蓄熱式焚燒爐切換閥的優(yōu)化設(shè)計(jì)

□ 蔡 偉

恩國環(huán)?？萍?上海)有限公司 上海 201805

1 優(yōu)化設(shè)計(jì)背景

大氣中的揮發(fā)性有機(jī)物是對(duì)流層臭氧和細(xì)顆粒物的重要前體物,這些空氣污染物嚴(yán)重影響人體健康與氣候環(huán)境。近年來,人們的環(huán)保意識(shí)不斷增強(qiáng),對(duì)控制大氣污染的要求日益提高。經(jīng)濟(jì)、有效地處理含有揮發(fā)性有機(jī)化合物的廢氣已經(jīng)是迫切需要解決的問題。蓄熱式焚燒爐的揮發(fā)性有機(jī)物凈化率高于95%,是目前國內(nèi)揮發(fā)性有機(jī)物廢氣治理行業(yè)的主流設(shè)備。國內(nèi)揮發(fā)性有機(jī)物蓄熱式熱氧化處理技術(shù)經(jīng)過二十多年的發(fā)展,在有機(jī)物破壞去除效率、適用范圍及運(yùn)行費(fèi)用等方面顯現(xiàn)出巨大優(yōu)勢。

切換閥是揮發(fā)性有機(jī)物處理系統(tǒng)中蓄熱式焚燒爐的重要組件,主要用于控制設(shè)備的進(jìn)出氣以及氣流換向。正常使用工況下,切換閥開閉動(dòng)作頻繁,往往需要超過上百萬次的來回切換,很可能會(huì)由于頻繁切換使進(jìn)出口閥門密封面受到較大的沖擊而發(fā)生變形,導(dǎo)致閥門的密封性能下降。閥門的切換動(dòng)作和密封性直接影響廢氣凈化效果和設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)。筆者針對(duì)上述問題,采用改進(jìn)閥門密封設(shè)計(jì)形式,引入氣封空氣對(duì)密封面進(jìn)行氣封,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)100%隔絕閥門兩側(cè)含揮發(fā)性有機(jī)物工藝廢氣目標(biāo)。

2 蓄熱式焚燒爐運(yùn)行流程

蓄熱式焚燒爐運(yùn)行流程如圖1所示。揮發(fā)性有機(jī)物廢氣通過第一槽蓄熱陶瓷時(shí)吸熱升溫,經(jīng)氧化槽氧化放熱,熱煙氣經(jīng)過第二槽蓄熱陶瓷吸熱后降溫。蓄熱陶瓷吸收存儲(chǔ)熱量并為下一個(gè)循環(huán)冷態(tài)廢氣升溫,蓄熱陶瓷熱效率可達(dá)95%以上,是一種高效熱量回收材料。蓄熱陶瓷經(jīng)過120～180 s吸熱后達(dá)到熱飽和,因此廢氣的流向需相應(yīng)改變。蓄熱式焚燒爐通過切換閥啟閉來切換氣流流向,閥門需頻繁啟閉。蓄熱式焚燒爐低溫區(qū)與出入口切換閥相連,閥門如有泄漏,未處理揮發(fā)性有機(jī)物會(huì)泄漏至出口排氣中,造成出口揮發(fā)性有機(jī)物濃度超標(biāo),無法達(dá)標(biāo)排放。因此閥門的密封性能對(duì)系統(tǒng)達(dá)標(biāo)排放至關(guān)重要。

▲圖1 蓄熱式焚燒爐運(yùn)行流程

3 蓄熱式焚燒爐切換閥形式比較

蓄熱式焚燒爐切換閥作為重要部件,應(yīng)具有結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉、穩(wěn)定可靠、容易制造、故障率低及易于維護(hù)等特點(diǎn)。目前常用于蓄熱式焚燒爐系統(tǒng)的切換閥有五種類型,見表1。

