论盘阀在壳牌合成气化装置的应用与研究

O季彬彬（河南龙宇煤化工有限公司 河南 476600）

论盘阀在壳牌合成气化装置的应用与研究

O季彬彬
（河南龙宇煤化工有限公司 河南 476600）

主要介绍了盘阀在SHELL气化炉年产50万吨甲醇项目粉煤加压输送单元中的应用，针对粉合成气化粉煤输送单元阀门经常出现内漏和卡涩的现象,分析了阀门发生故障的原因和机理,提出盘阀的结构形式并加以应用。通过这种新型结构的盘阀的试用,有效地降低了故障发生的频次,保证了合成气化装置粉煤加压输送单元的长周期稳定运行。结合我公司的应用效果分析了在应用过程中的问题及解决方法，展望了盘阀在化工装置中的后续推广价值。

壳牌合成气化；加压输送；硬密封球阀；盘阀

河南龙宇煤化工一期年产50万吨甲醇项目，采用国际最先进的SHELL粉煤加压合成气化技术进行甲醇生产的化工装置，二期年产40万吨醋酸项目，采用国内最新的五环炉作为合成气化装置。在12单元中，12XV0133/0123/0131/0132、12XV0233/0223/0231/0232这八个下料阀关系到这个装置的正常运行，壳牌公司原设计阀门为指定ARGUS阀门，口径为DN300，硬密封球阀，但是V1201、V1204、V1205内充装的都是煤粉，频繁的开关阀门导致阀球磨损严重、阀轴扭曲变形，以致阀门无法打开或彻底卡死。鉴于公司设备能安稳长周期运行，公司领导在众多的阀门厂家中层层筛选，最终决定将盘阀作为12单元V1204的下料阀，通过工况分析及盘阀试运行效果和其它阀门进行对比，为其它几个下料阀的更换带来真材实料的证据。以下作详细介绍。

1.壳牌合成气化装置概况

(1)壳牌合成气化装置简介

壳牌合成气化装置是通过煤粉加压输送单元，将粉煤由氮气或二氧化碳作为惰性载气，加压后送入气化炉。粉煤储罐的加料、加压、放料由粉煤锁斗阀完成；进入气化炉的粉煤流量由煤角阀控制；粉煤在进气化炉或循环回至低压粉煤储罐之间的切换由煤三通阀控制。

(2)壳牌煤气化装置的技术简介

①工艺原理

壳牌煤气化装置的所有反应是在高温、加压条件下进行的，加压煤粉、高温高压氧气、少量蒸汽汇集在在一起，通过煤烧嘴并流喷入气化炉内，瞬间完成温升、裂解、燃烧及其他相关的一系列物理和化学过程。由于气化炉内在反应过程中的温度约1500℃，在有氧气存在的条件下的反应釜内，其部分反应产物（如H2和CO等）以燃烧反应为主，所谓的气化反应都是在氧气消耗殆尽之后进行的，也就是碳的各种转化反应。最终生成的合成气含有多种组分，但其主要成分是CO和H2。典型的SCGP合成气成分见表1。

表1 典型的SCGP燃气成分

②工艺流程

壳牌煤气化工艺流程其实大同小异，无论是它的示范装置还是其它的大型工业化装置，都是采用废锅流程和激冷流程的壳牌煤气化工艺。壳牌煤气化装置的工艺流程示意图见图1。

图1 壳牌煤气化工艺流程

原料煤及石灰石分别经碎煤仓和石灰石储仓由各自的称重给料机，按设定好的比例输送至磨煤机。在磨煤机内将按设定比例混合石灰石的原料煤磨成煤粉（90%＜100μm）并干燥，煤粉经袋式过滤器将大颗粒粉煤再次过滤至磨煤机内，颗粒合格的煤粉被送至常压煤粉仓，再经加压煤粉仓送至高压给料仓，由高压N2或CO2作为流化气和载气，将煤粉流化并加压后输送至煤烧嘴。与此同时，高压O2预热至120℃与少量的中压过热蒸汽混合后并入煤烧嘴。这时候，煤粉、氧气及蒸汽几乎同时喷流进入气化炉内，紧接着的各种转化反应将会在气化炉的高温加压条件下进行。经除尘冷却后的合成气经循环气压缩机将气化炉顶部约1500℃的合成气瞬时激冷至900℃左右，被冷却的合成气将进入合成气冷却器。在冷却器内的水冷壁将热量回收后，约350℃的合成气再进入干法除灰单元出去大颗粒粉尘，最后经过湿洗单元出去细微颗粒粉尘。最后送至后续工序的较为洁净的合成气中含尘量＜1mg／m3。

2.盘阀的结构原理及特性

(1)盘阀简介

盘阀是通过滑动圆盘来实现开关的一种快开快关型阀门。盘阀的设计方向主要是针对具有较强的磨损或冲蚀特性并带有颗粒的流体，因此它能在较为恶劣的工况下长期正常运行，这主要归功于其独特的自研磨设计。在这种恶劣工况下不但不会造成密封面的泄露，而且可以不断提高密封性能，所以其检修维护周期是其他普通的阀门的数倍。

