粉煤三通换向阀国产化研究及应用

贾安利

(河南龙宇煤化工有限公司，河南永城 476600)

Shell煤气化(SCGP)以工艺干煤粉为原料、纯氧作为气化剂，液态排渣，属加压气流床气化工艺[1-2]。原煤被先行破碎研磨成煤粉并经干燥处理后，用氮气送入贮罐，贮罐内的煤粉与氧气、蒸汽一起，送进气化炉的燃烧室。

粉煤三通换向阀(又称粉煤换向阀、粉煤三通阀)是Shell煤气化工艺的关键设备之一，安装于气化炉烧嘴前。粉煤三通换向阀用于控制粉煤在循环管道与投煤管道之间的切换，将粉煤输送至气化炉烧嘴。通过阀门的介质是由4.0 MPa以上氮气输送的、粒度为50～100 μm的粉煤，操作温度为80 ℃，阀门最大切断压差达5.8 MPa。粉煤三通换向阀的使用工况恶劣，对阀门的耐磨性、快速换向能力、安全性和可靠性有着极高的要求。

1 结构性能特点

粉煤三通换向阀主要由阀体和旋塞组成，旋塞上开有平行双通道。正常运行时，直通流道出口向气化炉烧嘴管线输送粉煤；系统开停车时，旁路流道出口使煤粉经循环管线返回粉煤仓。开启和关闭位置之间的角度为30°，锐角换向，阀门切换时间短。换向时，煤粉分别从不同的阀芯通道流出，换向过程中始终有1个通道保持连通，煤粉流动不受阻挡，保持流化状态，极大地提高了系统工作的可靠性和稳定性。粉煤三通换向阀结构及原理见图1。

箭头—该通道导通；叉号—该通道关闭。

粉煤三通换向阀正常工作时，煤粉通过阀门同轴流道喷入气化炉，投煤流道压差为0.2 MPa，而粉煤三通换向阀进口与循环口之间压差为4.0 MPa以上。粉煤气化工艺的主要输送介质为干煤粉，煤粉颗粒不仅硬度高，而且流速快，具有很强的冲刷腐蚀性，因此对阀门的耐磨性要求高[3]。另外，对该阀门切换换向动作的准确性、可靠性也有很高的要求，若阀门开关不到位，容易造成煤粉流紊乱，导致烧嘴跳车，进而出现烧嘴烧坏的重大设备损坏事故。可以说，粉煤三通换向阀的运行工况非常恶劣，对产品的性能要求也很严苛，故其设计、制造难度大。目前，国内各大型煤化工企业使用的粉煤三通换向阀中，进口阀门占了很大比例。

2 国内外典型产品对比

河南龙宇煤化工有限公司(简称河南龙宇)煤气化装置采用SCGP工艺，粉煤三通换向阀为丹麦BCH型进口产品。阀体一进两出，材料为碳素结构钢，一体铸造，圆柱形旋塞设置有平行双通道，主材为双相钢，表面镀镍及喷涂聚四氟乙烯(PTFE)。阀门采用30°锐角换向，旋塞顺时针转动30°，循环线接通；旋塞逆时针转动30°，烧嘴线接通。执行机构采用90°标准气动执行器和减速比为3∶1的内啮合齿轮减速器组成，齿轮减速器可将标准气动执行器90°输出角转化为30°，并放大输出转矩，阀门结构见图2。

(a)国外进口阀阀体内部结构示意图

在长期使用过程中发现，BCH型粉煤三通换向阀在使用过程中经常出现卡塞、开关不到位等问题[4-5]。经过分析，其主要原因如下：

(1)阀门开启时，介质内漏到阀体和旋塞间隙内，浮动式旋塞缺少径向定位，逐渐增多的煤粉颗粒会将旋塞压偏，偏离阀体回转中心，导致阀门切换时所需扭矩越来越大，最终出现卡死现象。

(2)旋塞和阀体的间隙用PTFE材料进行润滑。温度较低时，内衬PTFE的润滑性能会下降，遇到粉煤时，阻力就会大幅上升，导致旋塞旋转卡阻。

(3)减速比为3∶1的内啮合齿轮减速装置，存在开启时间长、齿间间隙等问题，容易导致阀门开关不到位。

河南龙宇采用的BCH型粉煤三通换向阀，在线运行4台，备阀1台，投用后出现阀门卡涩、不能自动切换、切换不到位等故障现象。因阀门结构问题，维修后的阀门也不能满足长周期生产运行需要。为了解决粉煤三通换向阀开关速度慢、易卡涩等难题，河南龙宇积极与国内厂家、研究院所联合攻关，进行粉煤三通换向阀的国产化工作。经过几年的攻关，国内某研究院研发了具有自主知识产权的粉煤三通换向阀，已在国内多家煤化工企业成功应用，并取得了良好的效果，阀门综合性能优于国外同类产品。

国产粉煤三通换向阀(见图3)，其阀体和旋塞精密配合，配合表面硬化处理。相对于进口产品，主要做了以下优化改进：

图3 国产粉煤三通换向阀外部结构示意图

(1)固定式旋塞设计，旋塞上下轴分别通过阀盖和底盖内的滑动轴承实现径向定位，限制旋塞径向偏移，从而有效解决浮动旋塞偏磨导致阀门卡死的问题，确保介质平稳切换而不会出现紊乱。

(2)在旋塞上端设置减磨止推垫片，实现旋塞的轴向定位。在旋塞下端设置碟形弹簧轴向，补偿减磨止推垫片的磨损。

(3)执行机构选用定制的快速进排气型、30°行程的大扭矩气缸，并配用大流量、稳定可靠的气路附件，取消了减速比为3∶1的内啮合齿轮减速装置，旋塞上轴直接与气缸双键连接，大大缩短了阀门开启和关闭时间。同时，避免了齿间累计间隙造成的阀门行程误差，确保阀门动作到位、灵敏可靠。

图4 国产粉煤三通换向阀

3 结语

在粉煤三通换向阀研制领域，我国正处于需求量不断上升而研究制造水平相对滞后的局面，对我国煤化工行业建设的快速发展造成了极为不利的影响，严重阻碍了国内企业技术创新水平的提高。采用先进的研究方法对粉煤三通换向阀进行全面和深入的研究，对于提高我国干煤粉气化工艺用阀门技术水平，以及保障国内煤化工装置的安全稳定运行有着极其重要的现实意义。