jī)出口煙氣的溫度普遍在450℃以上，高溫時段會超過600℃，并且能維持2 h的時間，16Mn、20號鍋爐鋼和304不銹鋼在此溫度下均不存在機(jī)械強(qiáng)度［5］.高溫環(huán)境還會導(dǎo)致閘板表面被氧化生成復(fù)雜的鐵銹皮，鐵銹皮逐層剝落導(dǎo)致閘板變薄，閘板的強(qiáng)度和厚度迅速下降，導(dǎo)致其使用壽命一般不超6個月.

由于水泥窯煙氣溫度高于金屬相變和蠕變溫度，所以必須對閥板和其他構(gòu)件進(jìn)行隔熱處理，隔熱方法與防止熱變形方法相同，不再贅述.

2 窯頭取風(fēng)煙氣閥門的選材與選型

窯頭取風(fēng)閥門是確保生產(chǎn)線和窯頭余熱鍋爐正常運(yùn)行的關(guān)鍵部件，可采用電動可調(diào)百葉式閥門，采用碳鋼或合金鋼材質(zhì)制造，避免碳鋼在高溫環(huán)境中的滲碳體球化問題.在3條水泥窯余熱發(fā)電生產(chǎn)線中，No.3生產(chǎn)線的煙氣流量和含塵量均大于No.2生產(chǎn)線，因此閥體采用16Mn襯高強(qiáng)度高溫耐磨澆注料;No.2，No.3 生產(chǎn)線的煙氣溫度比 No.1 高，考慮熟料顆粒對閥板的沖刷，因此閥板材料采用1Cr18Ni9Ti雙面焊龜甲網(wǎng)襯高溫耐磨澆注料.所選的閥門材質(zhì)均滿足設(shè)計要求.閥門選型選材見表2.

表2 閥門的型材情況

3 窯頭取風(fēng)煙氣閥門試驗(yàn)及分析

分別在3條生產(chǎn)線的篦冷機(jī)中部靠前端布置對應(yīng)的3臺閥門，安裝在距離取風(fēng)口約3 m的垂直管道上，設(shè)計風(fēng)速12 m/s.試驗(yàn)工作與生產(chǎn)實(shí)踐結(jié)合，3條生產(chǎn)線在投入生產(chǎn)一段時間后進(jìn)行停機(jī)檢查，分析閥門的抗磨損、抗形變情況.在試驗(yàn)中，3條生產(chǎn)線煙氣的溫度通過溫度監(jiān)控記錄某一時段的煙氣溫度，圖1—3分別給出3條生產(chǎn)線的溫度變化情況.由圖3可見，3條生產(chǎn)線煙氣溫度變化幅度較大，超溫頻繁，并且超溫時間長.3組取風(fēng)閥門的閥板、閥體和閥軸分別在4個月、6個月、6個月的抗磨、抗形變效果見表3.

表3 3組閥門試驗(yàn)結(jié)果

實(shí)際上水泥窯窯頭篦冷機(jī)廢氣溫度較高，而且波動范圍大，煙氣內(nèi)含有硬度較高的熟料顆粒，且氣體呈堿性，具有堿腐蝕性，導(dǎo)致閥門部件易出現(xiàn)磨損與腐蝕.

閥板金屬在高溫下出現(xiàn)金相蛻變，強(qiáng)度降低，在高溫、高速、富含粉塵的煙氣沖刷下短時間就會出現(xiàn)嚴(yán)重磨損.圖4是No.1生產(chǎn)線閥門試驗(yàn)結(jié)果，顯然No.1余熱發(fā)電生產(chǎn)線的閥門、閥板達(dá)不到工況要求.

由于水泥窯運(yùn)行要根據(jù)3次風(fēng)溫度或熟料產(chǎn)量，來調(diào)節(jié)燃煤、調(diào)整篦床的走料厚度，在操作過程中極易出現(xiàn)料層太薄、使料層阻力變小、冷卻風(fēng)量增加、出現(xiàn)飛砂現(xiàn)象.飛砂主要是熟料顆粒和粉塵，顆粒具有溫度高、硬度高，直接沖刷在閥門閥板上.同時，閥板在高溫環(huán)境下，其機(jī)械強(qiáng)度急劇下降，因此磨損非常嚴(yán)重.閥板上雙面襯高溫耐磨澆注料可有效減緩磨損.No.2，No.3兩組余熱發(fā)電生產(chǎn)線的閥門基本相同，但使用效果出現(xiàn)了很大差別，2條生產(chǎn)線的窯頭高溫取風(fēng)煙氣閥門在試驗(yàn)前和6個月后的磨損與變形比較如圖5和圖6所示.