(2)盘阀工作原理

阀门驱动装置是通过与其连接的阀杆与摇臂推动阀盘产生位移，从而实现阀门的开关；在盘阀开关过程中，阀座密封面对阀盘在切线方向上的摩擦力之差，使阀盘在一个开关过程中产生自转并可以不断刮削与清扫可能堆积在阀腔内的介质；阀盘的密封性能则是借助弹簧与阀座紧密贴合，但是这种弹力又允许阀盘与其密封面之间存在少许位移。这种设计能够实现对阀门各部件之间由热胀冷缩而引起的形变，或者因频繁开关或者长周期使用后产生的密封面的微量磨损进行补偿，同时克服了因背压变化对密封性能的影响，而且能防止流体颗粒进入密封面之间导致的泄露现象。

(3)盘阀的结构

①阀座

垂直流线方向的宽大阀座，流线方向上磨损和冲蚀不会影响密封。

②阀盘

旋转剪切圆盘自转、自研磨及增强阀座的自清洁能力，剪碎通过阀门的固体介质。

③弹簧

补偿温度压力变化引起的盘根应力变化，使应力保持均匀，延长盘根的寿命。

④盘根

多种V型PTFE或石墨换和高碳盘根。

⑤多种轴套

防喷设计，同时提供了一个稳定密闭的盘根空间。

⑥阀盘补偿弹簧和弹簧柱

补偿阀盘和阀座的磨损，并抵抗背压，阻止物料进入密封面。

⑦吹扫孔

合理优化的吹扫设计，可以吹扫堆积的物料。

(4)盘阀性能特点

①自清洗密封面设计

阀座密封面采用开放式结构，阀瓣在每次动作过程会搅动和清除介质，避免了其他形式耐磨阀经常出现的内部物料的堆积；变化的流通管道空间，使流动的物料产生涡流，产生了自清洁作用，避免了物料在阀体内部的堆积所造成的腐蚀和破坏，保持阀门良好的密封。

②零泄漏

独特的自清洁密封面和自研磨设计保证了阀门良好关断效果，泄漏率远远低于行业标准的要求。

③自研磨设计

在阀门启闭过程中，阀瓣和密封面始终是平面接触，物料在二者之间起到研磨剂作用，随时修复受损密封面，保持阀门良好的密封效果。

④耐高温、耐腐蚀设计

盘阀瓣与阀盘是金属对金属硬密封，密封面采用整体堆焊镍基、钴基硬质合金，硬度高，耐腐蚀，抗氧化、耐高温、适用于高温下耐腐、耐磨场合，适用温度范围广。

⑤直行程和角行程设计

可按照用户的要求采用不同的行程方式，满足不同的工艺要求。

3.盘阀作为锁斗阀的现场应用及其优越性

(1)盘阀解决煤锁斗阀故障的方案

结合我公司煤加压输送单元的工艺特点，在煤锁斗工况下采用盘阀，并要求其着重采取了以下措施。

①针对煤粉介质的特性和其工况的操作特点，在阀门密封面的材料选择上，选择了相应的硬质合金材料。

②针对阀门本身的结构上也采取了独特的设计和改动。

A．针对阀腔内容易造成物料堆积的现象，我们在其腔体上增加了吹扫孔，并配备吹扫阀门，这样可以对阀腔进行吹扫，排出腔体内堆积的物料；B．高性能弹簧将阀盘紧密的压迫在密封阀座上，对于磨损具有很好的补偿；C．为了减少阀杆密封填料的磨损，增加阀门的使用寿命，阀轴采用无螺纹设计，而且阀轴只有转动，无上下平动；D．为了保证盘阀密封面的洁净，阀盘在设计时将其边缘设计的非常锋利，这样就相当于为阀盘加装了刮刀，因此阀盘不仅能有效的切割密封面上残留物料，而且阀盘具有切向平动和轴向转动的双作用。

(2)盘阀作为锁斗阀的优越性

作为锁斗阀，密封面的材料特殊、阀体的结构合理和密封形式超前这三个方面盘阀优越性的主要体现。

盘阀的阀盘采用了硬质合金材料作为密封面，不但解决了密封面硬质合金的粘结问题；同时，由于其材料的特殊性，对于煤粉基本上不粘结，而且对于煤粉的冲刷和磨损有着更为明显的效果。

盘阀对阀腔内壁的冲刷比球阀弱得多，主要因为其密封面的方向不存在散射，而是垂直于流体方向。

盘阀设计了“压力自泄放”功能，主要是为了避免阀腔内产生憋压导致背压过大，无法打开阀门。也就是当阀腔内的压力升高时，压力会自然泄放，这是盘阀用于锁斗阀最独特的优势。这样可以保证阀门在需要打开的时候，压差永远不会升高，从根本上杜绝了憋压的可能性。

