王富強(qiáng) 陳鳳官 王 渭 明 友 張建斌 郝偉沙 高紅彪

(1.河南開祥化工有限公司；2.合肥通用機(jī)械研究院)

殼牌煤氣化裝置用脈沖反吹閥問題分析及改進(jìn)①

王富強(qiáng)1陳鳳官2王 渭2明 友2張建斌2郝偉沙2高紅彪2

(1.河南開祥化工有限公司；2.合肥通用機(jī)械研究院)

介紹了干法除灰工藝中脈沖反吹閥的工藝條件，分析了閥門使用過程中常見問題的原因，給出有效改進(jìn)措施并指出研究方向。

煤氣化裝置 脈沖反吹閥 飛灰過濾器 國產(chǎn)化

目前，我國以Shell氣流床粉煤氣化技術(shù)為代表的干煤粉加壓氣化技術(shù)，其綜合效益高，優(yōu)勢明顯，尤其煤的轉(zhuǎn)化率高達(dá)99%以上[1]，在煤化工領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣。Shell煤氣化裝置中飛灰過濾器的濾芯在線反吹清潔系統(tǒng)，在整個裝置中扮演著重要的角色，這套反吹清潔系統(tǒng)由多組脈沖反吹閥(薄弱環(huán)節(jié))組成，為飛灰過濾器提供高壓大流量的脈沖氣流，來清潔濾芯，防止過濾元件損壞進(jìn)而導(dǎo)致整個工藝系統(tǒng)故障停車。該系統(tǒng)中陶瓷濾芯價格昂貴，且易損易裂[2]，所以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行非常關(guān)鍵。筆者通過對反沖系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)——脈沖反吹閥在使用過程中出現(xiàn)的常見問題進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。從而使脈沖反吹閥能夠穩(wěn)定工作，且能夠適應(yīng)最佳清灰效率[3]，為過濾器長周期運行提供保障。

1 脈沖反吹工藝簡介

氣化爐產(chǎn)生的高溫高壓合成氣，經(jīng)冷卻塔冷卻至340℃，然后送至飛灰過濾器進(jìn)行干法除灰，過濾之后再送至洗滌塔濕洗，進(jìn)一步凈化。干法除灰是高溫含灰氣體通過陶瓷濾芯過濾，將粉塵留附在濾芯外壁，而脈沖反吹閥是以脈沖氣流的形式用高溫高壓氮氣(約7.8MPa，225℃)，反吹濾芯，使它外壁附著的粉塵掉落到飛灰收集器中，來達(dá)到清潔濾芯的效果[4，5]。

反吹系統(tǒng)是飛灰過濾器的重要組成部分，若脈沖反吹閥出現(xiàn)問題，反吹就無法正常進(jìn)行，濾芯則得不到有效清潔，灰塵持續(xù)附著在濾芯外壁，進(jìn)而架橋會導(dǎo)致濾芯斷裂，最終使整個工藝系統(tǒng)故障停車。

Shell氣化工藝的飛灰過濾器根據(jù)工藝負(fù)荷的不同，設(shè)置了不同數(shù)量的過濾濾芯，一般為24組或15組，每組濾芯則對應(yīng)著一臺脈沖反吹閥。脈沖反吹閥的一個動作回合不大于0.25s，動作間隔則為165～720s不等，根據(jù)現(xiàn)場工藝特點而定。閥門入口壓力約為7.8MPa，介質(zhì)溫度約為225℃，角式結(jié)構(gòu)，快開特性[6，7]，閥門結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 脈沖反吹閥外形結(jié)構(gòu)

2 常見問題及分析

2.1 閥瓣松脫

脈沖反吹閥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。閥瓣通過閥桿上的一個螺母和彈墊固定鎖緊，在閥瓣長期拍打過程中，必然會出現(xiàn)松脫現(xiàn)象，文獻(xiàn)[1]中已對此進(jìn)行了詳細(xì)的討論與分析，不再贅述。

圖2 脈沖反吹閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2.2 氣動執(zhí)行器密封件失效

脈沖反吹閥的氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)在線使用一段時間后，有串氣現(xiàn)象出現(xiàn)。對氣缸拆解后發(fā)現(xiàn)密封件已磨損。分析認(rèn)為由于脈沖反吹閥的工況條件具有高頻、快速的特點，密封件使用普通的丁腈橡膠不能很好地適應(yīng)該工況。且氣缸與活塞的配合間隙大，若安裝過程中同心度沒有得到保證，也會加速密封件的損壞。

