葛 濤，武志紅

（國(guó)家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司，寧夏銀川 750000）

0 引言

殼牌煤氣化工藝裝置中使用的粉煤三通閥，通常被稱為粉煤換向閥，它位于氣化爐的燃燒器前面，用于在循環(huán)管道和進(jìn)煤管道之間切換煤粉流量，同時(shí)將煤粉輸送到氣化爐的燃燒器中。粉煤三通閥的介質(zhì)是氮?dú)廨斔偷拿悍?，顆粒大小在0.05～0.10 mm，運(yùn)行溫度為80 ℃，最大允許關(guān)閉壓力差高達(dá)5.8 MPa[1-2]。由于介質(zhì)為高壓差氣載粉煤，流速較高，在高流速的氣固雙相流沖蝕下，閥體、閥芯極易損壞，因此三通閥必須具備高耐磨性、快速換向能力，以及較高的安全性和可靠性[3]。

1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

三通閥采用氣開彈簧復(fù)位，換向時(shí)間小于5 s，閥體一進(jìn)兩出，閥體與旋塞精密配合，轉(zhuǎn)子設(shè)平行雙通道[4]。三通閥是粉煤氣化裝置的重要組成部分，用于控制煤粉在氣化爐和煤粉循環(huán)系統(tǒng)之間的切換和分配，其性能直接影響到氣化爐的安全運(yùn)行。

1.2 工作原理

三通閥由閥體和閥芯組成，一進(jìn)兩出，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1 所示，旁路出口用于在系統(tǒng)開啟和關(guān)閉時(shí)將煤粉通過(guò)循環(huán)管道送回常壓煤粉倉(cāng)。三通閥為角行程結(jié)構(gòu)，動(dòng)作迅速，對(duì)管道流量干擾小，可保證啟閉操作的穩(wěn)定性。

圖1 三通閥工作原理

2 功能簡(jiǎn)介

2.1 粉煤氣力輸送工段

粉煤氣力輸送工段流程如圖2 所示，粉煤給料罐中的粉煤由上游的常壓煤倉(cāng)注入煤鎖斗罐，經(jīng)煤鎖斗罐特殊工序處理后注入煤給料罐。粉煤在煤給料罐進(jìn)行高壓加壓后，借助氣體N2載運(yùn)密相粉煤通過(guò)三通閥主通路送入氣化爐。三通閥旁路出口用于在系統(tǒng)開啟和關(guān)閉時(shí)，使煤粉通過(guò)循環(huán)管道返回到常壓煤倉(cāng)，同時(shí)，旁路循環(huán)管道上設(shè)置了氮塞閥反吹系統(tǒng)[5]。此外，粉煤流量控制閥用于調(diào)節(jié)進(jìn)入氣化爐的粉煤流量，三通閥決定了煤粉是進(jìn)入氣化爐，還是返回低壓粉煤儲(chǔ)罐[6-8]。

圖2 粉煤氣力輸送工段（改進(jìn)前）

2.2 干煤粉氣化爐氮塞閥

干煤粉氣化爐工藝在三通閥進(jìn)常壓給料罐側(cè)加了氮塞閥，氮塞閥的壓力略高于三通閥輸送壓力，作用是防止三通閥在投煤過(guò)程中粉煤從三通閥循環(huán)口流走。但是在實(shí)際使用過(guò)程中，三通閥較其他干粉煤氣化工藝中同等規(guī)格型號(hào)的粉煤三通閥相比更容易出現(xiàn)磨損。解體某服役3 年、無(wú)法繼續(xù)使用的三通閥，發(fā)現(xiàn)閥體投煤管道進(jìn)出口處沖蝕磨損嚴(yán)重，閥芯雙平行流道進(jìn)出口處均出現(xiàn)不同程度的沖蝕磨損，其中主路流道進(jìn)出口處磨損更為嚴(yán)重（圖3）。

圖3 改進(jìn)前三通閥的磨損情況（使用3 年）

3 失效分析及改進(jìn)措施

3.1 失效分析

建立三通閥內(nèi)部流動(dòng)理論模型（圖4）。三通閥正常工作時(shí)介質(zhì)為高壓差氣固兩相流（N2/CO2+粉煤）介質(zhì)，操作溫度為80 ℃，氮塞閥反吹系統(tǒng)介質(zhì)為高壓氮?dú)猓瑝毫β愿哂谌ㄩy輸送壓力，閥體和閥芯精密間隙配合。三通閥長(zhǎng)期在嚴(yán)苛工況下工作后，密封圈不可避免會(huì)出現(xiàn)老化、磨損等現(xiàn)象，造成閥體與閥芯間發(fā)生泄漏。此時(shí)氮塞閥高壓反吹氮?dú)膺M(jìn)入三通閥的閥體與閥芯環(huán)形間隙，穿過(guò)密封圈進(jìn)入流道將粉煤吹向閥體與閥芯對(duì)接通道邊緣，造成通道口內(nèi)部流場(chǎng)急劇紊亂，高流速氣固兩相流微粒直接沖擊通道口，長(zhǎng)期作用下導(dǎo)致通道口沖刷磨損嚴(yán)重，降低了三通閥使用壽命。

圖4 三通閥流道進(jìn)出口磨損示意

3.2 改進(jìn)措施

本文針對(duì)三通閥失效問(wèn)題，對(duì)粉煤氣力輸送工段流程進(jìn)行了改進(jìn)，拆除了氮賽閥吹掃系統(tǒng)，改進(jìn)后的流程如圖5 所示。對(duì)改進(jìn)后的工藝系統(tǒng)進(jìn)行分析可知：正常工作時(shí)三通閥閥芯與閥體間密封圈起一級(jí)密封作用，三通閥回流常壓煤倉(cāng)管線上程控球閥起二級(jí)密封作用，兩級(jí)密封可嚴(yán)格保證粉煤氣固介質(zhì)回流常壓煤倉(cāng)的密封性能。即使一級(jí)密封失效，二級(jí)密封還可起補(bǔ)償密封作用。

圖5 粉煤氣力輸送工段（改進(jìn)后）

4 應(yīng)用效果

對(duì)粉煤氣化工藝進(jìn)行改進(jìn)，關(guān)停了氮塞閥吹掃氣，更換新的三通閥后投產(chǎn)運(yùn)行，閥門密封效果良好、動(dòng)作順暢、運(yùn)行平穩(wěn)正常。某次停車檢修期間，對(duì)使用3 年多的三通閥進(jìn)行解體，拆解下的閥體內(nèi)側(cè)通道出口處光亮平滑，閥芯雙平行流道出口處潔凈，無(wú)任何沖刷磨損的現(xiàn)象（圖6）。證明工藝流程改進(jìn)后大幅提高了三通閥的使用壽命。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)干煤粉氣化爐工藝中的粉煤三通閥閥內(nèi)件易沖刷磨損的問(wèn)題進(jìn)行分析，結(jié)合三通閥工作原理對(duì)工藝系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。工藝優(yōu)化后，三通閥運(yùn)行良好，有效避免了閥內(nèi)件的沖刷磨損問(wèn)題，保證了氣化爐的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)為工藝裝置中類似閥門缺陷問(wèn)題的分析和排除提供參考。