No.2生產(chǎn)線閥門在施工時，澆注料分2次澆注，澆注方式是在閥板上設(shè)置鉤釘，然后直接敷設(shè)澆注料.閥板加強(qiáng)筋暴露在外，閥板澆注料表面不平使得廢氣阻力增加，閥板受氣流振動增大，導(dǎo)致閥板在使用中被煙氣迅速沖刷磨損.由于澆注料沒有足夠的強(qiáng)度與耐磨性，鋼板熱脹冷縮和不斷地振動導(dǎo)致表面的澆注料產(chǎn)生漲裂、脫落，最終縮短了閥門的使用壽命.

No.3生產(chǎn)線的閥門在閥板外裝設(shè)雙面焊龜甲網(wǎng)，網(wǎng)表面噴涂特殊材料避免板材在高溫下產(chǎn)生炭化，澆注料在龜甲網(wǎng)上一次澆注成型.施工方法消除了閥板因熱膨脹所產(chǎn)生的應(yīng)力，表面平整，加強(qiáng)筋完全被澆注料包覆，閥板和澆注料不會產(chǎn)生裂痕和剝落，有效延長了閥板的使用壽命，達(dá)到了很好的使用效果.

4 結(jié)語

1)水泥窯余熱發(fā)電取風(fēng)閥門的選材與選型是解決閥門形變和磨損的重要基礎(chǔ)，必須對閥門的工作環(huán)境和工作條件進(jìn)行全面而細(xì)致的考慮，才能根據(jù)實(shí)際情況選擇正確的閥門材料和型號，保證閥門在惡劣的工作環(huán)境中不出現(xiàn)嚴(yán)重形變和磨損，保證余熱鍋爐穩(wěn)定、安全且高效運(yùn)行.

2)合適的澆注料和正確的安裝與施工方法是解決閥門部件磨損與形變的關(guān)鍵.廢氣中含有的氯、堿等有害成分具有侵蝕作用，因此容易引起閥板澆注料的疏松和剝落，澆注料應(yīng)該采用密度高、強(qiáng)度大、有足夠耐腐蝕和耐磨性能的澆注料，才能使閥板在高溫下承受住嚴(yán)重的堿腐蝕和大量細(xì)顆粒熟料的高速沖刷作用.

［1］修旭明，陳秀林，陳金環(huán).燒結(jié)余熱發(fā)電高溫?zé)煔忾y門設(shè)計［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2011(2):49－51.

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［6］陳宸，張淑賢.新型耐磨自動閥門的探討［J］.煤炭技術(shù)，2011，30(1):227 －229.

Lectotype and Experiment on the Flue Gas Valve at the Outlet of Cement Kiln of Power Generation by Waste Heat

SHI Hai-ying1，WEI Yong-jie1，CHEN Jin-huan2
(1.Luoyang Mining Machinery Engineering Design ＆ Research Institute Co.Ltd.，Luoyang 471039，China;2.No.1 Ruian Valve Factory，Ruian 325204，China)

For reducing accident frequency of flue gas valve with the high temperature in cement kiln of automatic quench compensation of power generation by waste heat，three typical valves were selected and experimentally studied.Based on the three typical valves experiment，the selection and solutions of flue gas valves with the high temperature were presented.Combined with practical engineering，some suggestions about the valve selection and design were given.

flue gas valve;cement kiln;power generation by waste heat

1002－5634(2012)03－0062－04

2012－03－28

國家科技支撐計劃項目(2011BAA05B03).

石海英(1968—)，女，河南永城人，工程師，主要從事工程成套工藝技術(shù)及裝備方面的研究.

(責(zé)任編輯:杜明俠)