2.3 導(dǎo)向套損壞

在脈沖反吹閥的閥桿頭部，有一導(dǎo)向段與一塑料導(dǎo)向套間隙配合(圖2)。在反吹過程中導(dǎo)向套失效頻繁，尤其是在國產(chǎn)化過程中，有部分廠家提供配件的配合間隙值及材料的選擇無法達(dá)到現(xiàn)場工況要求。

2.4 閥座密封墊失效

閥座密封墊的材料為PBI，是一種可以承受高溫、高壓的特種塑料，制作成本高，價格昂貴。由于承受沖擊疲勞載荷并處于高溫高壓介質(zhì)中，長期使用后，閥座密封失效，密封等級達(dá)不到技術(shù)規(guī)格要求的ANSI-V級。

通過對閥門進(jìn)行拆解，發(fā)現(xiàn)閥座組件的閥座支撐環(huán)有變形，分析可能是因為該閥座支撐環(huán)為薄壁件，并且在高溫、沖擊工況下發(fā)生了變形，而閥座密封墊的密封失效與該閥座支撐環(huán)的變形有關(guān)聯(lián)。

2.5 電磁閥故障

電磁閥失效則氣缸無法進(jìn)行正常的閥門啟閉驅(qū)動。通過拆解發(fā)現(xiàn)：有生膠帶纏在電磁閥閥芯上，導(dǎo)致電磁閥閥芯卡澀，無法進(jìn)行正常切換動作；還發(fā)現(xiàn)有其他顆粒物堵塞電磁閥內(nèi)部的情況。這主要是儀表氣源不干凈引起的，需要對氣源進(jìn)行凈化處理。

2.6 波紋管疲勞失效

波紋管閥桿組件是脈沖反吹閥的重要部件，其性能的好壞是影響整閥有效壽命的重要因素。而脈沖反吹閥的工藝特點決定了波紋管閥桿組件，需要滿足高溫、高壓及高疲勞壽命等特點。從現(xiàn)場情況來看，波紋管閥桿組件的失效主要是在長期使用后產(chǎn)生了疲勞裂紋，進(jìn)而失效。而決定波紋管疲勞壽命的關(guān)鍵性因素，則主要體現(xiàn)在其材料性能及結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面。

3 改進(jìn)措施及效果

針對上述脈沖反吹閥出現(xiàn)的常見問題，筆者分別給出了相應(yīng)的改進(jìn)措施：

a. 針對脈沖反吹閥閥瓣松脫問題，采取的解決措施是直接將閥瓣鎖緊螺母點焊在閥桿上。該閥的原廠商則將閥桿螺紋處銑削出一個槽，在該閥閥瓣與鎖緊螺母之間增加內(nèi)齒防轉(zhuǎn)墊片，內(nèi)齒與閥桿配合，從而來保證閥瓣不松脫。上述兩種方案均可行，但不是最佳，筆者推薦文獻(xiàn)[6]提出的改進(jìn)方案，其防松結(jié)構(gòu)可靠，且不破壞閥桿結(jié)構(gòu)、不降低閥桿強(qiáng)度。

b. 氣動執(zhí)行器活塞密封件應(yīng)選取硬度更高、更耐磨的材料，推薦選取聚氨酯材料的密封圈，并配專用潤滑油，建議將潤滑油足量加在活塞的兩道密封圈中間，保證最佳的潤滑效果。若條件允許，建議在儀表氣源管路上增設(shè)油霧器，可保證氣缸內(nèi)部的長期潤滑。

c. 為徹底解決導(dǎo)向套壽命短，且配件成本高的問題，將導(dǎo)向套的材料由特殊工程塑料直接改為耐磨金屬材料。并進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚?，保證導(dǎo)向套與閥桿導(dǎo)向部分形成最佳的摩擦副配比。根據(jù)金屬材料導(dǎo)向套的使用情況來看，效果良好。

d. 重新設(shè)計了閥座支撐環(huán)，其剛度可滿足閥座在高溫高壓工況下使用，變形率小，可有效支撐閥座。由于閥座的材料為特殊高端工程塑料，價格昂貴。對比了可滿足使用工況的其他幾種工程塑料。通過現(xiàn)場使用情況反饋，其中兩種材料，即含特殊配方的聚醚醚酮和聚酰亞胺，可以作為閥座材料的替代材料。

