粉煤三通阀在Shell粉煤气化中的应用及国产化改进

　　简述Shell粉煤气化装置开车运行中粉煤三通阀出现开关不到位、阀塞和阀座卡死的问题，介绍粉煤三通阀的工作原理、结构和故障分析以及国产化改进后的粉煤三通阀的使用情况和技术特点。实践证明，国产化改进有效解决了Shell粉煤气化在投煤过程中粉煤三通阀出现的问题，保障了装置的长周期安全稳定运行。

　　粉煤三通阀(又称粉煤换向阀)是Shell粉煤气化工艺的关键控制设备之一，安装于气化炉烧嘴前，用于控制粉煤在循环管道与投煤管道之间切换流动，将粉煤输送至气化炉烧嘴。通过阀门的介质是由4MPa氮气输送的粒度为0.05~0.10mm的粉煤，操作温度为80e，阀门最大允许关闭压差达5.8MPa。广西柳州化工股份有限公司(以下简称柳化公司)在Shell粉煤气化装置中使用的粉煤三通阀系从国外进口，自2007年初开工以来，在使用过程中频繁出现阀门开关不到位、阀塞和阀座卡死等问题，无法及时将粉煤输送至烧嘴。而该粉煤三通阀的生产厂家在国内无服务中心，备件准备和阀门维修滞后，同时在线检修更换也存在很大的安全风险。在实际运行中，因该粉煤三通阀故障曾造成多次降负荷生产，甚至装置被迫停车，严重影响了装置的正常运行。

1、粉煤三通阀的工作原理和特点

　　粉煤三通阀由阀体和阀塞组成，阀塞上有1个入口和2个出口，其内部结构见图1。正常运行时，使用直通出口向气化炉烧嘴管线输送粉煤;系统开、停车时，使用旁路出口使煤粉经循环管线返回粉煤仓。由于开启和关闭位置之间的角度为30b，行程较短，阀门启闭时间很短，对管线造成的流量扰动小，可以保证开、停车过程的平稳性。

图1 粉煤三通阀内部结构

　　粉煤三通阀采用浮动式圆柱面阀塞，其密封形式为面密封，密封等级为IV级。阀塞有2个平行的呈微小锥形的流体通道，阀体进口端尺寸略大于阀塞出口端尺寸，阀体进口端与阀塞之间有0.1mm的间隙。阀门工作时，介质的压力将阀塞推向阀体出口端，主要利用阀体进口端尺寸略大于阀塞出口端尺寸进行密封，阀门动作需要较大的扭矩，其配置的执行机构采用标准90°执行器和1：3变速箱，其目的是通过增加阀门的开启时间来增大输出扭矩。

　　(1)工作原理

　　阀体和旋塞精密配合，旋塞上设平行双通道，由气缸驱动作30°回转。气缸失电失气时，烧嘴管线关闭，循环管线接通(图2);气缸得电得气时，转子逆时针转动30°，烧嘴管线接通，循环管线关闭(图3)。

图2 气缸失气(烧嘴管线关闭，循环管线接通)

图3 气缸通气(烧嘴管线接通，循环管线关闭)

　　(2)使用要求和特点

　　①切换动作要求准确、可靠、灵敏、到位，不能有偏差。若阀门开启不准确，将会造成粉煤流紊乱、烧嘴跳车，还可能造成烧嘴烧坏的重大事故。

　　②流通介质为粉煤，开车正常后该阀长期运行，要求该阀抗冲刷能力强，不易被粉煤卡死。

2、粉煤三通阀使用故障分析

　　粉煤三通阀在运行过程中出现的故障主要包括阀门卡滞、动作不到位或打不开，修复后效果仍不理想，其主要原因如下。

　　(1)阀门开启时，介质会泄漏至阀体与阀塞之间的间隙内，由于阀塞是浮动的，泄漏的介质会逐渐向阀塞挤压，导致阀塞偏离中心。而其执行机构的开启时间较长;阀门在运行一段时间后，阀体与阀塞之间全部充满介质，使得阀门扭矩越来越大，直至卡死。

　　(2)阀塞与阀体的间隙使用聚四氟乙烯进行润滑，但在温度较低时，内衬聚四氟乙烯的润滑性能下降，遇到粉煤侵入就会造成阻力大幅上升，导致了旋转受阻。可采取的措施有：对阀体和管线进行保温，使阀体内部的工作温度达60°C以上，以保证聚四氟乙烯的密封性能;严格控制粉煤的粒度、含水量，避免粉煤侵入。

3、粉煤三通阀的国产化改进和技术特点

　　原粉煤三通阀卡死的原因是由于阀塞的浮动结构形式及其面密封的形式，而且进口粉煤三通阀价格昂贵、制造周期长、零配件供应不及时、维修不方便，一旦发生故障，将对装置生产造成极大影响。鉴于此，柳化公司于2008年初选用国内某研究所生产的粉煤三通阀进行国产化试验。该阀投用后，使用效果得到明显改善，运行至今一直未出现故障。2009年7月，参照国产化粉煤三通阀结构对1台进口粉煤三通阀进行改造，将原浮动球结构改为固定球结构，重新投用后也取得了比较好的效果。

　　国产化改进后的粉煤三通阀具有如下的技术特点。

　　(1)采用变径的锐角换向平行双通道转子技术，降低了换向流动阻力，缩短了换向时间，可避免粉煤堵塞。

　　(2)采用固定式阀塞(非浮动)，阀塞两端的转轴分别通过套装在转轴上的轴承径向定位于上阀盖和下阀盖的轴孔中，使阀塞不能径向偏移，解决了浮动阀塞易造成阀门卡死的问题，确保介质流向平稳切换而不会出现紊乱现象。

　　(3)阀塞轴向由抗磨止推垫定位，碟形弹簧补偿止推垫磨损，对阀塞形成轴向顶推的可调弹性压盖。

　　(4)在阀塞流道进、出口分别增设防尘密封圈，提高了阀门的密封性和阀门的密封等级，防止粉煤进入阀塞和阀体间隙。

　　(5)执行机构选用快速进排气型、30°行程的大扭矩气缸，并配用大流量、稳定可靠的电磁阀等附件，取消原变速箱;阀塞上轴直接与气缸连接，缩短了阀门开启和关闭时间，确保阀门动作到位、灵敏可靠，同时也减少了开启过程中介质泄漏至阀体内，延长了阀门的使用寿命。

4、结语

　　国产化改进后的粉煤三通阀通过在柳化公司生产装置的实际使用，证明其完全可以替代进口阀门，不仅保障了Shell粉煤气化装置的稳定运行，而且大幅降低了采购成本。