粉煤三通換向閥國產(chǎn)化研究及應(yīng)用

賈安利

(河南龍宇煤化工有限公司，河南永城 476600)

Shell煤氣化(SCGP)以工藝干煤粉為原料、純氧作為氣化劑，液態(tài)排渣，屬加壓氣流床氣化工藝[1-2]。原煤被先行破碎研磨成煤粉并經(jīng)干燥處理后，用氮?dú)馑腿胭A罐，貯罐內(nèi)的煤粉與氧氣、蒸汽一起，送進(jìn)氣化爐的燃燒室。

粉煤三通換向閥(又稱粉煤換向閥、粉煤三通閥)是Shell煤氣化工藝的關(guān)鍵設(shè)備之一，安裝于氣化爐燒嘴前。粉煤三通換向閥用于控制粉煤在循環(huán)管道與投煤管道之間的切換，將粉煤輸送至氣化爐燒嘴。通過閥門的介質(zhì)是由4.0 MPa以上氮?dú)廨斔偷?、粒度?0～100 μm的粉煤，操作溫度為80 ℃，閥門最大切斷壓差達(dá)5.8 MPa。粉煤三通換向閥的使用工況惡劣，對閥門的耐磨性、快速換向能力、安全性和可靠性有著極高的要求。

1 結(jié)構(gòu)性能特點(diǎn)

粉煤三通換向閥主要由閥體和旋塞組成，旋塞上開有平行雙通道。正常運(yùn)行時，直通流道出口向氣化爐燒嘴管線輸送粉煤；系統(tǒng)開停車時，旁路流道出口使煤粉經(jīng)循環(huán)管線返回粉煤倉。開啟和關(guān)閉位置之間的角度為30°，銳角換向，閥門切換時間短。換向時，煤粉分別從不同的閥芯通道流出，換向過程中始終有1個通道保持連通，煤粉流動不受阻擋，保持流化狀態(tài)，極大地提高了系統(tǒng)工作的可靠性和穩(wěn)定性。粉煤三通換向閥結(jié)構(gòu)及原理見圖1。

箭頭—該通道導(dǎo)通；叉號—該通道關(guān)閉。

粉煤三通換向閥正常工作時，煤粉通過閥門同軸流道噴入氣化爐，投煤流道壓差為0.2 MPa，而粉煤三通換向閥進(jìn)口與循環(huán)口之間壓差為4.0 MPa以上。粉煤氣化工藝的主要輸送介質(zhì)為干煤粉，煤粉顆粒不僅硬度高，而且流速快，具有很強(qiáng)的沖刷腐蝕性，因此對閥門的耐磨性要求高[3]。另外，對該閥門切換換向動作的準(zhǔn)確性、可靠性也有很高的要求，若閥門開關(guān)不到位，容易造成煤粉流紊亂，導(dǎo)致燒嘴跳車，進(jìn)而出現(xiàn)燒嘴燒壞的重大設(shè)備損壞事故?？梢哉f，粉煤三通換向閥的運(yùn)行工況非常惡劣，對產(chǎn)品的性能要求也很嚴(yán)苛，故其設(shè)計、制造難度大。目前，國內(nèi)各大型煤化工企業(yè)使用的粉煤三通換向閥中，進(jìn)口閥門占了很大比例。

2 國內(nèi)外典型產(chǎn)品對比

河南龍宇煤化工有限公司(簡稱河南龍宇)煤氣化裝置采用SCGP工藝，粉煤三通換向閥為丹麥BCH型進(jìn)口產(chǎn)品。閥體一進(jìn)兩出，材料為碳素結(jié)構(gòu)鋼，一體鑄造，圓柱形旋塞設(shè)置有平行雙通道，主材為雙相鋼，表面鍍鎳及噴涂聚四氟乙烯(PTFE)。閥門采用30°銳角換向，旋塞順時針轉(zhuǎn)動30°，循環(huán)線接通；旋塞逆時針轉(zhuǎn)動30°，燒嘴線接通。執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用90°標(biāo)準(zhǔn)氣動執(zhí)行器和減速比為3∶1的內(nèi)嚙合齒輪減速器組成，齒輪減速器可將標(biāo)準(zhǔn)氣動執(zhí)行器90°輸出角轉(zhuǎn)化為30°，并放大輸出轉(zhuǎn)矩，閥門結(jié)構(gòu)見圖2。

