防異物卡澀及易維護型煤粉流量調節閥的設計

明友，王渭，陳鳳官，耿圣陶，余宏兵

(合肥通用機械研究院有限公司，安徽 合肥 230031)

煤粉流量調節閥是干煤粉加壓氣化工藝中的關鍵設備。由于該閥門是用來調節進入氣化爐的煤粉流量，要求精度較高，一旦出現波動就會對整個裝置產生較大影響。另外，該閥門的介質為高壓濃相氣載煤粉，用普通的單座調節閥會出現堵塞現象，在使用過程中閥門也會因異物進入導致卡澀；高壓氣載煤粉對閥內件的沖刷磨損嚴重，需定期更換。因此，如何解決煤粉流量調節閥的堵塞、卡澀和易磨損問題已成煤化工企業亟需解決的問題。

1 閥門工藝特點

干煤粉氣化工藝中的關鍵是控制氣化爐中氧氣的含量和煤粉的含量，即氧氣和煤粉的比例控制。氧氣流量的控制靠氧氣調節閥、煤粉流量的控制依靠煤粉流量調節閥。因此煤粉流量調節閥和氧氣調節閥是干煤粉氣化工藝的兩個生命線，一旦出現問題就會產生重大安全隱患。

煤粉流量調節閥位于煤粉輸送工段，在高壓氮氣的作用下，將粉煤經過煤粉流量調節閥輸送到氣化爐中，整個輸送過程中通過煤粉流量調節閥來控制煤粉的流量，用傳感器來監測煤粉密度以及介質的輸送速度（如圖1）。

圖1 煤粉流量調節閥工藝流程圖

2 結構特點

閥門倒置安裝，高壓氣載煤粉從進口短接進入，經過閥體內襯進入閥芯，通過單邊開U型窗口的桶裝閥芯進入與閥體成60°的斜出口排出。由氣動驅動裝置驅動閥桿帶動閥芯在閥體內上下運動，閥芯在上下運動過程中靠改變閥芯上的U型節流通道口的面積來實現煤粉流量的調節。由于閥門為倒置安裝，為了防止煤粉介質進入到閥蓋中，在閥蓋處設置有吹掃口，通入的吹掃氣略高于介質壓力，從而保證煤粉不會沉降到閥蓋中而造成堵塞（圖2）。

圖2 煤粉流量調節閥結構原理圖

圖3 單側開U型口的杯狀閥芯

2.1 單側開U型口的杯狀可分離式閥芯結構

傳統調節閥應用在密相氣固兩相流流量，會因為流道截面的突變引起煤粉沉降，造成閥門堵塞，導致設備無法長周期運行。

單邊開U型口的的閥芯可很好地解決高壓氣載煤粉堵塞的問題。當干煤粉在高壓氮氣（或二氧化碳）的作用下進入閥芯的杯狀閥芯后，在壓差的作用下，高壓氣載煤粉從杯狀閥芯的單側U型口流出，排到閥門的下游，介質整個流動過程中不存在流道截面的突變，因此不會發生堵塞。單側開U型口的杯狀閥芯形狀如圖3。

實際工業應用過程中，該閥芯在用于流量調節時，由于該閥門經常會在小開度下工作，因此節流口最容易損壞，一旦損壞整個閥芯就必須更換，由于該閥芯由WC硬質合金材料制成，材料及加工成本較高，極大地增加了煤化工企業對該設備的維護成本。為了解決設備維護成本高的問題，將閥芯做成組合體，分為閥芯部件、節流通道部件兩部分結構，閥芯的節流通道部位磨損后（如圖4），只需局部更換節流通道部件就能恢復閥門的調節性能，可極大地節約設備維護成本。

圖4 組合式閥芯

2.2 防異物卡澀結構

由于現場操作及工藝方面的種種原因，流經閥門的介質中常常帶有鐵絲、焊條、較硬的塊狀物等異物（如圖5）。另外由于該調節閥倒置安裝，因此異物很容易從閥體與閥芯之間的間隙進入閥蓋處，并對波紋管造成破壞，縮短了煤粉流量調節閥的使用壽命，增加了設備的維護成本。

圖5 異物進入閥體內部示意圖

在閥體中腔襯套靠近出口下端用螺紋擰入一個垂直于閥芯移動方向的擋圈，該擋圈套設在圓柱形桶狀閥芯外側并與閥芯滑動配合，避免煤粉中的異物經由閥體與閥芯之間的間隙進入閥蓋內而對波紋管閥桿造成破壞；擋圈在阻擋異物的同時還對閥芯的運動起著導向作用；擋圈板面設有齒形孔（如圖6），閥蓋上的吹掃孔導入的氣流可以通過齒形孔均勻地進入閥體的下游，便于吹掃氣流將波紋管閥桿處的煤粉以及擋圈上的雜物吹掃干凈。

圖6 防異物擋圈圖

2.3 波紋管+填料雙重密封

為了防止閥門外漏造成安全事故，特將該閥門的閥桿處密封設計成波紋管和填料雙重密封，該雙重密封更加安全可靠。波紋管為主密封，填料為輔助密封，當波紋管由于磨損或疲勞損壞后，填料可起到密封作用，為及時更換波紋管提供了時間上的保障。

2.4 防靜電設計

因該閥門應用在煤粉輸送工段，為了防止閥門在啟閉過程中產生靜電，需進行防靜電設計。該閥門閥芯與閥桿連接并分別與閥體閥蓋連接，各個零部件均為金屬，現場安裝時需接地，起到了防靜電效果。

2.5 防火設計

該閥門為閥芯、閥座為WC金屬陶瓷密封，耐高溫；中法蘭及其它連接部位均為石墨纏繞墊片；上密封為波紋管+石墨填料密封，屬于防火設計。

3 使用效果

該結構閥門在國內干煤粉氣化工藝的煤化工企業中大量應用，從應用效果可知，具有防異物卡澀結構的煤粉流量調節閥相較于同類的國外產品，每年減少非計劃停車1～2次，為企業減少了大量因非計劃停車而造成的損失；應用具有可分離式閥芯結構的煤粉流量調節閥相較于同類的國外產品，每個產品閥芯的維護費用減少2/3，為企業節約了大量的設備維護費用。

4 結語

（1）側開口的杯狀閥芯可有效防止閥門堵塞。

（2）擋圈結構可有效防止異物堵塞。

（3）可分離式閥芯更換方便，極大地減少了企業對該設備的維護成本。