顾悦
上海睿筑环境科技有限公司 201100
摘要：介绍了提升阀在蓄热式焚烧炉（RTO）中的工作原理，并对传统提升阀的换向周期进行了优化，在阀体设计上增加了气密封设计和轴密封设计，极大程度上减少了提升阀内过流气体的泄漏率，大幅度提高了RTO的净化效率，减少了VOCs的排放量。
关键词：提升阀；蓄热式焚烧炉；换向周期；密封设计；泄漏率
随着工业技术的迅速发展，大量VOCs作为工业尾气排放到环境中，蓄热式焚烧炉（RTO）因其处理浓度范围广，净化效率高，可处理成分复杂的废气等特点，广泛应用于VOCs治理工艺中。提升阀是RTO系统中的重要组成部件，其性能好坏对于RTO设备的运行非常关键，如何减少提升阀在高温环境中的泄漏量是近年来一直在研究讨论的问题。
1.提升阀的工作原理
如图所示，我司自主研发的提升阀主要由1阀体，2滑动阀杆，3阀板组成，其中阀板正下方为气体进出口。当废气需要进入RTO系统时，阀板垂直向上运动，升至5阀杆套管处即达到全开状态；当RTO系统时禁止废气流通时，阀板垂直向下回落至初始闭合状态。提升阀一般采用气缸作为动力元件，气源为洁净压缩空气。
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图1 提升阀结构示意图
2.提升阀泄漏原因分析
在RTO系统中，提升阀的应用环境较为苛刻，工作温度为0~300℃，过流介质常常又伴有腐蚀性、聚合性等等，这就要求提升阀本身耐高温、耐腐蚀性能良好。提升阀作为一个动作执行部件，每隔45-90s就要执行一次启闭动作，按照年运行时间8000h计算，提升阀每年启闭次数高达32万次。
在高温环境下，提升阀的材质因热应力作用而产生轻微变形，长期的腐蚀环境也容易使阀体内接触面的表面不平整，高频率的工作状态下，机械之间的磨损，阀体进出口的密封圈在长期恶劣环境中易产生疲劳损坏……上述原因都是提升阀本身结构损耗而容易造成过流介质泄漏的风险。
工作过程中，提升阀内高温气体压力较环境压力高，在阀体机械密封性能有所下降的状态下，更容易加剧废气泄漏。同时，由于提升阀换向的关系，进气提升阀与出气提升阀同时运动，导致气路短路，存在污染物逃逸风险。
3.提升阀的工作过程
以三塔式RTO焚烧炉为例[1]，炉体内包含燃烧室和3个蓄热室（A/B/C），每个蓄热室配备进气提升阀，出气提升阀，和吹扫阀。蓄热室有3种工作状态，分别为蓄热、放热和吹扫，正常运行时，3个蓄热室以蓄热、放热、吹扫的顺序进行周期循环；同一周期内，各个蓄热室工作状态均不同。
RTO运行时，低温废气自下而上通过放热区A，可以吸收放热区A内贮存的热量，到达燃烧室时，废气被预热至氧化所需要的温度，进行氧化反应；氧化后的废气温度很高，自上而下通过蓄热区B，蓄热区B不断吸收废气中的热量，温度逐渐上升，当废气达到蓄热区B出口时，温度降低至略高于入口温度；吹扫室C则通入少量的低温烟气或新鲜空气进行吹扫。
当放热区A内的热量消耗殆尽时，该区域蓄热体内的热量不足以将进气温度预热至自身燃烧温度，而蓄热区B因其不断吸收高温烟气的热量，温度持续升高接近炉膛允许最高温度；并且，由于放热室A内底部的废气并没有完全反应，需要将其反吹至燃烧室再次氧化，保证去除效率。
因此，需要减少蓄热区B的热量，对放热区A进行吹扫，将高温的洁净烟气引至吹扫区C进行排放。于是进入到下一个阶段，即原蓄热区B底部的出气提升阀关闭，打开进气提升阀，原蓄热区B开始执行放热工作；原放热区A底部的进气提升阀关闭，打开吹扫阀，原放热区A开始执行吹扫工作；原吹扫区C底部的吹扫阀关闭，打开出气提升阀，原吹扫区C开始执行蓄热工作。RTO炉体底部的提升阀通过开启和关闭，改变各蓄热室内进气和出气方向。
为了实现各个蓄热室的蓄热功能、放热功能和吹扫功能的连续切换和工作，形成了如表1所示的提升阀换向周期，在该周期的运转下，RTO的蓄热效率可以达到93%以上。
4.提升阀换向周期优化
根据三塔式RTO的运转功能切换，传统的提升阀换向为3周期为一个循环[2]，如下表1所示：
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在该循环下，RTO可以连续不间断地运转，相较于直燃式焚烧炉、催化氧化炉等极大地提高了热量利用率，减少了能源的消耗。
