热回收焦炉烟气阀门设计_刘杰.pdf

Total No 280December 2022冶金设备METALLURGICAL EQUIPMENT总第 280 期2022 年 12 月第 6 期热回收焦炉烟气阀门设计刘杰(1:河北省冶金专用设备技术创新中心河北秦皇岛 066318;2:秦皇岛秦冶重工有限公司河北秦皇岛 066318)摘要热回收焦炉配套的烟气余热发电系统管路上安装有大量的烟气闸阀，该阀在使用中对高温烟气起切断或流量控制作用。由于焦炉烟气温度很高、工况恶劣，目前的阀门普遍存在阀板易断裂、使用寿命短等问题。该问题已严重的影响了整个焦炉系统的运行效率和生产产出，是令热回收焦炉行业头疼的问题之一。本文提出了一种水冷型烟气闸阀，并就该阀门的工作原理及理论计算进行了较为详细的介绍;该新型阀门解决了现有阀门存在的阀板易断裂等问题，解决了困扰行业的难题。关键词焦炉热回收高温烟气烟气闸阀中图法分类号TQ520 6TM621文献标识码ADoi:10.3969/j.issn.1001 1269.2022.06.004Design of the Flue Gas for Heat Recovery Coke OvenLiu Jie(1:Hebei Province Technology Innovation Center of Metallurgical Equipments，Qinhuangdao 066318;2:Qinhuangdao Qinye Heavy Industry Co，Ltd，Qinhuangdao 066318)ABSTRACTA large of flue gas gate valves are installed on the pipeline of flue gas waste heat powergeneration system supporting heat recovery coke oven，which can cut off or control the flow of high-temperature fluegas in use Due to the high temperature of coke oven flue gas and poor working conditions，the valve plate is easyto break and the service life is very short This problem has seriously affected the operation efficiency andproduction output of the whole coke oven system This problem has become one of the most concerned problems inthe heat recovery coke oven industry This paper presents a new type of water-cooled flue gas gate valve，andintroduces the working principle and theoretical calculation of the valve in detail;The new valve solves theproblems that the valve plate of the existing valve is easy to break，and solves the problems perplexing the industryKEYWORDSCoke ovenHeat recoveryFlue gas gate valveHigh temperature flue gas1前言热回收焦炉也称清洁型热回收焦炉是指炼焦煤在炼焦过程中产生的焦炉煤气、化学产品和其他一些有机物质在焦炉内部合理的燃烧，通过回收高温烟气的热量用于发电的一种焦炉。