氮塞閥對粉煤三通閥加速損壞的影響分析

葛 濤，武志紅

（國家能源集團寧夏煤業有限責任公司，寧夏銀川 750000）

0 引言

殼牌煤氣化工藝裝置中使用的粉煤三通閥，通常被稱為粉煤換向閥，它位于氣化爐的燃燒器前面，用于在循環管道和進煤管道之間切換煤粉流量，同時將煤粉輸送到氣化爐的燃燒器中。粉煤三通閥的介質是氮氣輸送的煤粉，顆粒大小在0.05～0.10 mm，運行溫度為80 ℃，最大允許關閉壓力差高達5.8 MPa[1-2]。由于介質為高壓差氣載粉煤，流速較高，在高流速的氣固雙相流沖蝕下，閥體、閥芯極易損壞，因此三通閥必須具備高耐磨性、快速換向能力，以及較高的安全性和可靠性[3]。

1 結構特點及工作原理

1.1 結構特點

三通閥采用氣開彈簧復位，換向時間小于5 s，閥體一進兩出，閥體與旋塞精密配合，轉子設平行雙通道[4]。三通閥是粉煤氣化裝置的重要組成部分，用于控制煤粉在氣化爐和煤粉循環系統之間的切換和分配，其性能直接影響到氣化爐的安全運行。

1.2 工作原理

三通閥由閥體和閥芯組成，一進兩出，內部結構如圖1 所示，旁路出口用于在系統開啟和關閉時將煤粉通過循環管道送回常壓煤粉倉。三通閥為角行程結構，動作迅速，對管道流量干擾小，可保證啟閉操作的穩定性。

圖1 三通閥工作原理

2 功能簡介

2.1 粉煤氣力輸送工段

粉煤氣力輸送工段流程如圖2 所示，粉煤給料罐中的粉煤由上游的常壓煤倉注入煤鎖斗罐，經煤鎖斗罐特殊工序處理后注入煤給料罐。粉煤在煤給料罐進行高壓加壓后，借助氣體N2載運密相粉煤通過三通閥主通路送入氣化爐。三通閥旁路出口用于在系統開啟和關閉時，使煤粉通過循環管道返回到常壓煤倉，同時，旁路循環管道上設置了氮塞閥反吹系統[5]。此外，粉煤流量控制閥用于調節進入氣化爐的粉煤流量，三通閥決定了煤粉是進入氣化爐，還是返回低壓粉煤儲罐[6-8]。

圖2 粉煤氣力輸送工段（改進前）

2.2 干煤粉氣化爐氮塞閥

干煤粉氣化爐工藝在三通閥進常壓給料罐側加了氮塞閥，氮塞閥的壓力略高于三通閥輸送壓力，作用是防止三通閥在投煤過程中粉煤從三通閥循環口流走。但是在實際使用過程中，三通閥較其他干粉煤氣化工藝中同等規格型號的粉煤三通閥相比更容易出現磨損。解體某服役3 年、無法繼續使用的三通閥，發現閥體投煤管道進出口處沖蝕磨損嚴重，閥芯雙平行流道進出口處均出現不同程度的沖蝕磨損，其中主路流道進出口處磨損更為嚴重（圖3）。

圖3 改進前三通閥的磨損情況（使用3 年）

3 失效分析及改進措施

3.1 失效分析

建立三通閥內部流動理論模型（圖4）。三通閥正常工作時介質為高壓差氣固兩相流（N2/CO2+粉煤）介質，操作溫度為80 ℃，氮塞閥反吹系統介質為高壓氮氣，壓力略高于三通閥輸送壓力，閥體和閥芯精密間隙配合。三通閥長期在嚴苛工況下工作后，密封圈不可避免會出現老化、磨損等現象，造成閥體與閥芯間發生泄漏。此時氮塞閥高壓反吹氮氣進入三通閥的閥體與閥芯環形間隙，穿過密封圈進入流道將粉煤吹向閥體與閥芯對接通道邊緣，造成通道口內部流場急劇紊亂，高流速氣固兩相流微粒直接沖擊通道口，長期作用下導致通道口沖刷磨損嚴重，降低了三通閥使用壽命。

圖4 三通閥流道進出口磨損示意

3.2 改進措施

本文針對三通閥失效問題，對粉煤氣力輸送工段流程進行了改進，拆除了氮賽閥吹掃系統，改進后的流程如圖5 所示。對改進后的工藝系統進行分析可知：正常工作時三通閥閥芯與閥體間密封圈起一級密封作用，三通閥回流常壓煤倉管線上程控球閥起二級密封作用，兩級密封可嚴格保證粉煤氣固介質回流常壓煤倉的密封性能。即使一級密封失效，二級密封還可起補償密封作用。

圖5 粉煤氣力輸送工段（改進后）

4 應用效果

對粉煤氣化工藝進行改進，關停了氮塞閥吹掃氣，更換新的三通閥后投產運行，閥門密封效果良好、動作順暢、運行平穩正常。某次停車檢修期間，對使用3 年多的三通閥進行解體，拆解下的閥體內側通道出口處光亮平滑，閥芯雙平行流道出口處潔凈，無任何沖刷磨損的現象（圖6）。證明工藝流程改進后大幅提高了三通閥的使用壽命。

5 結束語

本文通過對干煤粉氣化爐工藝中的粉煤三通閥閥內件易沖刷磨損的問題進行分析，結合三通閥工作原理對工藝系統進行優化改進。工藝優化后，三通閥運行良好，有效避免了閥內件的沖刷磨損問題，保證了氣化爐的長期穩定運行，同時為工藝裝置中類似閥門缺陷問題的分析和排除提供參考。