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山东联合阀门分析烟气脱硫阀门布置及选型
时间:2013-5-6 8:27:58 阅读次数:1271
烟气脱硫(FlueGasDesulfurization,FGD)是当今燃煤电厂控制二氧化硫排放的主要措施。其中石灰石石膏湿法烟气脱硫是世界各国应用最多和最成熟的工艺。虽然关于化工设备阀门设计、选型的参考资料很多,但是针对石灰石石膏湿法脱硫系统阀门选型的资料却不多,结合2x130t/h环保热电锅炉烟气脱硫系统案例,对小型锅炉FGD系统中阀门设置和选型方法进行了总结。
    1 脱硫系统阀门简介
    阀是用于管道系统中处理流体的控制装置,选择阀之前必须先了解各种阀的功能。FGD系统应用的主要阀门是截断阀、调节阀、止回阀、减压阀和安全阀。浆液系统中使用较多的是前两种。其中截断阀用以控制管路中介质的通过或截断,将管路系统隔离开来。调节阀用来调节管路中的介质流量和压力,使工艺参数稳定在所希望的范围内,在磨损严重的浆液管路系统中应尽量避免节流,可以采用调速泵和开关阀运行,或其他的运行方式,而不用调节阀,避免阀门磨损。
    2 介质性质与阀门选型要求
    FGD系统中所用阀门种类很多,由于脱硫工程中管道多与条件恶劣的介质接触,结垢、堵塞、腐蚀、磨损是FGD系统中常见问题,严重影响到系统的设备运转率。因此,正确地对阀门进行选型还需了解其所接触介质的性质。
    FGD浆液系统,按介质成分不同,分为石灰石浆液、石灰石石膏浆液和石膏浆液三大部分。其主要特点如下:(1)颗粒性,具有磨损性,石灰石浆液质量分数可达55%,密度达1500kg/m3;(2)pH=4~7,无机物化学弱酸腐蚀性;(3)含惰性物质的有机溶液,有机溶液腐蚀性;(4)流速快,一般设计中浆液流速控制在2.5m/s以下,实际运行中最大可达3.5m/s,有颗粒射流现象,循环水、工艺水最大可达5m/s;(5)Cl-浓度高:脱硫工程公司一般按20000mg/L设计,实际塔内最高达180000mg/L左右,废水中约40000mg/L左右,除具有酸性腐蚀外,还有强氧化性和还原性。总体而言,石灰石浆液磨蚀性较严重,石膏浆液更多地表现为腐蚀性。
    因此,对于阀门选型除了常规要求,如具有优良的产品设计、扭矩小、动作灵活、运行可靠、使用寿命长、维护费用少外,还要求防腐蚀、耐磨损,采用优质防腐材料。对于阀门配套的执行机构,还需熟知FGD系统中各个阀的功能,操作的频繁度和难易度。
    3 阀门选型实例及性能简介
    综合考虑FGD系统运行的可靠性和经济性,本烟气脱硫工程中浆液管道主要使用了蝶阀和调节阀,仪控一次阀使用了隔膜阀、截止阀和球阀。下面对各个阀门的设置和该阀门的特征进行说明。
    3.1 蝶阀
    蝶阀是根据管道挡板的原理,用一有倾角的盘(门)作为控制元件,圆盘固定在心轴上,并以能旋转的心轴来控制开闭,阀座可为金属、橡胶、特氟隆等材料,固定于阀体壁上。此阀构造简单,其阀体为薄饼型、质量小,占空间小,可作节流及开闭之用,尤其适用于大流量的控制,不适用于小流量。蝶阀虽然可以作调节阀使用,但不能用来调节带有大量固体颗粒物的浆液的流量。由于阀盘始终处于浆液流体中,用阀盘来节流,不仅阀盘易磨损,而且会很快磨损其下游侧的橡胶衬管,特别在流速较高的管路中,阀门关闭时更是如此。因此,蝶阀在大多数浆液管道上是用作关断阀。
    蝶阀具有如下特点:(1)尺寸小、质量小,便于安装,其质量只有同级闸阀的1/3~1/4,高度和宽度只有同级闸阀的1/3;(2)切断性能比闸阀、截止阀好;(3)调节性能好,不仅压降小,而且调节范围广;(4)结构简单,易于维护;。易于配置自控执行机构;(5)与相同温度、压力等级的闸阀、截止阀比较,蝶阀价格低廉。
    浆液系统中使用的是对夹式衬胶蝶阀,公称通径整体对夹式结构采用穿过螺栓的装配型式,以便具有最大抗管线应力的性能。本期工程阀门公称通径范围为DN50~600,冲洗水阀、放空管道、滤液回塔管道均采用对夹式衬胶蝶阀。
