論盤閥在殼牌合成氣化裝置的應用與研究

O季彬彬（河南龍宇煤化工有限公司 河南 476600）

論盤閥在殼牌合成氣化裝置的應用與研究

O季彬彬
（河南龍宇煤化工有限公司 河南 476600）

主要介紹了盤閥在SHELL氣化爐年產50萬噸甲醇項目粉煤加壓輸送單元中的應用，針對粉合成氣化粉煤輸送單元閥門經常出現內漏和卡澀的現象,分析了閥門發生故障的原因和機理,提出盤閥的結構形式并加以應用。通過這種新型結構的盤閥的試用,有效地降低了故障發生的頻次,保證了合成氣化裝置粉煤加壓輸送單元的長周期穩定運行。結合我公司的應用效果分析了在應用過程中的問題及解決方法，展望了盤閥在化工裝置中的后續推廣價值。

殼牌合成氣化；加壓輸送；硬密封球閥；盤閥

河南龍宇煤化工一期年產50萬噸甲醇項目，采用國際最先進的SHELL粉煤加壓合成氣化技術進行甲醇生產的化工裝置，二期年產40萬噸醋酸項目，采用國內最新的五環爐作為合成氣化裝置。在12單元中，12XV0133/0123/0131/0132、12XV0233/0223/0231/0232這八個下料閥關系到這個裝置的正常運行，殼牌公司原設計閥門為指定ARGUS閥門，口徑為DN300，硬密封球閥，但是V1201、V1204、V1205內充裝的都是煤粉，頻繁的開關閥門導致閥球磨損嚴重、閥軸扭曲變形，以致閥門無法打開或徹底卡死。鑒于公司設備能安穩長周期運行，公司領導在眾多的閥門廠家中層層篩選，最終決定將盤閥作為12單元V1204的下料閥，通過工況分析及盤閥試運行效果和其它閥門進行對比，為其它幾個下料閥的更換帶來真材實料的證據。以下作詳細介紹。

1.殼牌合成氣化裝置概況

(1)殼牌合成氣化裝置簡介

殼牌合成氣化裝置是通過煤粉加壓輸送單元，將粉煤由氮氣或二氧化碳作為惰性載氣，加壓后送入氣化爐。粉煤儲罐的加料、加壓、放料由粉煤鎖斗閥完成；進入氣化爐的粉煤流量由煤角閥控制；粉煤在進氣化爐或循環回至低壓粉煤儲罐之間的切換由煤三通閥控制。

(2)殼牌煤氣化裝置的技術簡介

①工藝原理

殼牌煤氣化裝置的所有反應是在高溫、加壓條件下進行的，加壓煤粉、高溫高壓氧氣、少量蒸汽匯集在在一起，通過煤燒嘴并流噴入氣化爐內，瞬間完成溫升、裂解、燃燒及其他相關的一系列物理和化學過程。由于氣化爐內在反應過程中的溫度約1500℃，在有氧氣存在的條件下的反應釜內，其部分反應產物（如H2和CO等）以燃燒反應為主，所謂的氣化反應都是在氧氣消耗殆盡之后進行的，也就是碳的各種轉化反應。最終生成的合成氣含有多種組分，但其主要成分是CO和H2。典型的SCGP合成氣成分見表1。