(a)國外進(jìn)口閥閥體內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

在長期使用過程中發(fā)現(xiàn)，BCH型粉煤三通換向閥在使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)卡塞、開關(guān)不到位等問題[4-5]。經(jīng)過分析，其主要原因如下：

(1)閥門開啟時，介質(zhì)內(nèi)漏到閥體和旋塞間隙內(nèi)，浮動式旋塞缺少徑向定位，逐漸增多的煤粉顆粒會將旋塞壓偏，偏離閥體回轉(zhuǎn)中心，導(dǎo)致閥門切換時所需扭矩越來越大，最終出現(xiàn)卡死現(xiàn)象。

(2)旋塞和閥體的間隙用PTFE材料進(jìn)行潤滑。溫度較低時，內(nèi)襯PTFE的潤滑性能會下降，遇到粉煤時，阻力就會大幅上升，導(dǎo)致旋塞旋轉(zhuǎn)卡阻。

(3)減速比為3∶1的內(nèi)嚙合齒輪減速裝置，存在開啟時間長、齒間間隙等問題，容易導(dǎo)致閥門開關(guān)不到位。

河南龍宇采用的BCH型粉煤三通換向閥，在線運(yùn)行4臺，備閥1臺，投用后出現(xiàn)閥門卡澀、不能自動切換、切換不到位等故障現(xiàn)象。因閥門結(jié)構(gòu)問題，維修后的閥門也不能滿足長周期生產(chǎn)運(yùn)行需要。為了解決粉煤三通換向閥開關(guān)速度慢、易卡澀等難題，河南龍宇積極與國內(nèi)廠家、研究院所聯(lián)合攻關(guān)，進(jìn)行粉煤三通換向閥的國產(chǎn)化工作。經(jīng)過幾年的攻關(guān)，國內(nèi)某研究院研發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的粉煤三通換向閥，已在國內(nèi)多家煤化工企業(yè)成功應(yīng)用，并取得了良好的效果，閥門綜合性能優(yōu)于國外同類產(chǎn)品。

國產(chǎn)粉煤三通換向閥(見圖3)，其閥體和旋塞精密配合，配合表面硬化處理。相對于進(jìn)口產(chǎn)品，主要做了以下優(yōu)化改進(jìn)：

圖3 國產(chǎn)粉煤三通換向閥外部結(jié)構(gòu)示意圖

(1)固定式旋塞設(shè)計，旋塞上下軸分別通過閥蓋和底蓋內(nèi)的滑動軸承實(shí)現(xiàn)徑向定位，限制旋塞徑向偏移，從而有效解決浮動旋塞偏磨導(dǎo)致閥門卡死的問題，確保介質(zhì)平穩(wěn)切換而不會出現(xiàn)紊亂。

(2)在旋塞上端設(shè)置減磨止推墊片，實(shí)現(xiàn)旋塞的軸向定位。在旋塞下端設(shè)置碟形彈簧軸向，補(bǔ)償減磨止推墊片的磨損。

(3)執(zhí)行機(jī)構(gòu)選用定制的快速進(jìn)排氣型、30°行程的大扭矩氣缸，并配用大流量、穩(wěn)定可靠的氣路附件，取消了減速比為3∶1的內(nèi)嚙合齒輪減速裝置，旋塞上軸直接與氣缸雙鍵連接，大大縮短了閥門開啟和關(guān)閉時間。同時，避免了齒間累計間隙造成的閥門行程誤差，確保閥門動作到位、靈敏可靠。

圖4 國產(chǎn)粉煤三通換向閥

3 結(jié)語

在粉煤三通換向閥研制領(lǐng)域，我國正處于需求量不斷上升而研究制造水平相對滯后的局面，對我國煤化工行業(yè)建設(shè)的快速發(fā)展造成了極為不利的影響，嚴(yán)重阻礙了國內(nèi)企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新水平的提高。采用先進(jìn)的研究方法對粉煤三通換向閥進(jìn)行全面和深入的研究，對于提高我國干煤粉氣化工藝用閥門技術(shù)水平，以及保障國內(nèi)煤化工裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行有著極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。