    蝶阀可电动、气动或手动操作,与操作频繁度和难易程度有关。本期工程循环浆液管道通径DN600,考虑到手动操作困难,采用电动执行机构,循环泵出口冲洗管道标高3m以上,人工难以操作,也选用电动执行机构。石膏浆液排出泵和除雾器冲洗水管道因操作频繁、要求控制灵敏,也选用电动执行机构。其他小浆液管道、冲洗水、放空管路均选用手动执行机构,在满足稳定运行要求下尽量实现经济节省性。
    近年来阀门材质也发生了一些变化,对于浆液管道一般阀体采用球墨铸铁,阀座EPDM(乙丙烯橡胶),阀板、阀杆在不同介质条件下选材上也有所不同:介质为[Cl-]50000~180000mg/L的石灰石浆液和石膏浆液时可选用具有强耐腐蚀性能的Ni基合金;3000mg/L<[Cl-]<50000mg/L的浆液回收水时可选用超级奥氏体不锈钢114529、254SMO;[Cl-]<30000mg/L的石灰石、石膏浆液或回收水,可使用双相不锈钢2507、2205。以前通常认为系统中[Cl-]较高,经过优化后通常可以控制FGD系统中[Cl-][20000mg/L,而较多使用了双相不锈钢。
    本期工程设计条件下稳定运行FGD系统中[Cl-][20000mg/L,故阀板阀杆材质选用双相不锈钢2507。
    3.2 调节阀
    一般FGD工程石灰石浆液进塔管路和旋流器回流管道设置调节阀。由于电动调节阀费用较高,本期工程仅石灰石浆液进塔管道处选用了电动V型陶瓷调节球阀,阀前端设置孔板,由孔板两端取压差信号引入调节阀执行机构。旋流器溢流回流管道选用蝶阀加节流孔板实现调控。
    电动V型陶瓷调节球阀由电动执行机构与V型球阀二部分组成,阀芯选用优质陶瓷。V型开口球体与阀座之间具有剪切作用,当介质中含有纤维或固体颗粒时,V形球体不会卡死,仍保证良好的密封性。阀芯采用优质陶瓷,有较高的抗磨蚀性能,阀座保护环可防止流体直接冲刷阀座,延长阀座寿命。
    在实际调试过程中发现,由于石灰石浆液回流管道上节流孔板过大,调节阀在调试过程中存在死区,调节阀开度和流量也不能很好地形成曲线,增加了调试工作量。
    若为石灰石浆液进料泵加装变频电机能很好地解决该问题,既能实现连续调整进塔浆液流量,还能大大节省费用。
    3.3 仪控一次阀
    本期工程仪控一次阀主要使用了手动隔膜阀、截止阀和球阀。吸收塔液位压力变送器均采用DN50,PN1.6手动隔膜阀;石膏排出泵、循环泵、事故浆液泵、石灰石浆液泵、集水坑泵出口设就地压力表,一次阀也采用DN50,PN1.6手动隔膜阀;烟气压力变送器、就地压力表、除雾器冲洗水压力表均采用DN10截止阀;石膏排出浆液pH计一次阀采用DN50,PN1.6球阀。
    隔膜阀是通过单行衬板的叠合来关断流体的。这种类型的阀门有双膜夹叠阀、屋脊式隔膜阀和中心节流阀。在FGD系统中,隔膜阀多用于清洁水、废水处理系统流量调节,用于小口径浆管中,如测量仪和排空管路上的隔离阀。另外,隔膜阀非常适合动作频繁的场合,也可用在动作不太频繁的场合。
    但在烟气脱硫工程中发现,浆液的流速过快,颗粒性介质在0.3~0.6MPa的压力推动下,形成的颗粒射流如子弹一样作用在堰式隔膜阀的阀台上,对阀台的损伤较为严重,易造成阀门的堵塞和产生内漏,所以,现在一般采用直通式隔膜阀取代原来的堰式隔膜阀。
    截止阀是利用阀杆升降带动与之相连的圆形阀盘,改变阀盘与阀座间距达到控制阀门的启闭。截止阀上部有手轮、阀杆,中部有螺纹和填料函密封段,小型阀门阀杆上螺纹在阀体内,结构紧凑,但阀杆与介质接触部分多,尤其螺纹部分易腐蚀,从阀杆露出阀盖的高度可判断阀门开启程度,为防止介质从阀杆漏出,可在阀杆穿出阀盖部分用填料来密封。截止阀结构复杂,但操作简单,不甚费力,易于调节流量和截断通道,启闭缓慢、无水锤现象,故使用广泛。截止阀安装时要注意流体方向,使管路流体由下向上流过阀座,即所谓的/低进高出0。目的是减少流体阻力,开启省力和关闭状态下填料函部分不与介质接触,保证阀杆和填料函不致损坏和泄漏。截止阀主要用于水、蒸汽、压缩空气及各种物料的管路,可较精确地调节流量和严密地截断通道,但不能用于粘度大、易结晶的物料。
