干煤粉氣化裝置中鎖斗閥的設計
1、概述
以煤氣化為基礎的能源及化工系統正在成為世界范圍內高效、清潔、經(jīng)濟地開(kāi)發(fā)和利用煤炭的熱點(diǎn)技術(shù)和重要發(fā)展方向。干煤粉氣化的技術(shù)關(guān)鍵在于干煤粉的加壓進(jìn)料，現在一般采用的是煤粉間斷升壓和加壓下連續進(jìn)料的半連續式加煤工藝。煤粉的進(jìn)料通過(guò)常壓料斗和增壓料斗之間的鎖斗閥及平衡閥周期性的隔離和連通實(shí)現。由于鎖斗閥技術(shù)要求高，位置關(guān)鍵，我國早期干煤粉加壓氣化裝置均采用進(jìn)口鎖斗閥。但是，進(jìn)口閥門(mén)價(jià)格昂貴，制造周期長(cháng)，零配件供應不及時(shí)，發(fā)生故障會(huì )造成單爐停車(chē)，這種閥門(mén)急需國產(chǎn)化。
2、工況特點(diǎn)
鎖斗閥輸送的介質(zhì)為N2+煤粉或CO2+煤粉，該閥開(kāi)關(guān)頻繁，進(jìn)料周期即閥門(mén)開(kāi)關(guān)頻率約30min一次。閥門(mén)要求雙向密封，在正向和反向的雙向流動(dòng)方向，最大壓差時(shí)，要達到FCI70-2V級密封要求。閥門(mén)內件和流道的材料應考慮耐固體顆粒介質(zhì)的沖擊、腐蝕和磨蝕。閥門(mén)啟閉速度快，從“全開(kāi)→全關(guān)”或“全關(guān)→全開(kāi)”的時(shí)間為3~8s，應確保閥門(mén)動(dòng)作到位。鎖斗閥的公稱(chēng)通徑一般≥NPS8，公稱(chēng)壓力≥600磅級。在高壓介質(zhì)的作用下，對閥門(mén)密封面會(huì )形成較大的密封比壓。同時(shí)，閥門(mén)在高壓下啟閉，煤粉介質(zhì)的摩擦阻力較大，容易造成閥門(mén)卡阻，因此閥門(mén)實(shí)際開(kāi)啟力矩要遠遠大于一般流體介質(zhì)在相同壓力下的力矩。
3、結構設計
鎖斗閥一般采用的是全通徑金屬硬密封固定式球閥，氣動(dòng)執行機構驅動(dòng)(圖1)。閥體采用全通徑兩片式，材質(zhì)為ASTMA216-WCB，內襯高強度雙相不銹鋼S31803耐磨套。閥座為彈性金屬密封雙閥座，采用閥前閥座密封，兩個(gè)閥座均能獨立切斷進(jìn)口端介質(zhì)，實(shí)現雙阻斷功能。彈性金屬閥座為彈簧加載預緊式設計，可以恢復和補償長(cháng)期開(kāi)關(guān)閥門(mén)的常規磨損、閥體內部的高溫熱力膨脹及低溫縮小，壓力低時(shí)保證密封的可靠性。為使彈簧與煤粉隔離，避免煤粉的沉積使彈簧卡塞失效，確保彈簧長(cháng)期有效地工作，設置了柔性石墨密封圈與O形圈雙重密封方式。
圖1 鎖斗閥
閥桿采用防塵、防噴出設計，并且結構設計確保閥桿只承受閥門(mén)啟閉力矩，介質(zhì)的推力由上、下支撐軸承擔，使閥桿的受力情況得到改善，保證閥桿能夠長(cháng)期可靠地工作。球體及閥座采用自刮削式結構，可對球體表面實(shí)現自清潔，防止附著(zhù)在球面上的煤粉嵌入密封面，保證了閥門(mén)的密封性及長(cháng)久操作性。采取加吹掃機構的辦法防止煤粉在閥門(mén)中腔聚集。避免了閥門(mén)轉動(dòng)時(shí)阻力增大及卡住。
球體和閥座的基材為雙相不銹鋼ASTMA182-F51。密封面和流道采用噴焊鎳基合金的方式，覆層表面硬度可達到55~60HRC，使閥門(mén)耐磨性、抗沖蝕和抗擠壓能力更強。壓蓋、固定軸除了承受扭轉強度及介質(zhì)壓力外，還受到煤粉的磨蝕，因此在與滑動(dòng)軸承的接觸面噴焊硬質(zhì)合金，并配用大剛度大力矩的氣動(dòng)執行機構。
4、設計計算
為了保證閥門(mén)的密封性能、啟閉動(dòng)作順暢和長(cháng)壽命使用，對鎖斗閥的密封比壓、最大開(kāi)啟力矩和閥桿扭轉強度進(jìn)行計算和校核。
(1)密封比壓
密封結構為閥前閥座密封，雙閥座雙向密封。密封比壓q為
式中 DJH——閥座與閥體配合套筒外徑，mm
DMN——閥座密封面內徑，mm
DMW——閥座密封面外徑，mm
R——球體半徑，mm
h——密封面投影寬度，mm
φ——密封面中線(xiàn)與通道軸法向夾角，(°)
qMF——密封面必須比壓，MPa
[q]——密封面許用比壓，MPa
p——設計壓力，MPa
qMF<q<[q]，為合格。
(2)最大開(kāi)啟力矩
鎖斗閥處于關(guān)閉狀態(tài)承受最大工作壓力，開(kāi)啟瞬間扭矩最大。其扭矩MF為
式中 MF——最大開(kāi)啟力矩，N•mm
MQG——球體與閥座密封面間的摩擦力矩，N•mm
MQG1——閥座對球體的預緊力產(chǎn)生的摩擦力矩，N•mm
MQG2——介質(zhì)的工作壓力產(chǎn)生的摩擦力矩，N•mm
MFT——填料與閥桿間的摩擦力矩，N•mm
MZC——軸承產(chǎn)生的摩擦力矩，N•mm
qM——球體最小預緊比壓，MPa
fM——球體與閥座密封面間的摩擦因數
fZ——軸承摩擦因數
FT——閥桿與填料摩擦力，N
dF——閥桿與填料接觸部分直徑，mm
ψ——系數
bT——填料寬度，mm
dQJ——軸承與支撐軸接觸部分直徑，mm
(3)閥桿扭轉強度
設計時(shí)閥桿截面積最小值應在閥桿頂部與氣動(dòng)執行機構連接處，即對該處直徑d1進(jìn)行校核。
式中 MM——閥門(mén)最大開(kāi)啟扭矩MF的2倍或氣動(dòng)執行機構的最大輸出扭矩，N•mm
[τN]——材料的許用扭應力，MPa
ωS——斷面d1的抗轉矩斷面系數，mm3
5、結語(yǔ)
鎖斗閥在干煤粉氣化裝置中使用后，密封性能良好，啟閉順暢，經(jīng)受住了苛刻工況條件的考驗，基本滿(mǎn)足了使用要求。采用國產(chǎn)閥門(mén)，既可以有效地保障裝置的穩定運行，又可以降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。
參考文獻
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[2]許世森，張東亮，任永強.大規模煤氣化技術(shù)1M2.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.