然而，在多组项目的尾气监测数据中我们发现，每次提升阀周期切换时，尾气测得的排放数据就会产生较大的波动，排放的污染物浓度是正常周期内的3倍甚至更多，深入研究探讨后我司认为，当蓄热体从出气阶段切换到进气阶段时，同一个蓄热室下方的进口提升阀与出口提升阀同时动作，由于蓄热室内压力较高，未经处理的废气易从进口阀门处直接压入压力较低的出口阀门，引起气体短路。由于提升阀的切换需要一定的动作时间，因此未经处理的污染物会在该段时间直接排放，虽然短路时间极短，但高温下气体流速高达15m/s，能迅速带走大量的污染物，甚至有可能造成废气排放超标。
因此，我司开发出新的提升阀的换向模式，在传统3周期的基础上进行优化升级，将提升阀的换向动作改为6周期一个循环，如下表2所示：
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该种换向模式的核心在于，在进气和出气的动作中间加入吹扫周期，避免提升阀进气和出气同时动作造成短路。同时，由于我司采用高压反向吹扫，特别是在进气阶段后，蓄热体底部依然存在一部分气体未进入燃烧室，通过吹扫可以将该部分气体吹至燃烧室进行燃烧，吹扫后的蓄热体洁净无残留污染物，高温废气排出时不会将未处理的污染物带出，极大地提升了RTO炉的净化效率。
5.提升阀的密封性改进
由于提升阀长期工作在高温环境下工作，随着工作时间的增长，提升阀阀板密封圈在使用过程中，阀板材料容易发生变形[3]。再者，通过提升阀的废气，成分一般较为复杂，存在少量颗粒物及黏性物质，使阀板表面不均匀地沾附颗粒物。
随着阀板材料的变形与表面颗粒物的增加，阀板与密封圈处易产生微小间隙，阀门的漏气量增加。
再者，提升阀的阀杆与套管之间存在滑动副，便于阀杆的升降动作，但若滑动副处的密封性减弱，由于阀内压力高于阀外压力，过流介质容易泄漏至壳体外；若废气中含有腐蚀性成分，泄漏的废气容易侵蚀电气驱动系统。
综上，阀板及阀杆处的良好密封性尤为重要。
针对上述问题，我司对提升阀的密封性能作出了如下改进措施：
1.如图1所示，6为提升阀底部气仓，该气仓为圆环形中空结构，气仓底部设提升阀排液口，便于提升阀内积液顺利排出；气仓顶部与阀板严格密合。当阀板下沉至提升阀底部时，通常情况下，由于提升阀阀体内气体为正压，阀板与密封圈处因长期工作存在一些微小缝隙，气体容易泄露至外部环境。而我司在该设计的气仓内通入压力0.3-0.5MPa的压缩空气，形成一个正压环形区域，该区域内只会存在压缩空气向提升阀内通入，而阀体内的流体无法泄露至外部环境的状态，从而提高了提升阀的密封性能。
2.同理，我司在阀杆和套管处，如图1中区域7所示，采取了类似的气密封措施。由于阀杆处的滑动副需要经常上下活动，套管与阀杆在设计时不能完全密合，同时，长时间、高频率的工作负荷导致组合件间不可避免地磨损，导致阀内气体泄漏至外部环境的情况。因此，我司同样在套管内侧做了封闭式气仓的设计，向套管内区域同样通入压力0.3-0.5MPa的压缩空气，在套管内形成一小段正压区域，阻止提升阀内气体通过套管活动面泄漏，进一步提高了阀体的密封性能。
6.气密封的优势
相较于在提升阀的制作上追求更高的精度，在密封圈的材料上选择更高成本的耐高温耐腐蚀材质，我司研发的气密封在制作时间和投入成本上具有显著的优势。
压缩空气具有洁净、无油、无颗粒的特性，在提升阀上下两个易泄漏的部位形成了较为清洁的“高压”区域（“高压”是相对于阀体内部压力而言），精准地切断了阀内气体的泄漏途径，针对性强、密封效果立竿见影。特别是在阀杆处，有效地阻止了阀内腐蚀性气体对电气驱动系统的腐蚀危害，很大程度上延长了系统的使用寿命，同时，也减轻了后期维保工作的压力。
小结
1.优化提升阀的换向周期，在提升阀进气和出气周期间加入吹扫周期进行缓冲，可有效减少污染物泄漏；
2.在提升阀底部增加压缩空气气仓，在阀杆和套管之间通入压缩空气，形成气压密封区，极大程度地降低了气体泄漏率；
3.我司研发的气密封方式可有效节约投入成本，减少制作工期，有效保护执行机构，延长部件的使用寿命。
参考文献：
[1]张灿.浅析三室RTO技术处理VOCs废气[J].广州化工,2018,46(14):95-96+102.
[2]王玉华. 三槽蓄热式废气氧化炉控制系统设计与实现[D].上海交通大学,2017.
[3]郭明山,陈秋燕,王振华,嵇祎吉,孔文杰.提高高温下气缸提升阀密封性措施的研究[J].内燃机与配件,2018(20):107-109.