干煤粉氣化裝置中平衡閥的設(shè)計(jì)
一、前言
我國(guó)是一個(gè)能源大國(guó)，一次能源結(jié)構(gòu)中75%以上是煤，預(yù)計(jì)到21世紀(jì)中葉，甚至到21世紀(jì)末，我國(guó)以煤為主的能源結(jié)構(gòu)將不會(huì)改變。煤的高效、清潔利用，是我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略選擇，是保證我國(guó)能源穩(wěn)定可靠供應(yīng)以及可持續(xù)發(fā)展的重要科技基礎(chǔ)。為了滿足未來(lái)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展對(duì)能源的需求，煤炭的潔凈利用必須以科學(xué)的發(fā)展觀，依靠科技進(jìn)步，走出一條兼顧高效、環(huán)保和經(jīng)濟(jì)的新型工業(yè)化道路。發(fā)展基于煤氣化的煤基能源及化工系統(tǒng)是在可 預(yù)見(jiàn)范圍內(nèi)最有效的技術(shù)途徑。
以煤氣化為基礎(chǔ)的能源及化工系統(tǒng)正在成為世界范圍內(nèi)高效、清潔、經(jīng)濟(jì)地開(kāi)發(fā)和利用煤炭的熱點(diǎn)技術(shù)和重要發(fā)展方向。煤氣化主要用于以下幾個(gè)方面：①生產(chǎn)燃料煤氣。②生產(chǎn)合成氣，用作合成氨、合成甲醇和甲醚以及合成油的原料氣。③生產(chǎn)氫。
能夠大型化的煤氣化技術(shù)，重點(diǎn)在干法進(jìn)料氣流床氣化、水煤漿進(jìn)料氣流床氣化工藝和大型流化床氣化爐。干煤粉加壓氣化工藝的典型流程為：來(lái)自制粉系統(tǒng)的干燥粉煤由氮?dú)饣蚨趸細(xì)饨?jīng)濃相輸送至爐前粉煤儲(chǔ)倉(cāng)及煤鎖斗，再經(jīng)由加壓氮?dú)饣蚨趸技訅簩⒓?xì)煤粒子由煤鎖斗送入氣化燒嘴。氣化需要的氧氣和水蒸氣也送入燒嘴。通過(guò)控制加煤量，調(diào)節(jié)氧量和蒸汽量，使氣化爐在1400～1700℃運(yùn)行。在氣化爐內(nèi)煤中的灰分以熔渣形式排出。絕大部分熔渣從爐底離開(kāi)氣化爐，用水激冷，再經(jīng)破渣機(jī)進(jìn)入渣鎖系統(tǒng)，最終泄壓排出系統(tǒng)。
出氣化爐的粗煤氣夾帶著飛散的熔渣粒子被循環(huán)冷卻煤氣激冷，使熔渣固化而不致粘在合成氣冷卻器壁上，然后再?gòu)拿簹庵忻摮�。合成氣冷卻器采用水管式廢熱鍋爐，用來(lái)產(chǎn)生中壓飽和蒸汽或過(guò)熱蒸汽。粗煤氣經(jīng)省煤器進(jìn)一步回收熱量后進(jìn)入陶瓷過(guò)濾器除去細(xì)灰。部分煤氣加壓循環(huán)用于出爐煤氣的激冷。粗煤氣經(jīng)脫除氯化物、氨、氰化物和硫(H2S，COS)，HCN轉(zhuǎn)化為N2或NH3，硫化物轉(zhuǎn)化為單質(zhì)硫。
干煤粉氣化的技術(shù)關(guān)鍵在于干粉煤的加壓進(jìn)料，現(xiàn)在一般采用的是粉煤間斷升壓和加壓下連續(xù)進(jìn)料的半連續(xù)式加煤工藝。原料煤在風(fēng)動(dòng)磨內(nèi)磨制成符合氣化要求的粉煤，借惰性氣體送至氣化界區(qū)，經(jīng)分離后進(jìn)入常壓料倉(cāng)，而惰性氣經(jīng)過(guò)濾、除塵后放空。粉煤由常壓料斗進(jìn)入增壓料斗，由此被惰性氣吹送至氣化爐燃燒器。
