蓄热式焚烧炉切换阀的优化设计

□ 蔡 伟

恩国环保科技(上海)有限公司 上海 201805

大气中的挥发性有机物是对流层臭氧和细颗粒物的重要前体物,这些空气污染物严重影响人体健康与气候环境。近年来,人们的环保意识不断增强,对控制大气污染的要求日益提高。经济、有效地处理含有挥发性有机化合物的废气已经是迫切需要解决的问题。蓄热式焚烧炉的挥发性有机物净化率高于95%,是目前国内挥发性有机物废气治理行业的主流设备。国内挥发性有机物蓄热式热氧化处理技术经过二十多年的发展,在有机物破坏去除效率、适用范围及运行费用等方面显现出巨大优势。

切换阀是挥发性有机物处理系统中蓄热式焚烧炉的重要组件,主要用于控制设备的进出气以及气流换向。正常使用工况下,切换阀开闭动作频繁,往往需要超过上百万次的来回切换,很可能会由于频繁切换使进出口阀门密封面受到较大的冲击而发生变形,导致阀门的密封性能下降。阀门的切换动作和密封性直接影响废气净化效果和设备正常运转。笔者针对上述问题,采用改进阀门密封设计形式,引入气封空气对密封面进行气封,进而实现100%隔绝阀门两侧含挥发性有机物工艺废气目标。

蓄热式焚烧炉运行流程如图1所示。挥发性有机物废气通过第一槽蓄热陶瓷时吸热升温,经氧化槽氧化放热,热烟气经过第二槽蓄热陶瓷吸热后降温。蓄热陶瓷吸收存储热量并为下一个循环冷态废气升温,蓄热陶瓷热效率可达95%以上,是一种高效热量回收材料。蓄热陶瓷经过120～180 s吸热后达到热饱和,因此废气的流向需相应改变。蓄热式焚烧炉通过切换阀启闭来切换气流流向,阀门需频繁启闭。蓄热式焚烧炉低温区与出入口切换阀相连,阀门如有泄漏,未处理挥发性有机物会泄漏至出口排气中,造成出口挥发性有机物浓度超标,无法达标排放。因此阀门的密封性能对系统达标排放至关重要。

▲图1 蓄热式焚烧炉运行流程

蓄热式焚烧炉切换阀作为重要部件,应具有结构简单、价格低廉、稳定可靠、容易制造、故障率低及易于维护等特点。目前常用于蓄热式焚烧炉系统的切换阀有五种类型,见表1。

表1 蓄热式焚烧炉切换阀类型

气动蝶阀由气动执行器和蝶阀组成,通过压缩空气驱动执行器,带动阀杆阀板绕轴线旋转,实现阀门开关。阀座上装有密封填料,常用密封填料有丁腈橡胶、氟橡胶、聚四氟乙烯等。阀门关闭时,金属阀板与密封圈接触实现密封效果。气动蝶阀具有构造简单、价格便宜等优点,也有密封填料需经常更换、易泄漏、使用温度受密封填料限制等缺点。气动蝶阀适用于处理效率要求不高、具备定期检维修条件的项目。

三偏心蝶阀是一种三偏心结构,阀体与阀座密封圈为面接触。传动装置带动蝶板运动,蝶板在运动过程中,其密封圈与阀座得到充分的接触。三偏心蝶阀属于扭力密封,不依靠阀座的弹性变形来实现密封,而是依靠密封面的接触面压来达到密封效果,解决了普通蝶阀泄漏率高的问题。但三偏心蝶阀因其构造限制,不适用通经DN200以下阀门,且三偏心阀门具有价格高、质量大、切换速度慢及切换瞬间泄漏量大的缺点,仅小规模应用于蓄热式焚烧炉系统。

金属硬密封阀如图2所示,由执行气缸、气缸轴杆连接器、阀门盘片组、阀座等主要部件组成。由压缩空气推动执行气缸,带动阀门盘片组运动,进而实现阀门的开关。阀门盘片组由多组不同尺寸不同厚度的碟片组成。阀座表面经过精加工后,密封面非常平整。当压缩空气控制的执行气缸关闭时,盘片被压至阀座上,与阀座密封薄碟片产生微量变形,使得碟片与阀座圈能够完全密封。该阀门因结构简单、开关响应时间短、泄漏量小、无填料损坏泄漏风险及维护便捷等优点,已广泛应用于焚烧炉系统,但仍达不到零泄漏要求。适用于较低处理效率即可达标项目。

▲图2 金属硬密封阀

金属硬密封与密封填料组合式阀门具有硬密封阀结构简单、开关响应时间短、无气体泄漏等优点。但阀门频繁动作后,密封填料仍会变形老化,若未停机更换或不具备停机条件下继续运行则会影响处理效率,进而导致处理后废气排放浓度升高或超标。金属硬密封与密封填料组合阀适用于有条件定期停机检维修的项目,不适用于连续运行不能停机项目。

气道密封阀如图3所示,设置于蓄热式焚烧炉底部,由环形气道、密封盘片、滑动导轨、联轴器、气缸、电磁阀及隔墙等部件组成。隔墙将底部分为进气烟道、低温区、排气烟道三个区域。环形气道的阀座固定于隔墙开孔上。密封盘片由联轴器与气缸连接,电磁阀依据控制信号控制气缸并带动密封盘片在滑动导轨上运动,进而实现对阀门的开关控制。