表1 典型的SCGP燃氣成分

②工藝流程

殼牌煤氣化工藝流程其實大同小異，無論是它的示范裝置還是其它的大型工業化裝置，都是采用廢鍋流程和激冷流程的殼牌煤氣化工藝。殼牌煤氣化裝置的工藝流程示意圖見圖1。

圖1 殼牌煤氣化工藝流程

原料煤及石灰石分別經碎煤倉和石灰石儲倉由各自的稱重給料機，按設定好的比例輸送至磨煤機。在磨煤機內將按設定比例混合石灰石的原料煤磨成煤粉（90%＜100μm）并干燥，煤粉經袋式過濾器將大顆粒粉煤再次過濾至磨煤機內，顆粒合格的煤粉被送至常壓煤粉倉，再經加壓煤粉倉送至高壓給料倉，由高壓N2或CO2作為流化氣和載氣，將煤粉流化并加壓后輸送至煤燒嘴。與此同時，高壓O2預熱至120℃與少量的中壓過熱蒸汽混合后并入煤燒嘴。這時候，煤粉、氧氣及蒸汽幾乎同時噴流進入氣化爐內，緊接著的各種轉化反應將會在氣化爐的高溫加壓條件下進行。經除塵冷卻后的合成氣經循環氣壓縮機將氣化爐頂部約1500℃的合成氣瞬時激冷至900℃左右，被冷卻的合成氣將進入合成氣冷卻器。在冷卻器內的水冷壁將熱量回收后，約350℃的合成氣再進入干法除灰單元出去大顆粒粉塵，最后經過濕洗單元出去細微顆粒粉塵。最后送至后續工序的較為潔凈的合成氣中含塵量＜1mg／m3。

2.盤閥的結構原理及特性

(1)盤閥簡介

盤閥是通過滑動圓盤來實現開關的一種快開快關型閥門。盤閥的設計方向主要是針對具有較強的磨損或沖蝕特性并帶有顆粒的流體，因此它能在較為惡劣的工況下長期正常運行，這主要歸功于其獨特的自研磨設計。在這種惡劣工況下不但不會造成密封面的泄露，而且可以不斷提高密封性能，所以其檢修維護周期是其他普通的閥門的數倍。

(2)盤閥工作原理

閥門驅動裝置是通過與其連接的閥桿與搖臂推動閥盤產生位移，從而實現閥門的開關；在盤閥開關過程中，閥座密封面對閥盤在切線方向上的摩擦力之差，使閥盤在一個開關過程中產生自轉并可以不斷刮削與清掃可能堆積在閥腔內的介質；閥盤的密封性能則是借助彈簧與閥座緊密貼合，但是這種彈力又允許閥盤與其密封面之間存在少許位移。這種設計能夠實現對閥門各部件之間由熱脹冷縮而引起的形變，或者因頻繁開關或者長周期使用后產生的密封面的微量磨損進行補償，同時克服了因背壓變化對密封性能的影響，而且能防止流體顆粒進入密封面之間導致的泄露現象。

(3)盤閥的結構

①閥座

垂直流線方向的寬大閥座，流線方向上磨損和沖蝕不會影響密封。

②閥盤

旋轉剪切圓盤自轉、自研磨及增強閥座的自清潔能力，剪碎通過閥門的固體介質。

③彈簧

補償溫度壓力變化引起的盤根應力變化，使應力保持均勻，延長盤根的壽命。

④盤根

多種V型PTFE或石墨換和高碳盤根。

⑤多種軸套

防噴設計，同時提供了一個穩定密閉的盤根空間。

⑥閥盤補償彈簧和彈簧柱

補償閥盤和閥座的磨損，并抵抗背壓，阻止物料進入密封面。

⑦吹掃孔

合理優化的吹掃設計，可以吹掃堆積的物料。

(4)盤閥性能特點

①自清洗密封面設計

閥座密封面采用開放式結構，閥瓣在每次動作過程會攪動和清除介質，避免了其他形式耐磨閥經常出現的內部物料的堆積；變化的流通管道空間，使流動的物料產生渦流，產生了自清潔作用，避免了物料在閥體內部的堆積所造成的腐蝕和破壞，保持閥門良好的密封。