该技术最早由美国 SUN COKE 公司于1962 年提出，它是在蜂窝式焦炉的基础上改进而来，属于内热式焦炉，按炉型可分为立式和卧式两种。热回收焦炉在生产过程中整个系统完全处于负压状态下，因此不存在烟尘和挥发性有机物外泄漏的问题，另外产生的各种有毒有机物全部在炉内燃烧掉不需要进行额外的回收。近些年，随81作者简介:刘杰，1981 年生，毕业于河北科技大学，工学学士，高级工程师，现主要从事冶金阀门设计研究工作，邮箱:qinyeliujie163 com着国家对环保的力度不断加大，热回收焦炉由于具有上述环保方面的优势，沉寂多年之后又热了起来。热回收焦炉配套有烟气余热锅炉发电系统，根据控制工艺需求在该管路系统中需配套安装大量的烟气闸阀进行流量的控制或切断。本文将主要介绍现有烟气闸阀存在的问题，及针对现有问题研发设计的新型水冷型烟气闸阀，通过创新研发设计解决了现有阀门存在的各种问题。2工况简介现以一套较简单的热回收焦炉烟气余热系统为例进行介绍:该系统由 4 座焦炉、2 套锅炉、17台烟气闸阀(不同工位，工艺名称不同)及其配套的烟气管路组成(见表 1 和图 1)。热回收焦炉生产中产生大量的高温烟气，在引风机的牵引下烟气由焦炉通过烟气管路流向锅炉系统，加热锅炉中的液态水产生蒸汽带动透平机进行发电，废烟气经脱硫脱销处理后排入大气。整套系统在引风机的牵引下运行，管路中为微负压环境(一般为 550 200Pa，引风机牵引力的大小及管道不同位置压力略有差别)、烟气温度为 1200 1350。烟气主要成分为:9.50%的 O2、5.11%的 CO2、71.48%的 N2、13.91%的 H2O，颗粒物150mg/m3、二 氧 化 硫 1100mg/m3、氮 氧 化 物 180mg/m3。表 1烟气闸阀配置表序号名称数量1集气烟气支管阀82锅炉烟气进口阀43集气烟气支管联通阀 124集气烟气支管联通阀 225事故烟囱阀13问题分析31问题经调研走访了解，现有热回收焦炉烟气闸阀在使用中出现的主要问题有:1 阀板易断裂，一般在开炉运行 2 3 月左右便会产生。2 阀板打开位置难以准确控制。其中阀板断裂问题一直无法彻底解决，使用中，阀板一般从中间位置断裂，下半部掉入阀体内腔无法取出。焦炉系统一旦开始投入使用，便无法停炉检修，所以遇到此种情况，只能维持现状;但显然，这样严重影响了整个系统的运行效率和生产产出，此问题已成为影响整个系统运行的主要问题之一。图 1热回收焦炉烟气余热发电系统32分析通过对断裂的阀板实地考察并结合理论计算分析，问题结论如下:目前热回收焦炉用高温闸阀阀板均采用耐火浇注料整体浇注加内嵌不锈钢骨架的结构。一方面阀板内部不锈钢筋骨在高温状态长期使用下会产生蠕变，导致机械性能下降;另一方面当阀门处于调节状态时，阀板会一部分处于阀腔外一部分处于阀腔内，阀体腔外为大气环境温 度，阀 腔 内 为 高 温 烟 气(温 度 1200 1350，见图 2)，阀板上下部分冷热不均，会产生很大的热应力，当热应力超过不锈钢筋骨和耐火浇注料的应力极限时，会瞬间将阀板崩断，导致阀板断裂脱落。图 2阀板结构图及断裂示意图4新设计新型的热回收焦炉烟气闸阀主要是为了解决上述问题。新型的烟气闸阀由传动机构、阀体、阀板等部分组成(见图 3)为了解决阀板易断裂问题，我们提出了水冷型阀板的方案。阀板设置了一个进水口，一个出水口，板芯为双侧板夹隔水板结构，形成水冷内91刘杰:热回收焦炉烟气阀门设计2022 年 12 月第 6 期腔，板芯外侧铺一层隔热材料，然后浇注耐火浇注料(见图 4)。图 3新型热回收焦炉烟气闸阀图 4水冷型阀板结构图现以 DN3600 水冷型热回收烟气闸阀为例，进行计算及分析。41阀板部分的设计计算4 1 1阀板的流态分析为确保阀板冷却均匀，无局部过热以及循环水死区的出现，需对冷却水的流态分布进行模拟分析。