    球阀由插入阀体中的球塞来控制阀塞内通道截面积,是可以迅速启闭的阀门,阀芯有横向开孔,流体以直线通过阀体,有微小的压力降,适用于悬浮液或粘稠液。球阀外形规整,易于做成夹套阀用于需保温的情况,可较方便地制成气动或电动阀进行遥控,现一般使用PTFE、EPDM等材料为阀座,因此,气泡密封性好,但因阀座为PTFE材质,其使用温度一般受限于250℃以下。一般用于全开或全关,不作节流使用(除非开口特殊钻石形状并经处理过)。     
    脱硫工程中使用的阀门按驱动装置分类,有电动驱动、气动驱动、手动驱动和液压驱动阀门,一般限于安装环境、操作、运转条件或次数,及电脑应用的普及程度,整个系统可以实现连线与监控,无须手动驱动。但是,由于造价上手动驱动阀门价格便宜,又由于手轮或加装齿轮减速装置的经济性与耐用性,对于小脱硫机组而言,需严格控制工程造价,手动驱动阀门仍常被采用。
    考虑到阀门的可操作性和操作频繁度,在保证系统稳定运行的基础上,除了循环浆液泵入口,石膏浆液排出泵进出口、除雾器冲洗水这些操作频繁的阀门外,其他阀门尽量选用手动驱动阀门。
    4 循环浆液泵出口阀门的设置
    浆液循环泵作为脱硫系统主设备之一,在FGD工程造价、运行维护费用中都占有较大份额。早期引进的国外脱硫工艺在循环泵出口均设置阀门,经过多方技术糅合和优化后,国内脱硫技术力争在技术可靠的基础上,实现经济最节省,较多的脱硫公司选择循环浆液泵省略掉出口阀门,这基于以下认识:(1)目前高压电动机无论从制造工艺上还是绝缘材料上,同以前均不可同日而语,启动力矩和绝缘等级完
    全可以满足浆液循环泵启动过程要求;(2)正常情况下循环浆液泵不可能随意启停,浆液反冲导致的叶轮带动电机反转,不会对系统产生明显的影响。考虑设备非正常运行方式对系统的影响,机械密封和泵的厂家都明确要求不要反转;(3)在停泵瞬间浆液倒流引起的倒转是叶轮带动泵轴,与由于电机反转完全不同,不会引起叶轮松脱的后果;(4)大口径的用于脱硫浆液系统的阀门造价确实较高;(5)检修时可采取临时加堵板来解决。
    但是,多个电厂的运行维护经验表明,因为泵的出口管径较大,工作量较大,加堵板的时候会有烟气窜出来,从而影响工人健康。由此提出可以在泵出口增加手动阀,对阀门的密封要求可以适当降低一些,只要能够在泵检修时阻止大部分的烟气就行。但是,考虑到浆液循环泵出口的工作条件,在腐蚀性和磨蚀性都很强的石膏浆液大流量冲刷条件下不是性能低的阀门可以胜任的。
    循环泵不设置出口阀门主要是考虑到成本的原因,但是运行故障需要检修时烟气倒灌对检修人员的危害也不容忽视,综合考虑经济性和安全性,可以在每台循环泵出口管的上端(靠近吸收塔平台)设置一个支管,FGD系统正常运行时用盲板堵上,FGD故障检修时拆开小堵板,将一只放了气的气囊通过支管放入循环浆泵的出口管道内,然后充气进行密封,隔断烟气、防止烟气倒流,泵检修后放气取出再装上小堵板。这样既节省了投资,又能为检修人员提供良好的操作环境。
    5 结语
    阀门是FGD工程中不可或缺的设备。在设置和选型的时候要综合考虑阀门接触介质性质和不同型式阀门使用性能,对阀门型式、阀体材料及执行机构进行合理选择,保证系统稳定运行、经济合理。
    (1)蝶阀体积小、质量小,是FGD浆液系统中应用最多的阀门,多用作截断阀,在操作频繁和操作困难时选用电动执行机构驱动。阀门材质经济实用。
    (2)电动调节阀能对流体进行实时有效的调控,但是价格昂贵,除石灰石浆液进塔管路因控制要求严格而设置了电动调节阀外,FGD系统中其他流量调节阀可以用蝶阀加节流孔板代替。
    (3)仪控一次阀主要使用隔膜阀、截止阀和球阀,一般而言,与浆液主管道相连的采用隔膜阀,与清洁介质相连的采用截止阀。
    (4)循环泵出口可以不设置阀门,在循环泵出口管的上端设置支管加盲板,需要检修时配合气囊使用,达到经济性和环境友好性的协调统一。