②零泄漏

獨特的自清潔密封面和自研磨設計保證了閥門良好關斷效果，泄漏率遠遠低于行業標準的要求。

③自研磨設計

在閥門啟閉過程中，閥瓣和密封面始終是平面接觸，物料在二者之間起到研磨劑作用，隨時修復受損密封面，保持閥門良好的密封效果。

④耐高溫、耐腐蝕設計

盤閥瓣與閥盤是金屬對金屬硬密封，密封面采用整體堆焊鎳基、鈷基硬質合金，硬度高，耐腐蝕，抗氧化、耐高溫、適用于高溫下耐腐、耐磨場合，適用溫度范圍廣。

⑤直行程和角行程設計

可按照用戶的要求采用不同的行程方式，滿足不同的工藝要求。

3.盤閥作為鎖斗閥的現場應用及其優越性

(1)盤閥解決煤鎖斗閥故障的方案

結合我公司煤加壓輸送單元的工藝特點，在煤鎖斗工況下采用盤閥，并要求其著重采取了以下措施。

①針對煤粉介質的特性和其工況的操作特點，在閥門密封面的材料選擇上，選擇了相應的硬質合金材料。

②針對閥門本身的結構上也采取了獨特的設計和改動。

A．針對閥腔內容易造成物料堆積的現象，我們在其腔體上增加了吹掃孔，并配備吹掃閥門，這樣可以對閥腔進行吹掃，排出腔體內堆積的物料；B．高性能彈簧將閥盤緊密的壓迫在密封閥座上，對于磨損具有很好的補償；C．為了減少閥桿密封填料的磨損，增加閥門的使用壽命，閥軸采用無螺紋設計，而且閥軸只有轉動，無上下平動；D．為了保證盤閥密封面的潔凈，閥盤在設計時將其邊緣設計的非常鋒利，這樣就相當于為閥盤加裝了刮刀，因此閥盤不僅能有效的切割密封面上殘留物料，而且閥盤具有切向平動和軸向轉動的雙作用。

(2)盤閥作為鎖斗閥的優越性

作為鎖斗閥，密封面的材料特殊、閥體的結構合理和密封形式超前這三個方面盤閥優越性的主要體現。

盤閥的閥盤采用了硬質合金材料作為密封面，不但解決了密封面硬質合金的粘結問題；同時，由于其材料的特殊性，對于煤粉基本上不粘結，而且對于煤粉的沖刷和磨損有著更為明顯的效果。

盤閥對閥腔內壁的沖刷比球閥弱得多，主要因為其密封面的方向不存在散射，而是垂直于流體方向。

盤閥設計了“壓力自泄放”功能，主要是為了避免閥腔內產生憋壓導致背壓過大，無法打開閥門。也就是當閥腔內的壓力升高時，壓力會自然泄放，這是盤閥用于鎖斗閥最獨特的優勢。這樣可以保證閥門在需要打開的時候，壓差永遠不會升高，從根本上杜絕了憋壓的可能性。

(3)盤閥的現場應用及效果

雙閥工作示意圖（Bivalve Working Diagram）

在殼牌粉合成氣化工藝中，氣化裝置煤粉輸送單元是有12KS0002順控邏輯，來控制現場閥門動作，所有的操作次序都是通過外部的開關程序完成的。煤粉從煤粉鎖斗V1204A/B進入到粉煤給料倉V1205A/B，靠自身重力，當鎖斗煤粉達到一個低料位后就要重新添加煤粉。整個過程是由粉煤倉底部的兩個閥門完成的，閥門的正常開關直接影響著煤粉輸送單元的正常運行。12單元原設計閥門為殼牌制定ARGUS閥門，口徑為DN300，硬密封球閥。在下料時，由于V1204A/B和V1205A/B壓差不同，造成閥門前后壓差大，導致閥門無法打開，甚至出現卡死的現象。停車檢查發現閥球磨損嚴重、閥軸扭曲變形，直接造成閥門無法動作。在正常運行時若閥門內漏也會造成兩閥之間壓差不平衡，增大了閥門的輸出扭矩，造成氣缸撥叉斷裂，縮短了閥門的使用壽命，給設備長周期安穩運行控制帶來巨大的影響。ARGUS閥門其固有的結構上的問題又使得其在線免維護運行時間很短，經常性的停車維修降低了整個裝置的經濟效益，而且大大增加了維護成本和現場的工作量。

