防異物卡澀及易維護(hù)型煤粉流量調(diào)節(jié)閥的設(shè)計(jì)

明友，王渭，陳鳳官，耿圣陶，余宏兵

(合肥通用機(jī)械研究院有限公司，安徽 合肥 230031)

煤粉流量調(diào)節(jié)閥是干煤粉加壓氣化工藝中的關(guān)鍵設(shè)備。由于該閥門是用來調(diào)節(jié)進(jìn)入氣化爐的煤粉流量，要求精度較高，一旦出現(xiàn)波動(dòng)就會(huì)對(duì)整個(gè)裝置產(chǎn)生較大影響。另外，該閥門的介質(zhì)為高壓濃相氣載煤粉，用普通的單座調(diào)節(jié)閥會(huì)出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，在使用過程中閥門也會(huì)因異物進(jìn)入導(dǎo)致卡澀；高壓氣載煤粉對(duì)閥內(nèi)件的沖刷磨損嚴(yán)重，需定期更換。因此，如何解決煤粉流量調(diào)節(jié)閥的堵塞、卡澀和易磨損問題已成煤化工企業(yè)亟需解決的問題。

1 閥門工藝特點(diǎn)

干煤粉氣化工藝中的關(guān)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(diào)節(jié)閥、煤粉流量的控制依靠煤粉流量調(diào)節(jié)閥。因此煤粉流量調(diào)節(jié)閥和氧氣調(diào)節(jié)閥是干煤粉氣化工藝的兩個(gè)生命線，一旦出現(xiàn)問題就會(huì)產(chǎn)生重大安全隱患。

煤粉流量調(diào)節(jié)閥位于煤粉輸送工段，在高壓氮?dú)獾淖饔孟?，將粉煤?jīng)過煤粉流量調(diào)節(jié)閥輸送到氣化爐中，整個(gè)輸送過程中通過煤粉流量調(diào)節(jié)閥來控制煤粉的流量，用傳感器來監(jiān)測(cè)煤粉密度以及介質(zhì)的輸送速度（如圖1）。

圖1 煤粉流量調(diào)節(jié)閥工藝流程圖

2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

閥門倒置安裝，高壓氣載煤粉從進(jìn)口短接進(jìn)入，經(jīng)過閥體內(nèi)襯進(jìn)入閥芯，通過單邊開U型窗口的桶裝閥芯進(jìn)入與閥體成60°的斜出口排出。由氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)閥桿帶動(dòng)閥芯在閥體內(nèi)上下運(yùn)動(dòng)，閥芯在上下運(yùn)動(dòng)過程中靠改變閥芯上的U型節(jié)流通道口的面積來實(shí)現(xiàn)煤粉流量的調(diào)節(jié)。由于閥門為倒置安裝，為了防止煤粉介質(zhì)進(jìn)入到閥蓋中，在閥蓋處設(shè)置有吹掃口，通入的吹掃氣略高于介質(zhì)壓力，從而保證煤粉不會(huì)沉降到閥蓋中而造成堵塞（圖2）。

圖2 煤粉流量調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)原理圖

圖3 單側(cè)開U型口的杯狀閥芯

2.1 單側(cè)開U型口的杯狀可分離式閥芯結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)調(diào)節(jié)閥應(yīng)用在密相氣固兩相流流量，會(huì)因?yàn)榱鞯澜孛娴耐蛔円鹈悍鄢两担斐砷y門堵塞，導(dǎo)致設(shè)備無法長(zhǎng)周期運(yùn)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(dāng)干煤粉在高壓氮?dú)猓ɑ蚨趸迹┑淖饔孟逻M(jìn)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(cè)U型口流出，排到閥門的下游，介質(zhì)整個(gè)流動(dòng)過程中不存在流道截面的突變，因此不會(huì)發(fā)生堵塞。單側(cè)開U型口的杯狀閥芯形狀如圖3。

實(shí)際工業(yè)應(yīng)用過程中，該閥芯在用于流量調(diào)節(jié)時(shí)，由于該閥門經(jīng)常會(huì)在小開度下工作，因此節(jié)流口最容易損壞，一旦損壞整個(gè)閥芯就必須更換，由于該閥芯由WC硬質(zhì)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(yè)對(duì)該設(shè)備的維護(hù)成本。為了解決設(shè)備維護(hù)成本高的問題，將閥芯做成組合體，分為閥芯部件、節(jié)流通道部件兩部分結(jié)構(gòu)，閥芯的節(jié)流通道部位磨損后（如圖4），只需局部更換節(jié)流通道部件就能恢復(fù)閥門的調(diào)節(jié)性能，可極大地節(jié)約設(shè)備維護(hù)成本。

圖4 組合式閥芯

2.2 防異物卡澀結(jié)構(gòu)

由于現(xiàn)場(chǎng)操作及工藝方面的種種原因，流經(jīng)閥門的介質(zhì)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(diào)節(jié)閥倒置安裝，因此異物很容易從閥體與閥芯之間的間隙進(jìn)入閥蓋處，并對(duì)波紋管造成破壞，縮短了煤粉流量調(diào)節(jié)閥的使用壽命，增加了設(shè)備的維護(hù)成本。

圖5 異物進(jìn)入閥體內(nèi)部示意圖

在閥體中腔襯套靠近出口下端用螺紋擰入一個(gè)垂直于閥芯移動(dòng)方向的擋圈，該擋圈套設(shè)在圓柱形桶狀閥芯外側(cè)并與閥芯滑動(dòng)配合，避免煤粉中的異物經(jīng)由閥體與閥芯之間的間隙進(jìn)入閥蓋內(nèi)而對(duì)波紋管閥桿造成破壞；擋圈在阻擋異物的同時(shí)還對(duì)閥芯的運(yùn)動(dòng)起著導(dǎo)向作用；擋圈板面設(shè)有齒形孔（如圖6），閥蓋上的吹掃孔導(dǎo)入的氣流可以通過齒形孔均勻地進(jìn)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(shè)計(jì)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(dāng)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(shí)更換波紋管提供了時(shí)間上的保障。

2.4 防靜電設(shè)計(jì)

因該閥門應(yīng)用在煤粉輸送工段，為了防止閥門在啟閉過程中產(chǎn)生靜電，需進(jìn)行防靜電設(shè)計(jì)。該閥門閥芯與閥桿連接并分別與閥體閥蓋連接，各個(gè)零部件均為金屬，現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)需接地，起到了防靜電效果。

2.5 防火設(shè)計(jì)

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(shè)計(jì)。

3 使用效果

該結(jié)構(gòu)閥門在國(guó)內(nèi)干煤粉氣化工藝的煤化工企業(yè)中大量應(yīng)用，從應(yīng)用效果可知，具有防異物卡澀結(jié)構(gòu)的煤粉流量調(diào)節(jié)閥相較于同類的國(guó)外產(chǎn)品，每年減少非計(jì)劃停車1～2次，為企業(yè)減少了大量因非計(jì)劃停車而造成的損失；應(yīng)用具有可分離式閥芯結(jié)構(gòu)的煤粉流量調(diào)節(jié)閥相較于同類的國(guó)外產(chǎn)品，每個(gè)產(chǎn)品閥芯的維護(hù)費(fèi)用減少2/3，為企業(yè)節(jié)約了大量的設(shè)備維護(hù)費(fèi)用。

4 結(jié)語

（1）側(cè)開口的杯狀閥芯可有效防止閥門堵塞。

（2）擋圈結(jié)構(gòu)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(yè)對(duì)該設(shè)備的維護(hù)成本。