煤粉的進(jìn)料通過(guò)常壓料斗和增壓料斗之間的平衡閥及鎖斗閥周期性的隔離、連通來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于平衡閥技術(shù)要求高，位置關(guān)鍵，我國(guó)早期采用干煤粉加壓氣化技術(shù)的單位，采購(gòu)平衡閥時(shí)大都選用了進(jìn)口品牌。但進(jìn)口閥門(mén)價(jià)格昂貴、制造周期長(zhǎng)、零配件供應(yīng)不及時(shí)、維修不方便，而且質(zhì)量上也存在問(wèn)題、壽命比較短，發(fā)生故障會(huì)造成單爐停車(chē)，這種閥門(mén)急需國(guó)產(chǎn)化。
二、平衡閥的工況特點(diǎn)
介質(zhì)：N2+粉煤或CO2+粉煤。
開(kāi)關(guān)頻繁：進(jìn)料周期即閥門(mén)開(kāi)關(guān)頻率大約為30min一次。
閥門(mén)要求雙向密封：在正向和反向的雙向流動(dòng)方向，在最大壓差時(shí)，要達(dá)到FCI70-2ClassⅤ級(jí)密封要求。
磨損嚴(yán)重：閥門(mén)內(nèi)件和流道的材料應(yīng)考慮在固體顆粒介質(zhì)沖擊、腐蝕和磨蝕下有最好的可用性。
啟閉速度快：從“全開(kāi)→全關(guān)”或“全關(guān)→全開(kāi)”的動(dòng)作時(shí)間為3～8s，并確保閥門(mén)動(dòng)作到位。
平衡閥的公稱通徑一般為NPS8及以上，公稱壓為為Class600及以上。在高壓介質(zhì)的作用下，對(duì)閥門(mén)密封面會(huì)形成較大的密封比壓;同時(shí)，閥門(mén)在高壓下啟閉，粉煤介質(zhì)的摩擦阻力較大，容易造成閥門(mén)卡阻，因此閥門(mén)實(shí)際開(kāi)啟力矩要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一般流體介質(zhì)在相同壓力下的力矩。
三、平衡閥結(jié)構(gòu)及功能特點(diǎn)
根據(jù)干煤粉氣化裝置的工況特點(diǎn)，平衡閥一般采用的是全通徑金屬硬密封固定式球閥，如下圖所示。
平衡閥結(jié)構(gòu)圖
1.主閥體 2.固定軸 3.滑動(dòng)軸承 4、8、14.O形圈 5.螺栓 6.螺母 7.副閥體9.彈簧 10.密封圈 11.壓圈 12.閥座 13.襯管 15.球體 16.壓蓋17.閥桿 18.支架 19.氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu) 20.填料壓板 21.填料壓套 22.填料
(1)結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 平衡閥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)表現(xiàn)為：分體式、固定球、金屬硬密封和彈性金屬密封閥座。即采用全通徑、兩片式閥體，材質(zhì)為ASTMA216—WCB;流道圓整平滑，閥門(mén)內(nèi)部無(wú)利于煤粉沉積的死角，保證煤粉不沉積、不卡澀;雙閥座采用閥前密封形式，兩個(gè)閥座均能獨(dú)立切斷進(jìn)口端介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)雙阻斷功能。
(2)耐高壓能在大于或等于Class600的工況壓力等級(jí)下長(zhǎng)期工作。
(3)耐磨損、耐腐蝕主閥體、副閥體內(nèi)襯高強(qiáng)度雙相不銹鋼2205套管;閥座流道、球體流道均噴焊鎳基合金。提高了閥門(mén)內(nèi)件及流道耐粉煤磨損、耐腐蝕的能力，并顯著地提升了閥門(mén)的整體壽命。
