干煤粉气化装置中平衡阀的设计

一、前言

　　我国是一个能源大国，一次能源结构中75%以上是煤，预计到21世纪中叶，甚至到21世纪末，我国以煤为主的能源结构将不会改变。煤的高效、清洁利用，是我国经济和社会可持续发展的战略选择，是保证我国能源稳定可靠供应以及可持续发展的重要科技基础。为了满足未来经济、社会和环境协调发展对能源的需求，煤炭的洁净利用必须以科学的发展观，依靠科技进步，走出一条兼顾高效、环保和经济的新型工业化道路。发展基于煤气化的煤基能源及化工系统是在可 预见范围内最有效的技术途径。

　　以煤气化为基础的能源及化工系统正在成为世界范围内高效、清洁、经济地开发和利用煤炭的热点技术和重要发展方向。煤气化主要用于以下几个方面：①生产燃料煤气。②生产合成气，用作合成氨、合成甲醇和甲醚以及合成油的原料气。③生产氢。

　　能够大型化的煤气化技术，重点在干法进料气流床气化、水煤浆进料气流床气化工艺和大型流化床气化炉。干煤粉加压气化工艺的典型流程为：来自制粉系统的干燥粉煤由氮气或二氧化碳气经浓相输送至炉前粉煤储仓及煤锁斗，再经由加压氮气或二氧化碳加压将细煤粒子由煤锁斗送入气化烧嘴。气化需要的氧气和水蒸气也送入烧嘴。通过控制加煤量，调节氧量和蒸汽量，使气化炉在1400～1700℃运行。在气化炉内煤中的灰分以熔渣形式排出。绝大部分熔渣从炉底离开气化炉，用水激冷，再经破渣机进入渣锁系统，最终泄压排出系统。

　　出气化炉的粗煤气夹带着飞散的熔渣粒子被循环冷却煤气激冷，使熔渣固化而不致粘在合成气冷却器壁上，然后再从煤气中脱除。合成气冷却器采用水管式废热锅炉，用来产生中压饱和蒸汽或过热蒸汽。粗煤气经省煤器进一步回收热量后进入陶瓷过滤器除去细灰。部分煤气加压循环用于出炉煤气的激冷。粗煤气经脱除氯化物、氨、氰化物和硫(H2S，COS)，HCN转化为N2或NH3，硫化物转化为单质硫。

　　干煤粉气化的技术关键在于干粉煤的加压进料，现在一般采用的是粉煤间断升压和加压下连续进料的半连续式加煤工艺。原料煤在风动磨内磨制成符合气化要求的粉煤，借惰性气体送至气化界区，经分离后进入常压料仓，而惰性气经过滤、除尘后放空。粉煤由常压料斗进入增压料斗，由此被惰性气吹送至气化炉燃烧器。

　　煤粉的进料通过常压料斗和增压料斗之间的平衡阀及锁斗阀周期性的隔离、连通来实现。由于平衡阀技术要求高，位置关键，我国早期采用干煤粉加压气化技术的单位，采购平衡阀时大都选用了进口品牌。但进口阀门价格昂贵、制造周期长、零配件供应不及时、维修不方便，而且质量上也存在问题、寿命比较短，发生故障会造成单炉停车，这种阀门急需国产化。

二、平衡阀的工况特点

　　介质：N2+粉煤或CO2+粉煤。

　　开关频繁：进料周期即阀门开关频率大约为30min一次。

　　阀门要求双向密封：在正向和反向的双向流动方向，在最大压差时，要达到FCI70-2ClassⅤ级密封要求。

　　磨损严重：阀门内件和流道的材料应考虑在固体颗粒介质冲击、腐蚀和磨蚀下有最好的可用性。

　　启闭速度快：从“全开→全关”或“全关→全开”的动作时间为3～8s，并确保阀门动作到位。

　　平衡阀的公称通径一般为NPS8及以上，公称压为为Class600及以上。在高压介质的作用下，对阀门密封面会形成较大的密封比压;同时，阀门在高压下启闭，粉煤介质的摩擦阻力较大，容易造成阀门卡阻，因此阀门实际开启力矩要远远大于一般流体介质在相同压力下的力矩。

三、平衡阀结构及功能特点

　　根据干煤粉气化装置的工况特点，平衡阀一般采用的是全通径金属硬密封固定式球阀，如下图所示。

平衡阀结构图

1.主阀体 2.固定轴 3.滑动轴承 4、8、14.O形圈 5.螺栓 6.螺母 7.副阀体9.弹簧 10.密封圈 11.压圈 12.阀座 13.衬管 15.球体 16.压盖17.阀杆 18.支架 19.气动执行机构 20.填料压板 21.填料压套 22.填料

　　(1)结构特点 平衡阀的结构特点表现为：分体式、固定球、金属硬密封和弹性金属密封阀座。即采用全通径、两片式阀体，材质为ASTMA216—WCB;流道圆整平滑，阀门内部无利于煤粉沉积的死角，保证煤粉不沉积、不卡涩;双阀座采用阀前密封形式，两个阀座均能独立切断进口端介质，实现双阻断功能。

　　(2)耐高压能在大于或等于Class600的工况压力等级下长期工作。

　　(3)耐磨损、耐腐蚀主阀体、副阀体内衬高强度双相不锈钢2205套管;阀座流道、球体流道均喷焊镍基合金。提高了阀门内件及流道耐粉煤磨损、耐腐蚀的能力，并显著地提升了阀门的整体寿命。