表1 蓄熱式焚燒爐切換閥類型

氣動(dòng)蝶閥由氣動(dòng)執(zhí)行器和蝶閥組成,通過壓縮空氣驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器,帶動(dòng)閥桿閥板繞軸線旋轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)閥門開關(guān)。閥座上裝有密封填料,常用密封填料有丁腈橡膠、氟橡膠、聚四氟乙烯等。閥門關(guān)閉時(shí),金屬閥板與密封圈接觸實(shí)現(xiàn)密封效果。氣動(dòng)蝶閥具有構(gòu)造簡單、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn),也有密封填料需經(jīng)常更換、易泄漏、使用溫度受密封填料限制等缺點(diǎn)。氣動(dòng)蝶閥適用于處理效率要求不高、具備定期檢維修條件的項(xiàng)目。

三偏心蝶閥是一種三偏心結(jié)構(gòu),閥體與閥座密封圈為面接觸。傳動(dòng)裝置帶動(dòng)蝶板運(yùn)動(dòng),蝶板在運(yùn)動(dòng)過程中,其密封圈與閥座得到充分的接觸。三偏心蝶閥屬于扭力密封,不依靠閥座的彈性變形來實(shí)現(xiàn)密封,而是依靠密封面的接觸面壓來達(dá)到密封效果,解決了普通蝶閥泄漏率高的問題。但三偏心蝶閥因其構(gòu)造限制,不適用通經(jīng)DN200以下閥門,且三偏心閥門具有價(jià)格高、質(zhì)量大、切換速度慢及切換瞬間泄漏量大的缺點(diǎn),僅小規(guī)模應(yīng)用于蓄熱式焚燒爐系統(tǒng)。

金屬硬密封閥如圖2所示,由執(zhí)行氣缸、氣缸軸桿連接器、閥門盤片組、閥座等主要部件組成。由壓縮空氣推動(dòng)執(zhí)行氣缸,帶動(dòng)閥門盤片組運(yùn)動(dòng),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)閥門的開關(guān)。閥門盤片組由多組不同尺寸不同厚度的碟片組成。閥座表面經(jīng)過精加工后,密封面非常平整。當(dāng)壓縮空氣控制的執(zhí)行氣缸關(guān)閉時(shí),盤片被壓至閥座上,與閥座密封薄碟片產(chǎn)生微量變形,使得碟片與閥座圈能夠完全密封。該閥門因結(jié)構(gòu)簡單、開關(guān)響應(yīng)時(shí)間短、泄漏量小、無填料損壞泄漏風(fēng)險(xiǎn)及維護(hù)便捷等優(yōu)點(diǎn),已廣泛應(yīng)用于焚燒爐系統(tǒng),但仍達(dá)不到零泄漏要求。適用于較低處理效率即可達(dá)標(biāo)項(xiàng)目。

▲圖2 金屬硬密封閥

金屬硬密封與密封填料組合式閥門具有硬密封閥結(jié)構(gòu)簡單、開關(guān)響應(yīng)時(shí)間短、無氣體泄漏等優(yōu)點(diǎn)。但閥門頻繁動(dòng)作后,密封填料仍會(huì)變形老化,若未停機(jī)更換或不具備停機(jī)條件下繼續(xù)運(yùn)行則會(huì)影響處理效率,進(jìn)而導(dǎo)致處理后廢氣排放濃度升高或超標(biāo)。金屬硬密封與密封填料組合閥適用于有條件定期停機(jī)檢維修的項(xiàng)目,不適用于連續(xù)運(yùn)行不能停機(jī)項(xiàng)目。