通过对冷却水在水道内的流态分析，可以很直观的看出冷却水的流态分布情况，判断是否存在局部水流速度过慢，导致局部温升过高甚至汽化的情况存在。应用三维分析软件，确定边界条件进行多次模拟，调整隔水板分布位置，最终确定循环水能够均匀冷却，无死区。输入 参 数:水 压:0.60MPa，冷 却 水 流 量15m3/min，分析冷却水的流态分布如图 5 所示。结论:从流态分析云图分析冷却水流动分布均匀，冷却效果好，符合设计要求。4 1 2阀板强度校核图 5阀板流态分析云图经分析判断，阀板断裂的主要原因是:阀板在调节使用过程中，处于半开半闭状态时，阀板上下部冷热不均存在较大温差，温差导致热应力的产生，当热应力超过材料的抗拉应力极限时将阀板拉断。因此对阀板钢结构的强度计算的基本思路如下:计算过程如下:(1)阀板冷热交界面处的热应力计算，公式为:热=E1T;式中:热热应力，MPa;T冷热面处温差值，取 1000;E耐材弹性模量，取 5.1 103N/mm2;1耐材线膨胀系数，取 4.9 106/。计算得:热=24.99MPa。(2)超出耐材承受能力的剩余热应力计算，公式为:022022 年 12 月第 6 期总第 280 期冶金设备剩=热 耐拉;式中:剩剩余应力，MPa;耐拉耐材抗拉强度，取 6MPa。计算得:剩=18.99MPa。(3)钢结构处将承受剩余的的拉力，计算公式为:F拉=剩 S耐;式中:F拉钢板处拉力，N;S耐耐材截面面积，取 519520mm2。计算得:F拉=9865684.8N。(4)钢结构承受的拉应力，计算公式为:拉=F拉/S钢;式中:拉钢材拉应力，MPa;S钢钢结构截面积，取 88640mm2。计算得:拉=111.3MPa。(5)钢材承受的拉应力与钢材的抗拉强度进行比较，计算安全系数，计算公式为:K=许/拉;式中:K安全系数;拉钢板的抗拉强度，钢板由于有冷却水进行冷却温度约为 40，该温度时抗拉强度为 470 630MP，取 470MPa。计算得:K=4.22。结论:阀板的安全系数为 4.22，强度满足设计需要。42阀体部分结构设计改进原烟气闸阀阀体部分存在的问题主要是:阀板脱落及管道腔体内脱落的杂物无法清理。本新型烟气闸阀对现有阀体存在的问题进行了优化改进，改进点为在阀体左右两侧各设置了一个检修口(见图 6)，打开检修口可观察阀门内部情况，若有杂物脱落也可通过本检修口进行清理。图 6阀体结构图43传动装置部分设计及改进传动装置结构见图 7，传动装置由框架、卷扬机、百叶窗、滑轮组、检修梯、刻度盘等零部件组成。图 7传动装置结构图由于阀门工况条件为微负压，上部采了百叶窗式结构设计。百叶窗的作用有两点:1 防止雨水进入阀门内部，保护耐火材料。2 当阀门开启时阀板提起，阀板由于长期在高温烟气环境中，提起时阀板为高温状态，采用百叶窗结构，可以快速散掉阀板上的热量，保护框架。采用卷扬机驱动，阀板上设置动滑轮组，可以根据阀门放入规格及阀板的重量调整动滑轮的组数，本方案为双组动滑轮，卷扬的驱动力为阀板重量的 1/4。卷扬机上设计有传感器，能输出 4mA 20mA 模拟信号，该信号输入中控室，通过 PLC 模块控制，可实时准确控制阀门的开度，解决了现有阀门无法精确控制阀门开度的问题;另框架上设有检修梯，方便检修。5结论新型的水冷型热回收焦炉烟气闸阀，解决了现有热回收焦炉烟气闸阀存在的阀板易断裂、使用寿命短、调节位置不准确等技术难题。该产品在国内某热回收焦炉余热发电系统中已得到整套应用，使用效果良好。随着近年国内热回收焦炉项目的兴起，本阀门具有广阔的应用市场前景。参考文献 1 印文宝，徐列，杨文彪，等 热回收焦炉炼焦技术的实践和研究 J 冶金能源，2020(01):36 40(转 120 页)12刘杰:热回收焦炉烟气阀门设计2022 年 12 月第 6 期等原料的混合物调成糊状，涂在钛试样面，干燥后，整个埋入含有 B4C 的粉末中，在 1123 1238K温度下进行热处理。2 3 2固体渗硼工艺固体粉末法渗硼是将工件放置于含硼的活性介质中，通过加热、保温和冷却，使硼