防异物卡涩及易维护型煤粉流量调节阀的设计

明友，王渭，陈凤官，耿圣陶，余宏兵

(合肥通用机械研究院有限公司，安徽 合肥 230031)

煤粉流量调节阀是干煤粉加压气化工艺中的关键设备。由于该阀门是用来调节进入气化炉的煤粉流量，要求精度较高，一旦出现波动就会对整个装置产生较大影响。另外，该阀门的介质为高压浓相气载煤粉，用普通的单座调节阀会出现堵塞现象，在使用过程中阀门也会因异物进入导致卡涩；高压气载煤粉对阀内件的冲刷磨损严重，需定期更换。因此，如何解决煤粉流量调节阀的堵塞、卡涩和易磨损问题已成煤化工企业亟需解决的问题。

1 阀门工艺特点

干煤粉气化工艺中的关键是控制气化炉中氧气的含量和煤粉的含量，即氧气和煤粉的比例控制。氧气流量的控制靠氧气调节阀、煤粉流量的控制依靠煤粉流量调节阀。因此煤粉流量调节阀和氧气调节阀是干煤粉气化工艺的两个生命线，一旦出现问题就会产生重大安全隐患。

煤粉流量调节阀位于煤粉输送工段，在高压氮气的作用下，将粉煤经过煤粉流量调节阀输送到气化炉中，整个输送过程中通过煤粉流量调节阀来控制煤粉的流量，用传感器来监测煤粉密度以及介质的输送速度（如图1）。

图1 煤粉流量调节阀工艺流程图

2 结构特点

阀门倒置安装，高压气载煤粉从进口短接进入，经过阀体内衬进入阀芯，通过单边开U型窗口的桶装阀芯进入与阀体成60°的斜出口排出。由气动驱动装置驱动阀杆带动阀芯在阀体内上下运动，阀芯在上下运动过程中靠改变阀芯上的U型节流通道口的面积来实现煤粉流量的调节。由于阀门为倒置安装，为了防止煤粉介质进入到阀盖中，在阀盖处设置有吹扫口，通入的吹扫气略高于介质压力，从而保证煤粉不会沉降到阀盖中而造成堵塞（图2）。

图2 煤粉流量调节阀结构原理图

图3 单侧开U型口的杯状阀芯

2.1 单侧开U型口的杯状可分离式阀芯结构

传统调节阀应用在密相气固两相流流量，会因为流道截面的突变引起煤粉沉降，造成阀门堵塞，导致设备无法长周期运行。

单边开U型口的的阀芯可很好地解决高压气载煤粉堵塞的问题。当干煤粉在高压氮气（或二氧化碳）的作用下进入阀芯的杯状阀芯后，在压差的作用下，高压气载煤粉从杯状阀芯的单侧U型口流出，排到阀门的下游，介质整个流动过程中不存在流道截面的突变，因此不会发生堵塞。单侧开U型口的杯状阀芯形状如图3。

实际工业应用过程中，该阀芯在用于流量调节时，由于该阀门经常会在小开度下工作，因此节流口最容易损坏，一旦损坏整个阀芯就必须更换，由于该阀芯由WC硬质合金材料制成，材料及加工成本较高，极大地增加了煤化工企业对该设备的维护成本。为了解决设备维护成本高的问题，将阀芯做成组合体，分为阀芯部件、节流通道部件两部分结构，阀芯的节流通道部位磨损后（如图4），只需局部更换节流通道部件就能恢复阀门的调节性能，可极大地节约设备维护成本。

图4 组合式阀芯

2.2 防异物卡涩结构

由于现场操作及工艺方面的种种原因，流经阀门的介质中常常带有铁丝、焊条、较硬的块状物等异物（如图5）。另外由于该调节阀倒置安装，因此异物很容易从阀体与阀芯之间的间隙进入阀盖处，并对波纹管造成破坏，缩短了煤粉流量调节阀的使用寿命，增加了设备的维护成本。

图5 异物进入阀体内部示意图

在阀体中腔衬套靠近出口下端用螺纹拧入一个垂直于阀芯移动方向的挡圈，该挡圈套设在圆柱形桶状阀芯外侧并与阀芯滑动配合，避免煤粉中的异物经由阀体与阀芯之间的间隙进入阀盖内而对波纹管阀杆造成破坏；挡圈在阻挡异物的同时还对阀芯的运动起着导向作用；挡圈板面设有齿形孔（如图6），阀盖上的吹扫孔导入的气流可以通过齿形孔均匀地进入阀体的下游，便于吹扫气流将波纹管阀杆处的煤粉以及挡圈上的杂物吹扫干净。

图6 防异物挡圈图

2.3 波纹管+填料双重密封

为了防止阀门外漏造成安全事故，特将该阀门的阀杆处密封设计成波纹管和填料双重密封，该双重密封更加安全可靠。波纹管为主密封，填料为辅助密封，当波纹管由于磨损或疲劳损坏后，填料可起到密封作用，为及时更换波纹管提供了时间上的保障。

2.4 防静电设计

因该阀门应用在煤粉输送工段，为了防止阀门在启闭过程中产生静电，需进行防静电设计。该阀门阀芯与阀杆连接并分别与阀体阀盖连接，各个零部件均为金属，现场安装时需接地，起到了防静电效果。

2.5 防火设计

该阀门为阀芯、阀座为WC金属陶瓷密封，耐高温；中法兰及其它连接部位均为石墨缠绕垫片；上密封为波纹管+石墨填料密封，属于防火设计。

3 使用效果

该结构阀门在国内干煤粉气化工艺的煤化工企业中大量应用，从应用效果可知，具有防异物卡涩结构的煤粉流量调节阀相较于同类的国外产品，每年减少非计划停车1～2次，为企业减少了大量因非计划停车而造成的损失；应用具有可分离式阀芯结构的煤粉流量调节阀相较于同类的国外产品，每个产品阀芯的维护费用减少2/3，为企业节约了大量的设备维护费用。

4 结语

（1）侧开口的杯状阀芯可有效防止阀门堵塞。

（2）挡圈结构可有效防止异物堵塞。

（3）可分离式阀芯更换方便，极大地减少了企业对该设备的维护成本。