(4)雙向密封能保證閥門(mén)的雙向密封;在正向和反向的雙向流動(dòng)方向，在最大壓差時(shí)，能達(dá)到FCI70-2ClassⅤ級(jí)密封要求，滿足干煤粉氣化裝置工況對(duì)平衡閥的要求。
(5)耐沖蝕 球體和閥座密封面最容易受到煤粉的沖蝕。根據(jù)用戶單位使用國(guó)外平衡閥所得到的經(jīng)驗(yàn)，球體和閥座密封面硬度不能低于55HRC，同時(shí)還應(yīng)考慮硬化層能涂敷一定厚度且保證表面覆層與基體材料的結(jié)合力(不能脫落)。球體和閥座的基材選用雙相不銹鋼ASTMA182-F51，采用噴焊鎳基合金的方式，覆層表面硬度可達(dá)到55～60HRC，使閥門(mén)耐沖蝕、耐磨性和抗擠壓能力更強(qiáng)。
(6)防卡阻粉煤會(huì)進(jìn)入閥腔導(dǎo)致閥門(mén)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)阻力增大從而卡住，采取加吹掃機(jī)構(gòu)的辦法防止粉煤在閥門(mén)中腔聚集。
(7)配用大剛度、大力矩的氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)干煤粉氣化裝置要求閥門(mén)從“全開(kāi)→全關(guān)”或“全關(guān)→全開(kāi)”的動(dòng)作時(shí)間為3～8s，并確保閥門(mén)動(dòng)作到位;又由于粉煤介質(zhì)的摩擦阻力較大，閥門(mén)實(shí)際開(kāi)啟力矩要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一般流體介質(zhì)在相同壓力下的力矩，因此，配用大剛度大力矩的雙作用氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，保證閥門(mén)正常的工作。
四、技術(shù)難點(diǎn)與解決方案
1.技術(shù)難點(diǎn)
平衡閥處于高壓、強(qiáng)沖蝕、強(qiáng)磨蝕及腐蝕等工況環(huán)境，閥門(mén)開(kāi)關(guān)頻繁、啟閉速度快、密封等級(jí)高，在設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中存在不少技術(shù)難點(diǎn)。
(1)密封比壓高平衡閥采用鎳基合金材料為密封面，所需要的密封比壓比較高，因此如何從設(shè)計(jì)上保證適當(dāng)?shù)拿芊獗葔�，提高零件的形位公差及提高零件的表面粗糙度要求是十分重要的�?/p>
(2)球體及閥座密封面硬度高干煤粉顆粒的硬度比較高，要求球體和閥座密封面硬化層有高的硬度，否則，在閥門(mén)啟閉的過(guò)程中會(huì)有煤粉顆粒鑲嵌在密封面上，從而破壞密封面，影響到閥門(mén)的整體密封性能。
(3)噴焊層結(jié)合強(qiáng)度高干煤粉介質(zhì)的流動(dòng)速度很快，因此要求球體密封面必須有高的硬度和韌性，同時(shí)還要求能涂敷一定厚度且保證表面覆層與基體材料的結(jié)合力，以及基體材料本身的強(qiáng)度要好，這樣噴焊層才不會(huì)從基體表面脫落，而致失去密封性能。
(4)自清潔設(shè)計(jì)干煤粉的吸附性很強(qiáng)，容易附著在球體表面上。在閥門(mén)啟閉過(guò)程中，煤粉顆粒被帶到閥座與球體的密封面之間，破壞了球體與閥座之間的密封副，從而影響閥門(mén)的密封性能，使閥門(mén)的使用壽命大大縮短，這就要求閥門(mén)必須有自清潔設(shè)計(jì)，保證球體和閥座密封副不被破壞。
