三桿閥在煤化工空分裝置的應用
一、前言
近年來(lái)，國內煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，國家對煤化工裝置的規模也設立了準入門(mén)檻，裝置的規模越來(lái)越大。作為煤化工龍頭的煤汽化工藝對其重要的配套設備——空分裝置，無(wú)論是在系統性能和處理能力方面都提出更高要求�？辗盅b置主要提供量大、高壓、高純度的氧氣和氮氣。純度99.6%的氧主要是作為煤汽化裝置的汽化劑與煤、水在高溫、高壓的汽化爐(如圖1所示)內發(fā)生不完全氧化反應，生成的合成氣(CO+H2)是生產(chǎn)醇、醚、烯烴、煤制油、煤制天然氣、氫及氨等的原料，或用于IGCC;純度99.99%的不同壓力等級的氮氣則作為緊急停車(chē)安保氮塞、原料氮氣、惰性保護氣、氣力輸送氣和吹掃氣�，F代煤化工用空分裝置具有產(chǎn)氣規模大、氣體產(chǎn)品壓力等級高、氣體產(chǎn)品規格多及需連續穩定生產(chǎn)等特點(diǎn)。神華寧煤寧東煤化工基地已投產(chǎn)運行的25萬(wàn)t/a甲醇裝置配套國產(chǎn)3×104m3/h壓力6.3MPa空分一套，60萬(wàn)t/a甲醇裝置配套國產(chǎn)4.5×104m3/h壓力6.0MPa空分兩套，50萬(wàn)t/a煤制烯烴裝置配套進(jìn)口產(chǎn)9×104m3/h壓力5.3MPa空分兩套。其中，9×104m3/h規�？辗挚梢哉f(shuō)是目前用于煤化工制氧能力最大的空分，如圖2所示。
圖1 世界首套大規模工業(yè)化成功運行的5臺GSP干粉汽化爐
圖2 目前世界最大的用于煤化工的空分
大中型空分裝置中的空氣純化普遍采用分子篩等吸附劑來(lái)吸附空氣中的雜質(zhì)。分子篩吸附、再生所組成的系統——分子篩純化系統在空分設備流程中起著(zhù)保障整套設備安全運行的重要作用。分子篩純化系統一般由分子篩吸附器、再生加熱裝置以及閥門(mén)、管路和儀電控制系統等組成。吸附器內裝鋁膠和13×分子篩，鋁膠的作用是吸附空氣中的水分，分子篩的作用是吸附空氣中的二氧化碳和一些碳氫化合物。分子篩純化系統一般采用兩臺吸附器切換使用，一臺吸附飽和后，另一臺再生好的吸附器投入使用。
吸附飽和后的吸附劑就失去了繼續吸附的能力，只有進(jìn)行再生后才能使用。再生過(guò)程是吸附的逆過(guò)程——解吸，即把所吸附的水分、二氧化碳和乙炔等碳氫化合物通過(guò)污氮氣帶走，然后再繼續使用。再生分為預降壓、降壓、預加溫、加溫、吹冷、預升壓、升壓、預吸附切換和吸附切換九大步驟，由DCS控制系統程序自動(dòng)控制。再生降壓過(guò)程即將吸附飽和的吸附器內部壓力降到再生氣的壓力;加溫過(guò)程一般采用低壓高溫、干燥的污氮氣對吸附劑進(jìn)行加溫解吸，其內部吸附的雜質(zhì)被帶走;吹冷過(guò)程是用常溫、干燥的污氮氣對吸附劑進(jìn)行吹冷，直到內部吸附劑的溫度冷卻下來(lái);升壓是將另一臺正在工作的吸附器中的空氣置換入再生好的吸附器內，用以升高壓力，升壓后該臺吸附器即可投入使用。
為避免干燥塔頻繁切換時(shí)降壓過(guò)急給床層帶來(lái)的劇烈振動(dòng)和摩擦，切換閥由以前普遍選用的高性能蝶閥開(kāi)始考慮更多地采用三桿閥，這種閥門(mén)在開(kāi)啟時(shí)，閥門(mén)機構限定了閥門(mén)兩側的最大壓差，從而避免分子篩床層受到高壓差氣流的意外沖擊，也避免進(jìn)氣帶水的情況出現，具有更高的耐溫性、更高的密封性和更高的工藝安全性，閥門(mén)性能的提升也帶來(lái)價(jià)格的大幅度增加，適當地衡量性?xún)r(jià)比也是用戶(hù)需在項目前期要考慮的。閥門(mén)的口徑也擴大到現在的1m甚至更大口徑，以單套國產(chǎn)4.5×104m3/h空分裝置的純化裝置為例，采用氣源壓力0.4～0.5MPa，帶上下限位開(kāi)關(guān)的PN1.0氣動(dòng)程控三桿閥11臺：空氣進(jìn)分子篩吸附器DN1100口徑2臺、空氣出分子篩吸附器DN1100口徑2臺、再生氣進(jìn)分子篩吸附器DN900口徑2臺、再生氣出分子篩吸附器DN900口徑2臺、再生氣去加熱DN900口徑1臺、再生氣冷吹DN700口徑1臺、再生氣放空DN500口徑1臺;采用PN1.0氣動(dòng)控制球閥DN150口徑3臺、DN50口徑2臺。三桿閥如圖3所示。
二、三桿閥的結構與原理