(3)盘阀的现场应用及效果

双阀工作示意图（Bivalve Working Diagram）

在壳牌粉合成气化工艺中，气化装置煤粉输送单元是有12KS0002顺控逻辑，来控制现场阀门动作，所有的操作次序都是通过外部的开关程序完成的。煤粉从煤粉锁斗V1204A/B进入到粉煤给料仓V1205A/B，靠自身重力，当锁斗煤粉达到一个低料位后就要重新添加煤粉。整个过程是由粉煤仓底部的两个阀门完成的，阀门的正常开关直接影响着煤粉输送单元的正常运行。12单元原设计阀门为壳牌制定ARGUS阀门，口径为DN300，硬密封球阀。在下料时，由于V1204A/B和V1205A/B压差不同，造成阀门前后压差大，导致阀门无法打开，甚至出现卡死的现象。停车检查发现阀球磨损严重、阀轴扭曲变形，直接造成阀门无法动作。在正常运行时若阀门内漏也会造成两阀之间压差不平衡，增大了阀门的输出扭矩，造成气缸拨叉断裂，缩短了阀门的使用寿命，给设备长周期安稳运行控制带来巨大的影响。ARGUS阀门其固有的结构上的问题又使得其在线免维护运行时间很短，经常性的停车维修降低了整个装置的经济效益，而且大大增加了维护成本和现场的工作量。

就近两年开车情况，据统计因12单元下料阀开关故障，多次造成停车降负荷现象，造成的直接经济损失竟达上千万元，给公司的减亏增效带来了阻力。

我公司气化12单元下料阀共有8台，在生产运行中不仅增加了庞大的备件资金和检修负担，更给公司带来了经济损失。综合考虑现场管道内的介质及盘阀的特点，盘阀相比其他球阀更具优越性。经过两年的现场使用情况的观察，盘阀运行情况良好，期间从未出现阀门卡死、阀盘磨损现象。在停车期间，我们对盘阀阀腔、阀盘、气缸检查，未发现损坏部件。经过现场实践应用，盘阀在煤化工应用上具有不错的使用效。唯一的不足就是体积庞大，现场拆装工程量较大。

(4)盘阀与其它阀门的比较

工程中遇到的问题常规阀门的特点 盘阀的特点 实现的功能密封面磨损较快，阀门内漏超标密封面与介质在同一点接触，仅仅在刚使用后保证严密的密封阀盘旋转开关，自研磨设计，随时修复受损密封面，HRA高达86.5的硬密封寿命范围内，阀盘和阀座越研磨，配合越好，密封效果越好，阀门使用后能保证长效的密封过多的压降，使流量减小缩颈的流道通道 全通道流动对于流通介质无节流，较其他阀门，可以适当选择小口径的阀门物料堆积，或杂物进入密封面之间阀座无自清扫能力或预压力不足阀盘采用刮刀设计，以及阀座的平面设计，预压力大阀盘可将密封面上的可能存在的堆积物料刮削干净外漏阀杆挤伤或刮伤O型环及盘根阀轴采用无螺纹设计以及双重轴套，而且阀轴只有转动，无上下平动，并且拥有弹簧承载的盘根盘根承受均匀的压力，抵消了阀杆侧向力对盘根的破坏，有效地抵消压力、温度的变化，减少了维护保养时间，提高操作效率物料的流动造成阀座及阀芯的冲蚀流道的改变或阀芯的凸起会导致阀门开关过程中急剧地改变了物料流动的方向盘阀不存在大角度的散射，其密封面垂直于流体方向，开关过程中不会急剧改变物料流动的方向大大减少了物料的冲击力，从而减少了冲蚀热锁材料热膨胀率不同，导致公差配合不匹配有补偿间隙的弹簧加载，阀轴的无螺纹结构和光滑的表面，对振动和热应力进行补偿

4.盘阀的应用前景展望

从我公司的使用情况及盘阀的巧妙设计上来看，盘阀无论是从密封面的材料选择，还是从阀体的结构和密封形式上看，盘阀都具有先进的设计理念。不难看出，盘阀作为粉煤锁斗阀具有极强的可靠性和独特的优越性。

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[3]汪寿建.壳牌合成气化关键设备浅析.化工设计通讯,2003.03.

[4]王渭,明友.壳牌粉合成气化装置中特种阀的选型和应用.2009.

Application and Research of Poppet Valve on the Synthesis of Shell into Gasification Equipment

Ji Binbin
（Henan Longyu Coal Chemical co ., LTD, Henan, 476600）

This paper mainly introduces the disc valve in SHELL gasifi er with an annual output of 500000tons of methanol project pressurized pulverized coal conveying unit used for powder coal gasifi cation, coal powder conveying unit valve inner leakage and frequent jam phenomenon, analysis of valve failure cause and mechanism, put forward disc valve structure and application. By adopting the structure of the disc valve, effectively reduce the failure occurrence frequency, guarantees the coal gasifi cation coal powder conveying unit long period operation. The combination of my company's application effect analysis in the application process problems and solutions, prospects the disc valve in subsequent promotion value in chemical plant.

Shell coal gasifi cation；pressurized conveyor；seal valve；plate valve

T

A

季彬彬（1984～），男，河南龙宇煤化工有限公司，研究方向：化工仪表及其自动化。