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壳牌干粉煤气化装置中特种阀的选型和应用

来源: 上海阀门 时间: 2012-06-17 点击: 5,987

1.概述

壳牌粉煤气化工艺[1]是通过高压粉煤给料罐将粉煤由N2加压后密相送入气化炉。粉煤给料罐的原料粉煤由一锁斗系统注入,即通过粉煤放料罐与粉煤给料罐之间的锁斗阀和平衡阀周期性的隔离、连通实现粉煤的放料;壳牌气化炉采用膜式水冷壁结构,多烧嘴(通常是4~8个)进料,进入气化炉的粉煤流量由粉煤流量调节阀控制,粉煤在进气化炉或循环回至低压粉煤储罐之间的切换由粉煤给料三通阀控制。

粉煤气化生成的粗煤气携带煤灰总量的20%~30%沿气化炉上行,在气化炉顶部出口处通过冷的无尘循环气激冷降温至900℃,熔融的飞渣粒子凝固成细小的飞灰,夹带着飞灰的粗煤气沿激冷管、导管、反向室最终进入废热锅炉。煤灰总量的70%~80%以熔融态流入气化炉底部,通过下渣口进入灰渣激冷罐,被水激冷淬化成密实的玻璃状粒子,并通过一个锁斗系统从系统中清除出去。

出自废热锅炉的约350℃的粗煤气先经过高温高压陶瓷过滤器干法除灰,再进入湿洗单元水洗,以清除卤化物和最后的少量粉尘。陶瓷过滤器的滤芯由24组反吹阀控制的高压氮气进行反吹清洁。飞灰的收集及排放由飞灰收集罐底部的飞灰阀控制,激冷后的灰渣收集及排放由炉渣收集罐底部的锁斗阀控制。

2.锁斗阀

壳牌干煤粉气化装置采用发送罐工艺进行煤粉的输送以及炉渣和飞灰的排放。锁斗阀、飞灰阀和平衡阀的程控动作,主要是为了料仓之间的均压和粉煤(炉渣或飞灰)的排放。上述阀门结构类似,DN200~300mm,PNl0.0MPa,介质为N2+粉煤(飞灰),或水+炉渣,密封等级VI级,阀门每20~30分钟启闭一次,工程设计要求选用全通径硬密封球阀,本文仅对锁斗阀进行介绍。目前国内壳牌粉煤气化装置上使用的锁斗阀主要有2种结构形式,一是固定球阀,二是浮动球阀

2.1 固定球锁斗阀

固定球锁斗阀的结构见图1。其阀体为两块式,材质WCB,流道内衬双相钢耐磨套,阀体设吹扫口。球体侧装,上下转轴的凸轮状头部插入球体,转轴由阀盖中的轴套定位。密封副由碟簧预紧的阀前密封型阀座和球体组成,球体和阀座的基材为双相钢2205,密封面喷焊镍基合金,硬度HRC60;阀座带刮扫刃,防止固体颗粒进入密封面。阀门配双作用气动执行器。

固定球锁斗阀的结构示意图

固定球锁斗阀的启闭扭矩受压差影响小,阀杆因受侧推力而易偏磨。实际使用时,在频繁启闭过程中,固定球锁斗阀的支架出现了开裂和扭曲变形,造成气动执行器因输出轴和阀杆不同心而严重磨损,且其阀杆与轴套之间的间隙容易进粉而卡死。

2.2 浮动球锁斗阀

浮动球锁斗阀为浮动球球阀,其密封副的原理见图2。阀门采用流道带耐磨衬套的对分式阀体,球体和阀座表面喷焊ARGULOY合金,硬度HRC60,球体可沿压差方向浮动,阀座有自洁功能,一阀座由弹簧预紧,另一阀座固定。浮动球锁斗阀的进口阀座在浮动套筒上,因而可实现进出口双阀座密封,阀门密封性能好,但启闭扭矩大。

浮动球锁斗阀的结构示意图

浮动球锁斗阀的球体因压差产生的轴向推力并不作用于阀杆,阀杆不易卡死,但其密封副摩擦扭矩受压差影响大,实际使用时,因阀门压差不稳引起的球体抱死现象时有发生。

3.粉煤流量调节阀

进入气化炉的粉煤流量由粉煤流量调节阀控制,阀门公称直径65,公称压力600LB,密封等级为IV级,介质为N2(CO2)+粉煤,阀芯由气动直行程执行器驱动,阀门Cv值70,流量特性为近似等百分比。

