壳牌粉煤气化装置用阀结构类型与特性的分析

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1 概述


壳牌粉煤气化工艺是通过高压粉煤给料罐将粉煤加压后密相送入气化炉。粉煤给料罐的原料粉煤由一锁斗系统注入，即通过粉煤放料罐与粉煤给料罐之间的锁斗阀和平衡阀周期性的隔离、连通实现粉煤的放料。壳牌气化炉采用膜式水冷壁结构，多烧嘴（通常是4～8个）进料，进入气化炉的粉煤流量由粉煤流量调节阀控制，粉煤在进气化炉或循环回至低压粉煤储罐之间的切换由粉煤给料三通阀控制。


粉煤气化生成的粗煤气携带煤灰总量的20%～30%沿气化炉上行，在气化炉顶部出口处通过冷的无尘循环气激冷降温至900℃，熔融的飞渣粒子凝固成细小的飞灰，夹带着飞灰的粗煤气沿激冷管、导管、反向室最终进入废热锅炉。煤灰总量的70%～80%以熔融态流入气化炉底部，通过下渣口进入灰渣激冷罐，被水激冷淬化成密实的玻璃状粒子，并通过一个锁斗系统从系统中清除。

出自废热锅炉的约350℃的粗煤气先经过高温高压陶瓷过滤器干法除灰，再进入湿洗单元水洗，以清除卤化物和最后的少量粉尘。陶瓷过滤器的滤芯由24组反吹阀控制的高压氮气进行反吹清洁。飞灰的收集及排放由飞灰收集罐底部的飞灰阀控制，激冷后的灰渣收集及排放由炉渣收集罐底部的锁斗阀控制。


2 结构类型


2.1 锁斗阀



壳牌干粉煤气化装置采用发送罐工艺进行粉煤的输送、以及炉渣和飞灰的排放。锁斗阀、飞灰阀和平衡阀的程控动作，主要是为了料仓之间的均压和粉煤（炉渣或飞灰）的排放。阀门结构形式类似，DN200～300mm，PN600lb，介质为N2+粉煤（飞灰），或水+炉渣，密封等级VI级，阀门每20～30min启闭一次，工程设计要求选用全通径硬密封球阀。目前国内壳牌粉煤气化装置上使用的锁斗阀主要有BURGMANN固定球球阀和ARGUS浮动球球阀2种结构形式。


（1）BURGMANN锁斗阀


BURGMANN锁斗阀的结构见图1。其阀体为两块式，材质WCB，流道内衬双相钢耐磨套，阀体设吹扫口。球体侧装，上下转轴的凸轮状头部插入球体，转轴由阀盖中的轴套定位。密封副由碟簧预紧的阀前密封型阀座和球体组成，球体和阀座的基材为双相钢2205，密封面喷焊镍基合金，硬度60HRC。阀座带刮扫刃，防止固体颗粒进入密封面。阀门配双作用气动执行器。


BURGMANN锁斗阀的启闭扭矩受压差影响小，阀杆因受侧推力而易偏磨。实际使用时，在频繁启闭过程中，BURGMANN锁斗阀的支架出现了开裂和扭曲变形，造成气动执行器因输出轴和阀杆不同心而严重磨损，且其阀杆与轴套之间的间隙容易进粉而卡住。

1.小阀体 2.轴套 3.填料 4.填料压盖 5.弹簧 6.L形垫 7.大石墨垫 8.大刮扫环 9.阀座 10.调整垫 11.T形垫12.小刮扫环 13.小石墨垫 14.支架 15.四氟套 16.上盖 17.推力环 18.上轴 19.球体 20.大阀体 21.下轴

图1 BURGMANN锁斗阀

（2）ARGUS锁斗阀


ARGUS锁斗阀为浮动球球阀，阀门采用流道带耐磨衬套的对分式阀体，球体和阀座表面喷焊ARGULOY合金，硬度60HRC，球体可沿压差方向浮动，阀座有自洁功能，一阀座由弹簧预紧，另一阀座固定。ARGUS锁斗阀的进口阀座在浮动套筒上，因而可实现进出口双阀座密封，阀门密封性能好。ARGUS锁斗阀的球体因压差产生的轴向推力并不作用于阀杆，阀杆不易卡塞，但其密封副摩擦扭矩受压差影响大。实际使用时，因阀门压差不稳引起的球体卡塞现象时有发生。