环形气道截面为C形结构,开口侧与密封盘片接触。当阀门关闭时,环形气道形成密封区域。此时向环形气道内通入高压密封空气,因进排气烟道及低温区的气体压力小于密封空气压力,废气无法穿过气道泄漏至另一侧。气道密封阀结构与金属硬密封阀结构类似,具有结构简单,开关响应时间短、无填料损坏泄漏风险及维护便捷等优点。气道密封阀可有效避免金属硬密封阀微量泄漏问题,因此具有密封效果佳、适用性强、使用范围广等特点,目前已应用于各类蓄热式焚烧炉项目中。

▲图3 气道密封阀

传统的气动蝶阀、三偏心蝶阀、三通切换阀及零泄漏提升阀均为单独外置设备,外置阀门及管道如图4所示。优化设计后的气道密封阀如图5所示。

▲图4 外置阀门及管道

▲图5 优化设计后气道密封阀

将阀板与阀座内置于蓄热式焚烧炉底部烟道内,省去阀体外壳成本,降低阀门造价。传统外置阀门需在焚烧炉外围设置管道,系统占地大,硬化地坪投资高。优化后的气道密封阀采用气缸直接驱动,阀门开关时间小于0.5 s,小于传统阀门。因此,阀门开关瞬间泄漏的气体量比传统阀门更少。优化后气道密封阀摒弃传统阀门采用密封填料,采用高压空气作为密封介质,避免填料阀长期运行导致泄漏问题。高压空气作为易于取得介质并不会造成成本升高。有机废气中若含有黏附性物质,往往会黏附于阀门密封面。利用填料密封的阀门因密封面不平整,泄漏率会明显上升。

优化后气道密封阀在保证密封气体压情况下,即使密封面不平整也能保证废气不泄漏。对于腐蚀性废气,金属硬密封阀及三偏心蝶阀存在密封面腐蚀泄漏风险。优化后气道封密阀采用热气封气,热气封气在对阀门气封同时加热阀体,高温阀体可有效减少酸露形成与附着,进而减缓阀体腐蚀。因此优化后气道密封阀的使用寿命及稳定性远大于常规阀门。

虽然优化后气道密封阀优势明显,但在大规模应用前还需要检测阀门效果是否如理论预期一样简单高效。优化后气道密封阀由于采用正压气体密封,密封面无需很高加工精度。因而会有少量密封空气进入出入口烟道以及低温区。如采用标准阀门泄漏方式进行检测,直接将泄漏的气封空气作为泄漏明显不符合其作为隔绝气作用。为准确评估优化后的气道密封阀在挥发性有机物处理系统中发挥作用,需特别设计符合运行工况的检测流程。优化后的气道密封阀采用正压空气密封,阀前为未处理挥发性有机物。入口使用氦气模拟工艺废气中的挥发性有机物,在出口侧密封面处检测氦气浓度,进而确认泄漏至出口侧氦气量。打开入口控制阀,向入口侧气道内充入模拟挥发性有机物的氦气,并控制入口压力为8.75 kPa左右。打开并调节气封空气,使其压力始终高于入口氦气压力。将吸枪用软管接至氦质谱检漏仪上,并与该检漏仪一起调整至良好的检漏状态。将吸枪对正压校准漏孔出气口进行扫描,注意吸枪口与正压校准漏孔出气口的距离和移动速度。在正压检漏时需以类似的距离和移动速度进行嗅探,采用信号比对法判定大致泄漏率,这一方法可以较准确定位漏孔。由于少量气封空气会通过密封面进入入口烟道内,因此入口氦气浓度会有小幅波动。经1 h多组检测测得入口氦气浓度由0.1降至0.033,如图6所示。同时段使用检漏仪检测出口侧密封面处泄漏氦气浓度,如图7所示。测得出口侧氦气浓度始终小于10-6,如图8所示。氦质谱检测仪的最小检测精度为10-6,即使气体中没有氦气,检测仪仍会显示为小于10-6,因而可以认定入口侧无氦气通过气道密封阀泄漏至出口侧,气道密封阀达到100%隔绝挥发性有机物效果。

▲图6 入口氦气浓度▲图7 出口侧密封面检测

▲图8 出口氦气浓度

通过与气动蝶阀、三偏心蝶阀、金属硬密封阀、金属硬密封、密封填料组合阀对比分析,优化后的气道密封阀解决了传统阀门密封失效,有微量泄漏,成本高,质量大,切换瞬间泄漏量大,使用温度受密封填料限制等问题。

优化之后的气道密封阀具有以下优点:① 结构简单,无需高精度精密加工;② 将阀芯放置于烟道内,省去阀体材料,且节省系统占地,从而节省设备及施工建设成本;③ 取消密封填料,无需定期停机更换填料,最高使用温度依阀体金属材料而定,使用温度高于常用非金属填料阀;④ 阀门质量小,切换动作迅速,切换瞬间泄漏量小于其它类型阀门;⑤ 阀门关闭状态下可做到100%隔绝挥发性有机物工艺废气,做到真正意义无泄漏,从而提升蓄热式焚烧炉处理效率。

蓄热式焚烧炉切换阀的优化设计效果良好。

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