壳牌粉煤气化装置上使用的粉煤流量调节阀分别由SchuF和Fisher提供,结构示意见图3。阀门为角式调节阀,阀门进口垂直向下,出口与进口夹120°角斜向下,气动直行程执行器倒置。杯状阀芯的杯口向上,其侧壁开槽,进口流入的粉煤垂直落入阀芯杯口,通过阀芯侧壁的开槽,斜向下流出阀门。阀芯上下移动,通过改变开槽的遮挡面积,从而改变粉煤流量。阀芯由阀杆拖动,阀杆防转,用波纹管密封,阀盖加吹气,防止因粉煤沉积而引起的波纹管卡涩。阀体内衬和阀芯均采用碳化钨防止磨损。

粉煤流量调节阀结构示意图

粉煤流量调节阀的调节性能满足工艺要求,碳化钨内件的耐磨性能良好,但需注意上盖吹气应该在阀门动作前就应开始,在阀门停止工作后才能结束,且通气需保持一定气量,否则煤粉会大量沉积在阀盖处,造成波纹管伸缩困难。

4.粉煤给料三通阀

粉煤在进气化炉或循环回至低压粉煤储罐之间的切换由粉煤给料三通阀完成。三通阀公称通径40~65,公称压力600LB,介质为N2(CO2)+粉煤,气开弹簧复位,换向时间2~3秒。

壳牌粉煤气化装置上使用了BCH粉煤给料三通阀,其工作原理见图4。阀体一进两出,材料为WCB;转子设平行双通道,材料为双相钢2205。阀体和转子精密配合,配合表面硬化处理。转子逆时针转动30°,煤线接通,循环线关闭;转子顺时针转动30°,循环线接通,煤线关闭。转子驱动系统由90°标准气动头和齿数比为1:3的内啮合齿轮组合而成,内啮合齿轮可将标准气缸的90°输出角转化为30°,并放大气缸扭矩。

粉煤三通阀换向原理图

粉煤给料三通阀在使用过程中出现了卡涩现象,分析认为转子偏磨和阀体与转子之间的间隙进粉是阀门卡涩的主要原因。

5.反吹阀

壳牌工艺中,粗煤气须经高温高压陶瓷过滤器干法除灰,而陶瓷过滤器的滤芯由24组反吹阀控制的高压氮气进行反吹清洁。24组反吹阀每隔20~30秒交替开启,每台阀门启闭时间0.1~0.3秒。阀门DN80/PN900LB,操作温度350℃。

壳牌粉煤气化装置上使用了coax反吹阀,其结构如图5所示。阀门为两位截止型,气开弹簧关。角式阀体,上进下出,软密封。阀杆波纹管密封,无填料。

反吹阀结构示意图

coax反吹阀满足工艺要求。实际使用时,有用户出于工艺上的原因,用干净的合成气反吹陶瓷过滤器,但如其反吹阀阀体材料为碳钢,则会造成阀门的严重腐蚀。

6.特种阀的国产化

最初的工程设计中,壳牌粉煤气化工艺指定欧洲厂家为其气化装置提供特种阀。但随着装置的投产,作为消耗品的特种阀,由于价格、性能、服务和供货周期等方面的原因,业主对其国产化的需求越来越强烈。根据进口特种阀的使用情况,对特种阀国产化需注意的问题归纳如下。

6.1 锁斗阀国产化需注意的问题

(1)球体和阀座密封面一般喷焊镍基合金,要求加工后的厚度不低于O.5mm,硬度HRC58—60。对于超音速喷涂工艺,由于喷涂层和基体为机械结合,应慎用。

(2)阀座应设刮扫刃,防止附着在球面上的粉体嵌入密封面。

(3)阀体流道应做耐磨处理。

(4)阀杆与轴套之间应防止煤粉进入;阀座与阀体之间的弹簧腔应防止固体进入。

(5)气动头的输出扭矩应该是理论值的1.5—2倍。

6.2 粉煤流量调节阀国产化需注意的问题

(1)介质流向应无突变,无流动死区。

(2)碳化钨内件的制备工艺。

(3)阀杆密封用波纹管的耐压、抗疲劳设计。

(4)波纹管活动区域补气流量的计算。

(5)杯状阀芯侧壁开槽形状对气固两相流的流量的影响。

6.3 粉煤给料三适阀国产化需注意的问题

(1)转子的定位,及其与阀体的配合精度。

(2)气动装置输出扭矩值的确定。

(3)快速换向的实现。

(4)阀门内件的防火、防静电、耐磨设计。

6.4 反吹阀国产化需注意的问题

(1)启闭速度的确保。

(2)软密封的结构形式,及其材料的选用。

(3)阀杆密封用波纹管的选材和抗疲劳设计。

7.结语

壳牌粉煤气化装置中特种阀种类很多,本文仅对上述典型特种阀的选型和应用进行了介绍。国产化过程中,在确定阀门材料和结构形式时,应充分考虑阀门介质的特殊性、长周期运行的需要、维护的便利性,以及消耗部件的容易获得。

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