就近兩年開車情況，據統計因12單元下料閥開關故障，多次造成停車降負荷現象，造成的直接經濟損失竟達上千萬元，給公司的減虧增效帶來了阻力。

我公司氣化12單元下料閥共有8臺，在生產運行中不僅增加了龐大的備件資金和檢修負擔，更給公司帶來了經濟損失。綜合考慮現場管道內的介質及盤閥的特點，盤閥相比其他球閥更具優越性。經過兩年的現場使用情況的觀察，盤閥運行情況良好，期間從未出現閥門卡死、閥盤磨損現象。在停車期間，我們對盤閥閥腔、閥盤、氣缸檢查，未發現損壞部件。經過現場實踐應用，盤閥在煤化工應用上具有不錯的使用效。唯一的不足就是體積龐大，現場拆裝工程量較大。

(4)盤閥與其它閥門的比較

工程中遇到的問題常規閥門的特點 盤閥的特點 實現的功能密封面磨損較快，閥門內漏超標密封面與介質在同一點接觸，僅僅在剛使用后保證嚴密的密封閥盤旋轉開關，自研磨設計，隨時修復受損密封面，HRA高達86.5的硬密封壽命范圍內，閥盤和閥座越研磨，配合越好，密封效果越好，閥門使用后能保證長效的密封過多的壓降，使流量減小縮頸的流道通道 全通道流動對于流通介質無節流，較其他閥門，可以適當選擇小口徑的閥門物料堆積，或雜物進入密封面之間閥座無自清掃能力或預壓力不足閥盤采用刮刀設計，以及閥座的平面設計，預壓力大閥盤可將密封面上的可能存在的堆積物料刮削干凈外漏閥桿擠傷或刮傷O型環及盤根閥軸采用無螺紋設計以及雙重軸套，而且閥軸只有轉動，無上下平動，并且擁有彈簧承載的盤根盤根承受均勻的壓力，抵消了閥桿側向力對盤根的破壞，有效地抵消壓力、溫度的變化，減少了維護保養時間，提高操作效率物料的流動造成閥座及閥芯的沖蝕流道的改變或閥芯的凸起會導致閥門開關過程中急劇地改變了物料流動的方向盤閥不存在大角度的散射，其密封面垂直于流體方向，開關過程中不會急劇改變物料流動的方向大大減少了物料的沖擊力，從而減少了沖蝕熱鎖材料熱膨脹率不同，導致公差配合不匹配有補償間隙的彈簧加載，閥軸的無螺紋結構和光滑的表面，對振動和熱應力進行補償

4.盤閥的應用前景展望

從我公司的使用情況及盤閥的巧妙設計上來看，盤閥無論是從密封面的材料選擇，還是從閥體的結構和密封形式上看，盤閥都具有先進的設計理念。不難看出，盤閥作為粉煤鎖斗閥具有極強的可靠性和獨特的優越性。

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[4]王渭,明友.殼牌粉合成氣化裝置中特種閥的選型和應用.2009.

Application and Research of Poppet Valve on the Synthesis of Shell into Gasification Equipment

Ji Binbin
（Henan Longyu Coal Chemical co ., LTD, Henan, 476600）

This paper mainly introduces the disc valve in SHELL gasifi er with an annual output of 500000tons of methanol project pressurized pulverized coal conveying unit used for powder coal gasifi cation, coal powder conveying unit valve inner leakage and frequent jam phenomenon, analysis of valve failure cause and mechanism, put forward disc valve structure and application. By adopting the structure of the disc valve, effectively reduce the failure occurrence frequency, guarantees the coal gasifi cation coal powder conveying unit long period operation. The combination of my company's application effect analysis in the application process problems and solutions, prospects the disc valve in subsequent promotion value in chemical plant.

Shell coal gasifi cation；pressurized conveyor；seal valve；plate valve

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季彬彬（1984～），男，河南龍宇煤化工有限公司，研究方向：化工儀表及其自動化。