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煤粉气化装置中气固双相流调节阀的改进

气流床煤粉气化工艺具有单炉生产能力大、效率高、运行周期长、运行和维护费用低等特点。但多年来运行实践表明该工艺装置要保证长期稳定运行需要解决诸多问题,其中气固双相流调节阀长期以来依赖进口,一直是国产化的重点、难点。

1 煤粉流量控制阀

1.1 结构特点

目前常用的煤粉加压气化技术一般采用正压气流进行煤粉输送,其流程特点为介质磨损大,煤粉流量变化大,使用压差变化广,同时要求煤粉流速在一定范围内波动,煤粉在管道中的流态要尽量保持稳定。干煤粉气化装置的煤粉流量调节阀主要用来控制进入气化炉的煤粉流量,保证并稳定气化炉的氧煤比。

从国内使用的几套装置来看,煤粉流量调节阀的公称直径为40~65mm,压力等级为10.0MPa,密封等级为IV级,介质为N2(CO2)+煤粉,采用直行程执行器驱动,流量特性为近似等百分比。其安装方式为倒置安装,阀门结构形式为角式调节阀,阀门进口垂直向下,出口与进口夹角为120°斜向下。阀芯为杯状结构,杯口向上,其侧壁开槽。阀门上部进口流入的煤粉垂直落入阀芯杯口,通过阀芯侧壁的开槽,斜向下流出阀门,煤粉流量控制阀结构如图1所示。

工作中,阀芯通过上下移动改变阀芯侧开槽的遮挡面积,从而改变煤粉流量。阀芯由阀杆拖动,阀杆用定位槽防止转动,采用波纹管密封防止煤粉外漏,阀盖加吹气用来防止因煤粉沉积而引起的波纹管卡涩。阀体内衬和阀芯均采用碳化钨防止磨损。

图1 煤粉流量控制阀结构

1.2 使用情况和改进建议

目前正在使用中的大型煤粉气化装置上的煤粉流量控制阀出现的主要问题为波纹管易损坏和阀内件易被冲损,如图2和图3所示。

图2 波纹管损坏

图3 阀内件损坏

当阀门波纹管损坏后,煤粉会很快进入阀杆和执行机构的内腔中,在很短的时间内就把整个阀门卡塞住不能动作,同时煤粉在阀门的密封处慢慢往外泄漏。

对于部分波纹管的损坏,经阀门解体发现,在波纹管和阀盖处沉积了大量煤粉导致阀门动作难以到位,如果一味地提高气源来提高阀门执行机构的推力,容易导致波纹管伸缩困难,使得波纹管产生裂纹并损坏。对于此类问题,应该在阀门动作前就开始启用阀盖上的吹气装置,在阀门停止工作后才能关闭,防止煤粉大量沉积在阀盖处,损坏波纹管,吹扫气体压力应略高于载气压力,吹扫气量范围为200~300L/min。

由于输送的煤粉为气、固两相,经常存在着螺丝钉、焊渣等杂物,此类杂物因为重力作用很容易掉入调节阀的阀芯内无法排除,在阀门上、下运动过程中直接损坏波纹管,为了避免该类杂物引起阀门的损毁,可在阀门的中腔加一道防止异物的隔板,隔绝杂物进入阀盖,使杂物在阀盖吹扫气的作用下排出阀体,如图4所示。

图4 防异物卡涩的阀门装配(示意)

煤粉流量控制阀的内件为耐磨性能良好的碳化钨,价格昂贵,在实际使用过程中,如果煤粉中夹带杂物较大,会直接卡塞在阀芯处,导致阀门内件的损坏。对于此类阀门故障,除了要求在配煤过程中加强监管以外,还得从阀门的成本上加以研究。为降低阀门成本,建议部分阀体流道内衬可使用其他陶瓷代替,陶瓷的物理机械性能对比如表1所示。

表1 几种陶瓷的物理机械性能对比

从表1可以看出,和碳化钨相比,增韧氧化铝(Al2O3—TiC)或氧化锆陶瓷的硬度接近或高于碳化钨;断裂韧性指标虽然劣于碳化钨,但其断裂韧性指标优于其他陶瓷,且其成本低,易加工,因此可以考虑用增韧氧化铝或氧化锆代替碳化钨制作阀门的耐磨内衬,降低阀门成本。国内其他行业已经有陶瓷替代碳化钨的阀门出现,使用效果良好。

2 煤粉进料罐放空调节阀

2.1 使用现状

煤粉进料罐放空调节阀是煤粉气化工艺中的关键设备,其上游是5MPa的煤粉进料罐,下游直接将气体排空。放空调节阀主要作用是调节煤粉进料罐的压力,保证煤粉进料罐与气化炉的压差维持在一个适当的范围,此阀门一旦出现问题将导致煤粉进料罐的压力无法正常调节,气体泄漏量大,浪费严重。如果放空气大量泄漏,会导致整个气化装置无法平稳操作。

煤粉进料罐放空调节阀长期工作压差为4.8~5MPa,公称直径为40~80mm,公称压力为10.0MPa,介质为N2(CO2)+煤粉,在小开度(5%~10%)下长期工作,密封等级不低于V级。

目前各个煤粉气化装置的高压差气固两相流放空调节阀主要采用进口球形调节阀、凸轮型调节阀以及套筒调节阀。此类阀门普遍存在使用寿命短的问题,导致此类阀门损坏的主要原因是阀芯、阀座密封面冲刷严重而密封失效,或者煤粉进入密封面、阀杆导致阀门卡死无法开关。

2.2 改进建议

煤粉进料罐放空调节阀主要用来调节煤粉给料罐的压力,介质为气固两相,在放空时会严重冲刷阀门的密封面和阀内件,磨损性强,需要兼顾调节和密封两大性能。对于此操作要求并结合介质特点,该阀的国产化方向应主要为:①提高调节背压;②选用耐磨材质的阀内件;③设计节流面与密封面分离的结构;④分段降压,多级节流;⑤改变阀门内部结构,不采用阀门内部有流体流向变化的阀门结构。

结合其他行业相似工况,比较可行的方案是在选取适当耐磨材质的基础上,采用直通、多孔多级降压形式结构,多种手段并举的措施来满足操作条件下的长周期使用。

3 结束语

煤粉气化工艺装置中的特种阀门种类较多,本文仅针对煤粉输送管线的煤粉流量调节阀和煤粉进料罐的高压差放空调节阀,通过分析在役阀门的结构特点和故障产生的原因,总结其使用现状,提出相应的改进或使用建议,使得确保煤粉气化装置能长周期平稳运行。

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