粉煤三通換向閥國產化研究及應用

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干燥處理后，用氮氣送入貯罐，貯罐內的煤粉與氧氣、蒸汽一起，送進氣化爐的燃燒室。

粉煤三通換向閥(又稱粉煤換向閥、粉煤三通閥)是Shell煤氣化工藝的關鍵設備之一，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。通過閥門的介質是由4.0 MPa以上氮氣輸送的、粒度為50～100 μm的粉煤，操作溫度為80 ℃，閥門最大切斷壓差達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 結構性能特點

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。正常運行時，直通流道出口向氣化爐燒嘴管線輸送粉煤；系統開停車時，旁路流道出口使煤粉經循環管線返回粉煤倉。開啟和關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，極大地提高了系統工作的可靠性和穩定性。粉煤三通換向閥結構及原理見圖1。

箭頭—該通道導通；叉號—該通道關閉。

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口與循環口之間壓差為4.0 MPa以上。粉煤氣化工藝的主要輸送介質為干煤粉，煤粉顆粒不僅硬度高，而且流速快，具有很強的沖刷腐蝕性，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確性、可靠性也有很高的要求，若閥門開關不到位，容易造成煤粉流紊亂，導致燒嘴跳車，進而出現燒嘴燒壞的重大設備損壞事故。可以說，粉煤三通換向閥的運行工況非常惡劣，對產品的性能要求也很嚴苛，故其設計、制造難度大。目前，國內各大型煤化工企業使用的粉煤三通換向閥中，進口閥門占了很大比例。

2 國內外典型產品對比

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型進口產品。閥體一進兩出，材料為碳素結構鋼，一體鑄造，圓柱形旋塞設置有平行雙通道，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，旋塞順時針轉動30°，循環線接通；旋塞逆時針轉動30°，燒嘴線接通。執行機構采用90°標準氣動執行器和減速比為3∶1的內嚙合齒輪減速器組成，齒輪減速器可將標準氣動執行器90°輸出角轉化為30°，并放大輸出轉矩，閥門結構見圖2。

(a)國外進口閥閥體內部結構示意圖

在長期使用過程中發現，BCH型粉煤三通換向閥在使用過程中經常出現卡塞、開關不到位等問題[4-5]。經過分析，其主要原因如下：

(1)閥門開啟時，介質內漏到閥體和旋塞間隙內，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，偏離閥體回轉中心，導致閥門切換時所需扭矩越來越大，最終出現卡死現象。

(2)旋塞和閥體的間隙用PTFE材料進行潤滑。溫度較低時，內襯PTFE的潤滑性能會下降，遇到粉煤時，阻力就會大幅上升，導致旋塞旋轉卡阻。

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

河南龍宇采用的BCH型粉煤三通換向閥，在線運行4臺，備閥1臺，投用后出現閥門卡澀、不能自動切換、切換不到位等故障現象。因閥門結構問題，維修后的閥門也不能滿足長周期生產運行需要。為了解決粉煤三通換向閥開關速度慢、易卡澀等難題，河南龍宇積極與國內廠家、研究院所聯合攻關，進行粉煤三通換向閥的國產化工作。經過幾年的攻關，國內某研究院研發了具有自主知識產權的粉煤三通換向閥，已在國內多家煤化工企業成功應用，并取得了良好的效果，閥門綜合性能優于國外同類產品。

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

圖3 國產粉煤三通換向閥外部結構示意圖

(1)固定式旋塞設計，旋塞上下軸分別通過閥蓋和底蓋內的滑動軸承實現徑向定位，限制旋塞徑向偏移，從而有效解決浮動旋塞偏磨導致閥門卡死的問題，確保介質平穩切換而不會出現紊亂。

(2)在旋塞上端設置減磨止推墊片，實現旋塞的軸向定位。在旋塞下端設置碟形彈簧軸向，補償減磨止推墊片的磨損。

(3)執行機構選用定制的快速進排氣型、30°行程的大扭矩氣缸，并配用大流量、穩定可靠的氣路附件，取消了減速比為3∶1的內嚙合齒輪減速裝置，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 國產粉煤三通換向閥

3 結語

在粉煤三通換向閥研制領域，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，對我國煤化工行業建設的快速發展造成了極為不利的影響，嚴重阻礙了國內企業技術創新水平的提高。采用先進的研究方法對粉煤三通換向閥進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水平，以及保障國內煤化工裝置的安全穩定運行有著極其重要的現實意義。