2.2 粉煤流量调节阀  


进入气化炉的粉煤流量由粉煤流量调节阀控制，阀门公称直径40～65mm，公称压力600lb，密封等级为IV级，介质为N2（CO2）+粉煤。阀芯由气动直行程执行器驱动，流量特性为近似等百分比。壳牌粉煤气化装置上使用的粉煤流量调节阀分别由SchuF和Fisher提供（图2）。阀门为角式调节阀，阀门进口垂直向下，出口与进口为120°夹角向下倾斜，气动直行程执行器倒置。杯状阀芯的杯口向上，其侧壁开槽，进口流入的粉煤垂直落入阀芯杯口，通过阀芯侧壁的斜槽流出阀门。阀芯上下移动，通过改变开槽的遮挡面积，从而改变粉煤流量。阀芯由阀杆拖动，阀杆防转，用波纹管密封，阀盖加吹气，防止因粉煤沉积而引起的波纹管卡塞。阀体内衬和阀芯采用碳化钨材料，提高内件的耐磨性能。粉煤流量调节阀的调节性能应满足系统工况的要求，其上盖吹气应在阀门动作前开始，在阀门停止工作后才能结束，且通气需保持一定气量，否则煤粉会大量沉积在阀盖处，造成波纹管伸缩困难。

1.导入管 2.耐磨套 3.阀体 4.阀芯 5.带波纹管阀杆 6.吹气管 7.阀盖 8.支架 9.执行器

图2 粉煤流量调节阀

2.3 粉煤给料三通阀


粉煤在进气化炉或循环回至低压粉煤储罐之间的切换由粉煤给料三通阀完成。三通阀公称通径40～65mm，公称压力600lb，介质为N2（CO2）+粉煤，气开弹簧复位，换向时间2～3s。壳牌粉煤气化装置上使用了BCH粉煤给料三通阀（图3）。阀体一进两出，材料为WCB，转子设平行双通道，材料为双相钢CD3MN。阀体和转子精密配合，配合表面硬化处理。转子逆时针转动30°，煤线接通，循环线关闭。转子顺时针转动30°，循环线接通，煤线关闭。转子驱动系统由90°标准气动头和齿数比为1:3的内啮合齿轮组合而成，内啮合齿轮可将标准气缸的90°输出角转化为30°，并放大气缸扭矩。粉煤给料三通阀在使用过程中出现了卡塞现象，分析证明转子偏磨或粉料进入阀体与转子之间的间隙是其主要原因。

（a）煤线接通，循环线关闭（b）循环线接通，煤线关闭

图3 粉煤三通阀换向原理

2.4 反吹阀

混合煤气需经高温高压陶瓷过滤器干法除灰。陶瓷过滤器的滤芯由24组反吹阀控制的高压氮气进行反吹清洁。24组反吹阀每隔20～30s交替开启，每台阀门启闭时间为0.1～0.3s。阀门DN80-PN900lb，操作温度250℃。

壳牌粉煤气化装置上使用了muller反吹阀，其结构如图4所示。阀门为二位截止型，气动开启，弹簧力关闭。阀杆采用波纹管密封，无填料。muller反吹阀满足工艺要求。实际使用时，有用户出于工艺上的原因，用干净的合成气反吹陶瓷过滤器，若反吹阀阀体为碳钢材质，则会造成阀门的严重腐蚀。

1.阀体 2.阀座 3.阀瓣 4.带波纹管的阀杆 5.阀盖 6.支架 7.气动执行器

图4 反吹阀

3 特性分析

最初的工程设计中，壳牌粉煤气化工艺指定欧洲厂家为其气化装置提供特种阀。但随着装置的投产，作为消耗品的特种阀，由于价格、性能、服务和供货周期等方面的原因，产品需要实现国产化。根据进口特种阀的使用情况，对其特性进行分析，供特种阀的国产化做参考。

（1）锁斗阀


①球体和阀座密封面一般喷焊镍基合金，要求加工后的厚度不低于0.5mm，硬度58～60HRC。对于超音速喷涂工艺，由于喷涂层和基体为机械结合，应慎用。②阀座应设刮扫刃，防止附着在球面上的粉体嵌入密封面。③阀体流道应做耐磨处理。④阀杆与轴套之间应防止煤粉进入。阀座与阀体之间的弹簧腔应防止固体进入。⑤气动头的输出扭矩应该是理论值的1.5～2倍。


（2）粉煤流量调节阀


①介质流向应无突变，无流动死区。②完善碳化钨内件制备工艺。③阀杆密封用波纹管的耐压、抗疲劳设计。④波纹管活动区域补气流量的计算。⑤杯状阀芯侧壁开槽形状对气固两相流的流量的影响。


（3）粉煤给料三通阀


①转子的定位及其与阀体的配合精度。②气动装置输出扭矩值的确定。③快速换向的实现。④阀门内件的防火、防静电及耐磨设计。


（4）反吹阀

①启闭速度的保证。②软密封的结构形式及其材料的选用。③阀杆密封用波纹管的选材和抗疲劳设计。


4 结语


壳牌粉煤气化装置中特种阀种类很多，本文仅对上述典型特种阀的选型和应用进行了介绍。产品国产化过程中，在确定阀门材料和结构形式时，应充分考虑阀门介质的特殊性、长周期运行的需要、维护的便利性，以及消耗部件的容易获得