氣道密封閥如圖3所示,設(shè)置于蓄熱式焚燒爐底部,由環(huán)形氣道、密封盤片、滑動(dòng)導(dǎo)軌、聯(lián)軸器、氣缸、電磁閥及隔墻等部件組成。隔墻將底部分為進(jìn)氣煙道、低溫區(qū)、排氣煙道三個(gè)區(qū)域。環(huán)形氣道的閥座固定于隔墻開孔上。密封盤片由聯(lián)軸器與氣缸連接,電磁閥依據(jù)控制信號(hào)控制氣缸并帶動(dòng)密封盤片在滑動(dòng)導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)閥門的開關(guān)控制。 環(huán)形氣道截面為C形結(jié)構(gòu),開口側(cè)與密封盤片接觸。當(dāng)閥門關(guān)閉時(shí),環(huán)形氣道形成密封區(qū)域。此時(shí)向環(huán)形氣道內(nèi)通入高壓密封空氣,因進(jìn)排氣煙道及低溫區(qū)的氣體壓力小于密封空氣壓力,廢氣無法穿過氣道泄漏至另一側(cè)。氣道密封閥結(jié)構(gòu)與金屬硬密封閥結(jié)構(gòu)類似,具有結(jié)構(gòu)簡單,開關(guān)響應(yīng)時(shí)間短、無填料損壞泄漏風(fēng)險(xiǎn)及維護(hù)便捷等優(yōu)點(diǎn)。氣道密封閥可有效避免金屬硬密封閥微量泄漏問題,因此具有密封效果佳、適用性強(qiáng)、使用范圍廣等特點(diǎn),目前已應(yīng)用于各類蓄熱式焚燒爐項(xiàng)目中。

▲圖3 氣道密封閥

4 設(shè)計(jì)優(yōu)化

傳統(tǒng)的氣動(dòng)蝶閥、三偏心蝶閥、三通切換閥及零泄漏提升閥均為單獨(dú)外置設(shè)備,外置閥門及管道如圖4所示。優(yōu)化設(shè)計(jì)后的氣道密封閥如圖5所示。

▲圖4 外置閥門及管道

▲圖5 優(yōu)化設(shè)計(jì)后氣道密封閥

將閥板與閥座內(nèi)置于蓄熱式焚燒爐底部煙道內(nèi),省去閥體外殼成本,降低閥門造價(jià)。傳統(tǒng)外置閥門需在焚燒爐外圍設(shè)置管道,系統(tǒng)占地大,硬化地坪投資高。優(yōu)化后的氣道密封閥采用氣缸直接驅(qū)動(dòng),閥門開關(guān)時(shí)間小于0.5 s,小于傳統(tǒng)閥門。因此,閥門開關(guān)瞬間泄漏的氣體量比傳統(tǒng)閥門更少。優(yōu)化后氣道密封閥摒棄傳統(tǒng)閥門采用密封填料,采用高壓空氣作為密封介質(zhì),避免填料閥長期運(yùn)行導(dǎo)致泄漏問題。高壓空氣作為易于取得介質(zhì)并不會(huì)造成成本升高。有機(jī)廢氣中若含有黏附性物質(zhì),往往會(huì)黏附于閥門密封面。利用填料密封的閥門因密封面不平整,泄漏率會(huì)明顯上升。

優(yōu)化后氣道密封閥在保證密封氣體壓情況下,即使密封面不平整也能保證廢氣不泄漏。對(duì)于腐蝕性廢氣,金屬硬密封閥及三偏心蝶閥存在密封面腐蝕泄漏風(fēng)險(xiǎn)。優(yōu)化后氣道封密閥采用熱氣封氣,熱氣封氣在對(duì)閥門氣封同時(shí)加熱閥體,高溫閥體可有效減少酸露形成與附著,進(jìn)而減緩閥體腐蝕。因此優(yōu)化后氣道密封閥的使用壽命及穩(wěn)定性遠(yuǎn)大于常規(guī)閥門。