(5)制造難由于平衡閥的球體和閥座密封面噴焊的是鎳基合金，表面硬度達(dá)到55～60HRC，密封面又為球形，用普通的機(jī)加工設(shè)備及刀具無(wú)法加工，即使能加工其加工精度也不能滿足要求，因此選擇合適的機(jī)加工設(shè)備及刀具非常重要。
(6)如何保護(hù)彈簧煤粉顆粒的沉積會(huì)使彈簧卡澀失效，使“彈性金屬密封閥座”失去“彈性”，從而使閥門(mén)卡住，不能正常啟閉或啟閉力矩過(guò)大，要求閥門(mén)有保護(hù)彈簧設(shè)計(jì)。
2.問(wèn)題解決方案
根據(jù)上述技術(shù)難點(diǎn)，要設(shè)計(jì)和制造出適合干煤粉氣化裝置工況用的平衡閥，就必須有切合實(shí)際的可行性解決方案。
(1)采用閥座螺旋彈簧補(bǔ)償結(jié)構(gòu)由于采用鎳基合金作為密封面，所需密封比壓很高，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上保證提供適當(dāng)?shù)拿芊獗葔河葹橹匾�。因此采�?ldquo;螺旋彈簧+閥座”的組合彈性金屬閥座結(jié)構(gòu)，通過(guò)多個(gè)環(huán)向均布的高負(fù)載螺旋彈簧提供初始預(yù)緊密封比壓，使閥座與球體始終緊貼在一起，既能滿足閥門(mén)在低壓情況下的密封性能，又解決了由于熱膨脹所造成的過(guò)大摩擦力矩的問(wèn)題，還能提供一個(gè)較高的密封剪切力，使平衡閥在開(kāi)啟、關(guān)閉的過(guò)程中閥座對(duì)球體表面起到“清潔”的作用。
在閥座的密封面前、后都增加了“刮切刃”的設(shè)計(jì)，使得平衡閥在開(kāi)啟及關(guān)閉的過(guò)程中，閥座的“刮切刃”都能對(duì)球體表面附著的煤粉起到刮削作用。避免了煤粉被帶入密封副之間破壞密封面，保證了閥門(mén)的密封性及長(zhǎng)久操作性。
閥座部位設(shè)置如平衡閥結(jié)構(gòu)圖所示的柔性石墨密封圈與O形圈雙重密封方式，使彈簧與粉煤隔離，確保彈簧長(zhǎng)期有效地工作。
(2)特殊的加工工藝零件的加工精度和表面粗糙度對(duì)提高密封的可靠性起到關(guān)鍵作用，尤其是對(duì)球體及閥座的加工要求。球體噴焊鎳基合金前后都須用數(shù)控高精密球面磨床磨削;閥座噴焊鎳基合金后，采用數(shù)控機(jī)床加工;當(dāng)球體和閥座達(dá)到一定精度及表面粗糙度要求時(shí)，二者進(jìn)行配對(duì)研磨。
(3)密封副硬化材料選擇密封副材料的選擇直接關(guān)系到閥門(mén)的性能、使用壽命及操作力矩。根據(jù)平衡閥的工況條件，選擇球體表面噴焊Ni60與閥座密封面噴焊Ni55較為理想。噴焊鎳基合金使密封面硬化層既有一定硬度和韌性，又能涂敷一定厚度且保證了表面覆層與基體材料的結(jié)合力，使閥門(mén)耐磨性、抗沖蝕和抗擠壓能力更強(qiáng)。適用于干煤粉這一固體顆粒介質(zhì)、高壓以及頻繁啟閉的工況條件。
五、結(jié)語(yǔ)
按照上述條件配置的平衡閥在多家單位投入運(yùn)行和使用后，密封性能良好，啟閉順暢。經(jīng)受住了苛刻工況條件的考驗(yàn)，基本上滿足了使用要求。采用國(guó)產(chǎn)化的產(chǎn)品替代了相應(yīng)進(jìn)口產(chǎn)品，既可以有效地保障裝置的穩(wěn)定運(yùn)行，又可以降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。
參考文獻(xiàn)
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