干煤粉气化装置中锁斗阀的设计
1、概述
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。干煤粉气化的技术关键在于干煤粉的加压进料，现在一般采用的是煤粉间断升压和加压下连续进料的半连续式加煤工艺。煤粉的进料通过常压料斗和增压料斗之间的锁斗阀及平衡阀周期性的隔离和连通实现。由于锁斗阀技术要求高，位置关键，我国早期干煤粉加压气化装置均采用进口锁斗阀。但是，进口阀门价格昂贵，制造周期长，零配件供应不及时，发生故障会造成单炉停车，这种阀门急需国产化。
2、工况特点
锁斗阀输送的介质为N2+煤粉或CO2+煤粉，该阀开关频繁，进料周期即阀门开关频率约30min一次。阀门要求双向密封，在正向和反向的双向流动方向，最大压差时，要达到FCI70-2V级密封要求。阀门内件和流道的材料应考虑耐固体颗粒介质的冲击、腐蚀和磨蚀。阀门启闭速度快，从“全开→全关”或“全关→全开”的时间为3~8s，应确保阀门动作到位。锁斗阀的公称通径一般≥NPS8，公称压力≥600磅级。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，煤粉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。
3、结构设计
锁斗阀一般采用的是全通径金属硬密封固定式球阀，气动执行机构驱动(图1)。阀体采用全通径两片式，材质为ASTMA216-WCB，内衬高强度双相不锈钢S31803耐磨套。阀座为弹性金属密封双阀座，采用阀前阀座密封，两个阀座均能独立切断进口端介质，实现双阻断功能。弹性金属阀座为弹簧加载预紧式设计，可以恢复和补偿长期开关阀门的常规磨损、阀体内部的高温热力膨胀及低温缩小，压力低时保证密封的可靠性。为使弹簧与煤粉隔离，避免煤粉的沉积使弹簧卡塞失效，确保弹簧长期有效地工作，设置了柔性石墨密封圈与O形圈双重密封方式。
图1 锁斗阀
阀杆采用防尘、防喷出设计，并且结构设计确保阀杆只承受阀门启闭力矩，介质的推力由上、下支撑轴承担，使阀杆的受力情况得到改善，保证阀杆能够长期可靠地工作。球体及阀座采用自刮削式结构，可对球体表面实现自清洁，防止附着在球面上的煤粉嵌入密封面，保证了阀门的密封性及长久操作性。采取加吹扫机构的办法防止煤粉在阀门中腔聚集。避免了阀门转动时阻力增大及卡住。
球体和阀座的基材为双相不锈钢ASTMA182-F51。密封面和流道采用喷焊镍基合金的方式，覆层表面硬度可达到55~60HRC，使阀门耐磨性、抗冲蚀和抗挤压能力更强。压盖、固定轴除了承受扭转强度及介质压力外，还受到煤粉的磨蚀，因此在与滑动轴承的接触面喷焊硬质合金，并配用大刚度大力矩的气动执行机构。
4、设计计算
为了保证阀门的密封性能、启闭动作顺畅和长寿命使用，对锁斗阀的密封比压、最大开启力矩和阀杆扭转强度进行计算和校核。
(1)密封比压
密封结构为阀前阀座密封，双阀座双向密封。密封比压q为
式中 DJH——阀座与阀体配合套筒外径，mm
DMN——阀座密封面内径，mm
DMW——阀座密封面外径，mm
R——球体半径，mm
h——密封面投影宽度，mm
φ——密封面中线与通道轴法向夹角，(°)
qMF——密封面必须比压，MPa
[q]——密封面许用比压，MPa
p——设计压力，MPa
qMF<q<[q]，为合格。
(2)最大开启力矩
锁斗阀处于关闭状态承受最大工作压力，开启瞬间扭矩最大。其扭矩MF为
式中 MF——最大开启力矩，N•mm
MQG——球体与阀座密封面间的摩擦力矩，N•mm
MQG1——阀座对球体的预紧力产生的摩擦力矩，N•mm
MQG2——介质的工作压力产生的摩擦力矩，N•mm
MFT——填料与阀杆间的摩擦力矩，N•mm
MZC——轴承产生的摩擦力矩，N•mm
qM——球体最小预紧比压，MPa
fM——球体与阀座密封面间的摩擦因数
fZ——轴承摩擦因数
FT——阀杆与填料摩擦力，N
dF——阀杆与填料接触部分直径，mm
ψ——系数
bT——填料宽度，mm
dQJ——轴承与支撑轴接触部分直径，mm
(3)阀杆扭转强度
设计时阀杆截面积最小值应在阀杆顶部与气动执行机构连接处，即对该处直径d1进行校核。
式中 MM——阀门最大开启扭矩MF的2倍或气动执行机构的最大输出扭矩，N•mm
[τN]——材料的许用扭应力，MPa
ωS——断面d1的抗转矩断面系数，mm3
5、结语
锁斗阀在干煤粉气化装置中使用后，密封性能良好，启闭顺畅，经受住了苛刻工况条件的考验，基本满足了使用要求。采用国产阀门，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.实用阀门设计手册第2版1M2.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1M2.北京：化学工业出版社，2006.