三桿閥是三桿式蝶閥的簡(jiǎn)稱(chēng)，是一種蝶式切斷閥，具有切斷閥的功能，國外已廣泛使用，主要用在熱力系統、發(fā)電廠(chǎng)、鋼廠(chǎng)和空分裝置等。適用介質(zhì)為干凈的氣體介質(zhì)(如空氣、氮氣和氧等)以及含有固體顆粒料的不干凈氣體。
三桿閥蝶板運行不是主軸直接驅動(dòng)，而是利用連桿機構的原理實(shí)現閥板的開(kāi)啟和關(guān)閉的，是由一套連桿機構帶動(dòng)控制閥板動(dòng)作，實(shí)物外形如圖4所示。
三桿式蝶閥在閥門(mén)開(kāi)啟初始，閥板先是平移，在達到一定距離后開(kāi)始翻轉，完成閥板由垂直位置到平行管道中心線(xiàn)位置的開(kāi)啟動(dòng)作。閥板密封面在關(guān)閉到位時(shí)與閥體的密封面平行接觸直至壓緊密封，由于閥板和閥座密封面之間無(wú)剪切擠壓和相對摩擦，合理的結構使受力作用于閥板中央，密封面受力均勻。閥座密封位于垂直面上，在開(kāi)關(guān)過(guò)程中不會(huì )因管道殘留的固體顆粒造成閥座密封面損傷，即有自清潔功能，密封效果好且長(cháng)期穩定，便于實(shí)現軟密封和硬密封。在開(kāi)啟時(shí)，閥門(mén)機構限定了閥門(mén)兩側的最大壓差，從而避免分子篩床層受到高壓差氣流的意外沖擊，確保系統安全。
安裝注意事項：安裝前要保證閥內特別是閥座要干凈，與閥體相連的區域如法蘭、管道也要干凈;作為單向閥，閥體標注的PRESSURE方向是壓力推閥板到閥座的方向，用戶(hù)應按實(shí)際壓力方向將閥門(mén)方向安裝正確;閥門(mén)上標注的FLOW流向不一定與PRESSURE方向一致;特別注意管道上連接法蘭的間距要正確預留并且平行;連接法蘭位置不正確會(huì )導致閥體附加應力，影響使用;閥體可根據需要安裝在任何位置，如水平、豎直和傾斜，但傳動(dòng)機構的軸必須保持水平位置，水平或傾斜安裝時(shí)，傳動(dòng)機構要處于管道上方;閥體配套的電氣附件如電動(dòng)執行機構、電磁閥、限位開(kāi)關(guān)以及電氣定位器等，應可靠接地后方能投用。
三、閥門(mén)的配管布置
分子篩純化系統中的重要閥門(mén)采用雙層布置，即分別設置在吸附器下部地面和吸附器上部平臺，使得操作維修方便、安全。分子篩純化系統的閥門(mén)多采用三桿閥，上部設置平臺，在平臺上設置空氣出口閥、污氮氣進(jìn)口閥和分子篩均壓閥;下部設置空氣進(jìn)口閥、污氮氣出口閥、空氣排放閥及起動(dòng)時(shí)空氣進(jìn)口旁通閥(為了避免沖床事故)等閥門(mén)。同時(shí)在閥門(mén)布置上將污氮氣進(jìn)分子篩吸附器閥盡量靠近容器，冷吹閥盡量靠近污氮氣進(jìn)分子篩吸附器閥，這也為保障空分設備的正常運行和節能起到了一定的作用。采用兩層布置，總體布置緊湊，充分利用空間;既滿(mǎn)足工藝流程要求，又讓操作、維修更加方便、安全。
分子篩純化系統閥門(mén)多，切換頻繁，在吸附和再生的過(guò)程中，變溫、變壓不斷循環(huán)，因此對閥門(mén)的可靠性、密封性要求很高。對稱(chēng)布置管道、閥門(mén)是一個(gè)重要手段。通常將加溫管線(xiàn)與吹冷管線(xiàn)分兩路設置，并行段管線(xiàn)短較好，可避免加溫管線(xiàn)一側的設備和管道因經(jīng)受溫度交替變化而疲勞損壞;同時(shí)，加熱管線(xiàn)短，保溫性能良好，可使加溫快速起動(dòng)。這對于短周期的分子篩純化系統特別重要。好的布置方式可以保證管路阻力一致并使其達到設計值，氣流均布，系統管網(wǎng)壓力波動(dòng)小。兩臺交替切換工作的分子篩吸附器，分別對應的閥門(mén)、管道要對稱(chēng)布置。每臺分子篩吸附器，有兩個(gè)空氣進(jìn)口(污氮氣出口)，兩個(gè)空氣出口(污氮氣進(jìn)口)通過(guò)總管匯總的方式，使進(jìn)入分子篩吸附器內部的空氣氣流均勻與分子篩床層接觸，這就保證了最佳的吸附、再生效果，增加了容器在工作時(shí)的穩定性。在管路的設計上，管道還考慮了合理補償，排除了因應力產(chǎn)生破壞危險的可能。
四、結語(yǔ)
隨著(zhù)三桿閥越來(lái)越多地推廣和應用，已引起了各方的重視。國內已頒布了行業(yè)標準YB/T4157-2007《高溫連桿式切斷蝶閥》，為這類(lèi)產(chǎn)品的設計、制造、使用以及招投標提供了依據，國標GB/T12238-2008《法蘭和對夾連接彈性密封蝶閥》對相關(guān)內容也做了具體要求。在不斷采用新材料、新工藝和新結構的基礎上，三桿閥將在煤化工等各行各業(yè)發(fā)揮其更大的作用。