5 效率檢測

雖然優(yōu)化后氣道密封閥優(yōu)勢明顯,但在大規(guī)模應(yīng)用前還需要檢測閥門效果是否如理論預(yù)期一樣簡單高效。優(yōu)化后氣道密封閥由于采用正壓氣體密封,密封面無需很高加工精度。因而會(huì)有少量密封空氣進(jìn)入出入口煙道以及低溫區(qū)。如采用標(biāo)準(zhǔn)閥門泄漏方式進(jìn)行檢測,直接將泄漏的氣封空氣作為泄漏明顯不符合其作為隔絕氣作用。為準(zhǔn)確評(píng)估優(yōu)化后的氣道密封閥在揮發(fā)性有機(jī)物處理系統(tǒng)中發(fā)揮作用,需特別設(shè)計(jì)符合運(yùn)行工況的檢測流程。優(yōu)化后的氣道密封閥采用正壓空氣密封,閥前為未處理揮發(fā)性有機(jī)物。入口使用氦氣模擬工藝廢氣中的揮發(fā)性有機(jī)物,在出口側(cè)密封面處檢測氦氣濃度,進(jìn)而確認(rèn)泄漏至出口側(cè)氦氣量。打開入口控制閥,向入口側(cè)氣道內(nèi)充入模擬揮發(fā)性有機(jī)物的氦氣,并控制入口壓力為8.75 kPa左右。打開并調(diào)節(jié)氣封空氣,使其壓力始終高于入口氦氣壓力。將吸槍用軟管接至氦質(zhì)譜檢漏儀上,并與該檢漏儀一起調(diào)整至良好的檢漏狀態(tài)。將吸槍對(duì)正壓校準(zhǔn)漏孔出氣口進(jìn)行掃描,注意吸槍口與正壓校準(zhǔn)漏孔出氣口的距離和移動(dòng)速度。在正壓檢漏時(shí)需以類似的距離和移動(dòng)速度進(jìn)行嗅探,采用信號(hào)比對(duì)法判定大致泄漏率,這一方法可以較準(zhǔn)確定位漏孔。由于少量氣封空氣會(huì)通過密封面進(jìn)入入口煙道內(nèi),因此入口氦氣濃度會(huì)有小幅波動(dòng)。經(jīng)1 h多組檢測測得入口氦氣濃度由0.1降至0.033,如圖6所示。同時(shí)段使用檢漏儀檢測出口側(cè)密封面處泄漏氦氣濃度,如圖7所示。測得出口側(cè)氦氣濃度始終小于10-6,如圖8所示。氦質(zhì)譜檢測儀的最小檢測精度為10-6,即使氣體中沒有氦氣,檢測儀仍會(huì)顯示為小于10-6,因而可以認(rèn)定入口側(cè)無氦氣通過氣道密封閥泄漏至出口側(cè),氣道密封閥達(dá)到100%隔絕揮發(fā)性有機(jī)物效果。

▲圖6 入口氦氣濃度▲圖7 出口側(cè)密封面檢測

▲圖8 出口氦氣濃度

6 結(jié)束語

通過與氣動(dòng)蝶閥、三偏心蝶閥、金屬硬密封閥、金屬硬密封、密封填料組合閥對(duì)比分析,優(yōu)化后的氣道密封閥解決了傳統(tǒng)閥門密封失效,有微量泄漏,成本高,質(zhì)量大,切換瞬間泄漏量大,使用溫度受密封填料限制等問題。

優(yōu)化之后的氣道密封閥具有以下優(yōu)點(diǎn):① 結(jié)構(gòu)簡單,無需高精度精密加工;② 將閥芯放置于煙道內(nèi),省去閥體材料,且節(jié)省系統(tǒng)占地,從而節(jié)省設(shè)備及施工建設(shè)成本;③ 取消密封填料,無需定期停機(jī)更換填料,最高使用溫度依閥體金屬材料而定,使用溫度高于常用非金屬填料閥;④ 閥門質(zhì)量小,切換動(dòng)作迅速,切換瞬間泄漏量小于其它類型閥門;⑤ 閥門關(guān)閉狀態(tài)下可做到100%隔絕揮發(fā)性有機(jī)物工藝廢氣,做到真正意義無泄漏,從而提升蓄熱式焚燒爐處理效率。

蓄熱式焚燒爐切換閥的優(yōu)化設(shè)計(jì)效果良好。