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、經濟地開發和利用煤炭的熱點技術和重要發展方向。干煤粉氣化的技術關鍵在于干煤粉的加壓進料，現在一般采用的是煤粉間斷升壓和加壓下連續進料的半連續式加煤工藝。煤粉的進料通過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現。由于鎖斗閥技術要求高，位置關鍵，我國早期干煤粉加壓氣化裝置均采用進口鎖斗閥。但是，進口閥門價格昂貴，制造周期長，零配件供應不及時，發生故障會造成單爐停車，這種閥門急需國產化。
2、工況特點
鎖斗閥輸送的介質為N2+煤粉或CO2+煤粉，該閥開關頻繁，進料周期即閥門開關頻率約30min一次。閥門要求雙向密封，在正向和反向的雙向流動方向，最大壓差時，要達到FCI70-2V級密封要求。閥門內件和流道的材料應考慮耐固體顆粒介質的沖擊、腐蝕和磨蝕。閥門啟閉速度快，從“全開→全關”或“全關→全開”的時間為3~8s，應確保閥門動作到位。鎖斗閥的公稱通徑一般≥NPS8，公稱壓力≥600磅級。在高壓介質的作用下，對閥門密封面會形成較大的密封比壓。同時，閥門在高壓下啟閉，煤粉介質的摩擦阻力較大，容易造成閥門卡阻，因此閥門實際開啟力矩要遠遠大于一般流體介質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，氣動執行機構驅動(圖1)。閥體采用全通徑兩片式，材質為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，兩個閥座均能獨立切斷進口端介質，實現雙阻斷功能。彈性金屬閥座為彈簧加載預緊式設計，可以恢復和補償長期開關閥門的常規磨損、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啟閉力矩，介質的推力由上、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，可對球體表面實現自清潔，防止附著在球面上的煤粉嵌入密封面，保證了閥門的密封性及長久操作性。采取加吹掃機構的辦法防止煤粉在閥門中腔聚集。避免了閥門轉動時阻力增大及卡住。
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壓力外，還受到煤粉的磨蝕，因此在與滑動軸承的接觸面噴焊硬質合金，并配用大剛度大力矩的氣動執行機構。
4、設計計算
為了保證閥門的密封性能、啟閉動作順暢和長壽命使用，對鎖斗閥的密封比壓、最大開啟力矩和閥桿扭轉強度進行計算和校核。
(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)最大開啟力矩
鎖斗閥處于關閉狀態承受最大工作壓力，開啟瞬間扭矩最大。其扭矩MF為
式中 MF——最大開啟力矩，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生的摩擦力矩，N•mm
MQG2——介質的工作壓力產生的摩擦力矩，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
設計時閥桿截面積最小值應在閥桿頂部與氣動執行機構連接處，即對該處直徑d1進行校核。
式中 MM——閥門最大開啟扭矩MF的2倍或氣動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
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，經受住了苛刻工況條件的考驗，基本滿足了使用要求。采用國產閥門，既可以有效地保障裝置的穩定運行，又可以降低生產成本，提高生產效率。
參考文獻
[1]陸培文.實用閥門設計手冊第2版1M2.北京：機械工業出版社，2007.
[2]許世森，張東亮，任永強.大規模煤氣化技術1M2.北京：化學工業出版社，2006.