e. 在儀表氣源管路上的電磁閥入口前段，增設(shè)了過濾減壓閥?，F(xiàn)場測試脈沖反吹閥的動作時間，發(fā)現(xiàn)增設(shè)過濾減壓閥，對動作時間影響很小。在增設(shè)了過濾減壓閥之后，電磁閥再未出現(xiàn)卡澀等故障。

f. 波紋管閥桿組件的國產(chǎn)化有很大進(jìn)步，合肥通用機(jī)械研究院供貨的脈沖反吹閥用波紋管閥桿組件，在某化工公司的裝置上使用已達(dá)兩年時間，暫未出現(xiàn)失效情況。通過進(jìn)一步降低材料硬度，增加波紋管層數(shù)，減薄單層厚度，并選用優(yōu)質(zhì)鋼材，來優(yōu)化提高波紋管性能。

針對脈沖反吹閥存在拆卸、裝配困難等其他問題，合肥通用機(jī)械研究院生產(chǎn)的改進(jìn)型脈沖反吹閥3”MCF-CL900，均做了相應(yīng)的優(yōu)化與改進(jìn)，產(chǎn)品已通過實驗室檢測，正在進(jìn)行后續(xù)的工業(yè)考核。

4 結(jié)束語

閥脈沖反吹閥的深度國產(chǎn)化尤為重要，降低閥門及其重要部件成本，提高產(chǎn)品性能，縮短產(chǎn)品的供貨周期，這些都需要閥門科研生產(chǎn)單位付出努力。目前，脈沖反吹閥的國產(chǎn)化工作已初見成效。根據(jù)脈沖反吹閥的運行情況，還有兩個問題需要進(jìn)一步研究：一是脈沖反吹閥的振動沖擊大，二是如何實現(xiàn)脈沖反吹閥的快速在線更換。這兩個問題的完美解決，將更加有利于煤氣化裝置的長期穩(wěn)定運行。

[1] 劉護(hù)林，李運. Shell氣化爐煤粉給料倉參數(shù)的測量與控制策略[J]. 化工儀表及自動化，2013，39(6)：831～834.

[2] 夏興祥. 高溫除塵技術(shù)綜述[J]. 化工機(jī)械，2000，27(1)：47～52.

[3] 胡鵬睿，向文國，沈來宏. 清灰效率對炷狀陶瓷過濾器的影響[J]. 化工機(jī)械，2004，31(2)：74～77.

[4] 李亞東，王可運. 殼牌粉煤氣化裝置高溫高壓飛灰過濾器的使用與維護(hù)[J]. 化肥設(shè)計，2010，48(4)：37～38，42.

[5] 李準(zhǔn)，楊勇，上官國青，等. Shell煤氣化裝置飛灰過濾器濾芯損壞原因及維護(hù)措施[J]. 化工管理，2015，(2)：110，112.

[6] 陳鳳官，王富強(qiáng)，王渭，等. 脈沖反吹閥閥瓣的防松分析及改進(jìn)[J]. 中國設(shè)備工程，2016，(1)：57～59.

[7] 王渭，明友. 殼牌粉煤氣化裝置用閥結(jié)構(gòu)類型與特性的分析[J]. 閥門，2010，(6)：22～24.

2016-05-23，

2016-11-11)

(Continued from Page 92)

Having CFD method applied to investigate the fluid motion within double-helix pressurizer sprayer and to analyze the structure effect of big and small mixing chambers and the helical angle of the flow pass on sprayer’s flow coefficient to show that, of the mixing chamber structure, the factor which influencing flow coefficient much is the outlet diameter of the chamber; the small mixing chamber’s larger outlet diameter can incur a bigger flow coefficient and the larger outlet diameter of the big mixing chamber brings about a smaller flow coefficient; and the outlet diameter of big mixing chamber influences the flow coefficient obviously and bigger helical angle in the external and inner spiral pass can bring about greater flow coefficient.

pressurizer,large-scale double-helix sprayer, resistance characteristics, flow coefficient, CFD

合肥通用機(jī)械研究院青年科技基金項目(2013010659)。

王富強(qiáng)(1979-)，工程師，從事閥門新產(chǎn)品開發(fā)。

聯(lián)系人陳鳳官(1986-)，工程師，從事化工儀表技術(shù)及管理工作，cfg0551@foxmail.com。

TQ545

B

0254-6094(2017)01-0111-03