　　(4)双向密封能保证阀门的双向密封;在正向和反向的双向流动方向，在最大压差时，能达到FCI70-2ClassⅤ级密封要求，满足干煤粉气化装置工况对平衡阀的要求。

　　(5)耐冲蚀 球体和阀座密封面最容易受到煤粉的冲蚀。根据用户单位使用国外平衡阀所得到的经验，球体和阀座密封面硬度不能低于55HRC，同时还应考虑硬化层能涂敷一定厚度且保证表面覆层与基体材料的结合力(不能脱落)。球体和阀座的基材选用双相不锈钢ASTMA182-F51，采用喷焊镍基合金的方式，覆层表面硬度可达到55～60HRC，使阀门耐冲蚀、耐磨性和抗挤压能力更强。

　　(6)防卡阻粉煤会进入阀腔导致阀门转动时阻力增大从而卡住，采取加吹扫机构的办法防止粉煤在阀门中腔聚集。

　　(7)配用大刚度、大力矩的气动执行机构干煤粉气化装置要求阀门从“全开→全关”或“全关→全开”的动作时间为3～8s，并确保阀门动作到位;又由于粉煤介质的摩擦阻力较大，阀门实际开启力矩要远远大于一般流体介质在相同压力下的力矩，因此，配用大刚度大力矩的双作用气动执行机构，保证阀门正常的工作。

四、技术难点与解决方案

1.技术难点

　　平衡阀处于高压、强冲蚀、强磨蚀及腐蚀等工况环境，阀门开关频繁、启闭速度快、密封等级高，在设计和制造过程中存在不少技术难点。

　　(1)密封比压高平衡阀采用镍基合金材料为密封面，所需要的密封比压比较高，因此如何从设计上保证适当的密封比压，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。

　　(2)球体及阀座密封面硬度高干煤粉颗粒的硬度比较高，要求球体和阀座密封面硬化层有高的硬度，否则，在阀门启闭的过程中会有煤粉颗粒镶嵌在密封面上，从而破坏密封面，影响到阀门的整体密封性能。

　　(3)喷焊层结合强度高干煤粉介质的流动速度很快，因此要求球体密封面必须有高的硬度和韧性，同时还要求能涂敷一定厚度且保证表面覆层与基体材料的结合力，以及基体材料本身的强度要好，这样喷焊层才不会从基体表面脱落，而致失去密封性能。

　　(4)自清洁设计干煤粉的吸附性很强，容易附着在球体表面上。在阀门启闭过程中，煤粉颗粒被带到阀座与球体的密封面之间，破坏了球体与阀座之间的密封副，从而影响阀门的密封性能，使阀门的使用寿命大大缩短，这就要求阀门必须有自清洁设计，保证球体和阀座密封副不被破坏。

　　(5)制造难由于平衡阀的球体和阀座密封面喷焊的是镍基合金，表面硬度达到55～60HRC，密封面又为球形，用普通的机加工设备及刀具无法加工，即使能加工其加工精度也不能满足要求，因此选择合适的机加工设备及刀具非常重要。

　　(6)如何保护弹簧煤粉颗粒的沉积会使弹簧卡涩失效，使“弹性金属密封阀座”失去“弹性”，从而使阀门卡住，不能正常启闭或启闭力矩过大，要求阀门有保护弹簧设计。

2.问题解决方案

　　根据上述技术难点，要设计和制造出适合干煤粉气化装置工况用的平衡阀，就必须有切合实际的可行性解决方案。

　　(1)采用阀座螺旋弹簧补偿结构由于采用镍基合金作为密封面，所需密封比压很高，从结构设计上保证提供适当的密封比压尤为重要。因此采用“螺旋弹簧+阀座”的组合弹性金属阀座结构，通过多个环向均布的高负载螺旋弹簧提供初始预紧密封比压，使阀座与球体始终紧贴在一起，既能满足阀门在低压情况下的密封性能，又解决了由于热膨胀所造成的过大摩擦力矩的问题，还能提供一个较高的密封剪切力，使平衡阀在开启、关闭的过程中阀座对球体表面起到“清洁”的作用。

　　在阀座的密封面前、后都增加了“刮切刃”的设计，使得平衡阀在开启及关闭的过程中，阀座的“刮切刃”都能对球体表面附着的煤粉起到刮削作用。避免了煤粉被带入密封副之间破坏密封面，保证了阀门的密封性及长久操作性。

　　阀座部位设置如平衡阀结构图所示的柔性石墨密封圈与O形圈双重密封方式，使弹簧与粉煤隔离，确保弹簧长期有效地工作。

　　(2)特殊的加工工艺零件的加工精度和表面粗糙度对提高密封的可靠性起到关键作用，尤其是对球体及阀座的加工要求。球体喷焊镍基合金前后都须用数控高精密球面磨床磨削;阀座喷焊镍基合金后，采用数控机床加工;当球体和阀座达到一定精度及表面粗糙度要求时，二者进行配对研磨。

　　(3)密封副硬化材料选择密封副材料的选择直接关系到阀门的性能、使用寿命及操作力矩。根据平衡阀的工况条件，选择球体表面喷焊Ni60与阀座密封面喷焊Ni55较为理想。喷焊镍基合金使密封面硬化层既有一定硬度和韧性，又能涂敷一定厚度且保证了表面覆层与基体材料的结合力，使阀门耐磨性、抗冲蚀和抗挤压能力更强。适用于干煤粉这一固体颗粒介质、高压以及频繁启闭的工况条件。

五、结语

　　按照上述条件配置的平衡阀在多家单位投入运行和使用后，密封性能良好，启闭顺畅。经受住了苛刻工况条件的考验，基本上满足了使用要求。采用国产化的产品替代了相应进口产品，既可以有效地保障装置的稳定运行，又可以降低生产成本，提高生产效率。

参考文献

　　[1]陆培文.实用阀门设计手册[M].2版.北京：机械工业出版社，2007.

　　[2]许世森，张东亮，任永强.大规模煤气化技术[M].北京：化学工业出版社，2006.