壳牌煤气化装置用脉冲反吹阀问题分析及改进①

王富强 陈凤官 王 渭 明 友 张建斌 郝伟沙 高红彪

(1.河南开祥化工有限公司；2.合肥通用机械研究院)

壳牌煤气化装置用脉冲反吹阀问题分析及改进①

王富强1陈凤官2王 渭2明 友2张建斌2郝伟沙2高红彪2

(1.河南开祥化工有限公司；2.合肥通用机械研究院)

介绍了干法除灰工艺中脉冲反吹阀的工艺条件，分析了阀门使用过程中常见问题的原因，给出有效改进措施并指出研究方向。

煤气化装置 脉冲反吹阀 飞灰过滤器 国产化

目前，我国以Shell气流床粉煤气化技术为代表的干煤粉加压气化技术，其综合效益高，优势明显，尤其煤的转化率高达99%以上[1]，在煤化工领域应用越来越广。Shell煤气化装置中飞灰过滤器的滤芯在线反吹清洁系统，在整个装置中扮演着重要的角色，这套反吹清洁系统由多组脉冲反吹阀(薄弱环节)组成，为飞灰过滤器提供高压大流量的脉冲气流，来清洁滤芯，防止过滤元件损坏进而导致整个工艺系统故障停车。该系统中陶瓷滤芯价格昂贵，且易损易裂[2]，所以确保系统的稳定运行非常关键。笔者通过对反冲系统的薄弱环节——脉冲反吹阀在使用过程中出现的常见问题进行分析，并提出相应的改进措施。从而使脉冲反吹阀能够稳定工作，且能够适应最佳清灰效率[3]，为过滤器长周期运行提供保障。

1 脉冲反吹工艺简介

气化炉产生的高温高压合成气，经冷却塔冷却至340℃，然后送至飞灰过滤器进行干法除灰，过滤之后再送至洗涤塔湿洗，进一步净化。干法除灰是高温含灰气体通过陶瓷滤芯过滤，将粉尘留附在滤芯外壁，而脉冲反吹阀是以脉冲气流的形式用高温高压氮气(约7.8MPa，225℃)，反吹滤芯，使它外壁附着的粉尘掉落到飞灰收集器中，来达到清洁滤芯的效果[4，5]。

反吹系统是飞灰过滤器的重要组成部分，若脉冲反吹阀出现问题，反吹就无法正常进行，滤芯则得不到有效清洁，灰尘持续附着在滤芯外壁，进而架桥会导致滤芯断裂，最终使整个工艺系统故障停车。

Shell气化工艺的飞灰过滤器根据工艺负荷的不同，设置了不同数量的过滤滤芯，一般为24组或15组，每组滤芯则对应着一台脉冲反吹阀。脉冲反吹阀的一个动作回合不大于0.25s，动作间隔则为165～720s不等，根据现场工艺特点而定。阀门入口压力约为7.8MPa，介质温度约为225℃，角式结构，快开特性[6，7]，阀门结构如图1所示。

图1 脉冲反吹阀外形结构

2 常见问题及分析

2.1 阀瓣松脱

脉冲反吹阀的内部结构如图2所示。阀瓣通过阀杆上的一个螺母和弹垫固定锁紧，在阀瓣长期拍打过程中，必然会出现松脱现象，文献[1]中已对此进行了详细的讨论与分析，不再赘述。

图2 脉冲反吹阀内部结构

2.2 气动执行器密封件失效

脉冲反吹阀的气动执行机构在线使用一段时间后，有串气现象出现。对气缸拆解后发现密封件已磨损。分析认为由于脉冲反吹阀的工况条件具有高频、快速的特点，密封件使用普通的丁腈橡胶不能很好地适应该工况。且气缸与活塞的配合间隙大，若安装过程中同心度没有得到保证，也会加速密封件的损坏。

2.3 导向套损坏

在脉冲反吹阀的阀杆头部，有一导向段与一塑料导向套间隙配合(图2)。在反吹过程中导向套失效频繁，尤其是在国产化过程中，有部分厂家提供配件的配合间隙值及材料的选择无法达到现场工况要求。

2.4 阀座密封垫失效

阀座密封垫的材料为PBI，是一种可以承受高温、高压的特种塑料，制作成本高，价格昂贵。由于承受冲击疲劳载荷并处于高温高压介质中，长期使用后，阀座密封失效，密封等级达不到技术规格要求的ANSI-V级。

通过对阀门进行拆解，发现阀座组件的阀座支撑环有变形，分析可能是因为该阀座支撑环为薄壁件，并且在高温、冲击工况下发生了变形，而阀座密封垫的密封失效与该阀座支撑环的变形有关联。

2.5 电磁阀故障

电磁阀失效则气缸无法进行正常的阀门启闭驱动。通过拆解发现：有生胶带缠在电磁阀阀芯上，导致电磁阀阀芯卡涩，无法进行正常切换动作；还发现有其他颗粒物堵塞电磁阀内部的情况。这主要是仪表气源不干净引起的，需要对气源进行净化处理。

2.6 波纹管疲劳失效

波纹管阀杆组件是脉冲反吹阀的重要部件，其性能的好坏是影响整阀有效寿命的重要因素。而脉冲反吹阀的工艺特点决定了波纹管阀杆组件，需要满足高温、高压及高疲劳寿命等特点。从现场情况来看，波纹管阀杆组件的失效主要是在长期使用后产生了疲劳裂纹，进而失效。而决定波纹管疲劳寿命的关键性因素，则主要体现在其材料性能及结构设计等方面。

3 改进措施及效果

针对上述脉冲反吹阀出现的常见问题，笔者分别给出了相应的改进措施：

a. 针对脉冲反吹阀阀瓣松脱问题，采取的解决措施是直接将阀瓣锁紧螺母点焊在阀杆上。该阀的原厂商则将阀杆螺纹处铣削出一个槽，在该阀阀瓣与锁紧螺母之间增加内齿防转垫片，内齿与阀杆配合，从而来保证阀瓣不松脱。上述两种方案均可行，但不是最佳，笔者推荐文献[6]提出的改进方案，其防松结构可靠，且不破坏阀杆结构、不降低阀杆强度。

b. 气动执行器活塞密封件应选取硬度更高、更耐磨的材料，推荐选取聚氨酯材料的密封圈，并配专用润滑油，建议将润滑油足量加在活塞的两道密封圈中间，保证最佳的润滑效果。若条件允许，建议在仪表气源管路上增设油雾器，可保证气缸内部的长期润滑。

c. 为彻底解决导向套寿命短，且配件成本高的问题，将导向套的材料由特殊工程塑料直接改为耐磨金属材料。并进行适当的热处理，保证导向套与阀杆导向部分形成最佳的摩擦副配比。根据金属材料导向套的使用情况来看，效果良好。

d. 重新设计了阀座支撑环，其刚度可满足阀座在高温高压工况下使用，变形率小，可有效支撑阀座。由于阀座的材料为特殊高端工程塑料，价格昂贵。对比了可满足使用工况的其他几种工程塑料。通过现场使用情况反馈，其中两种材料，即含特殊配方的聚醚醚酮和聚酰亚胺，可以作为阀座材料的替代材料。

e. 在仪表气源管路上的电磁阀入口前段，增设了过滤减压阀。现场测试脉冲反吹阀的动作时间，发现增设过滤减压阀，对动作时间影响很小。在增设了过滤减压阀之后，电磁阀再未出现卡涩等故障。

f. 波纹管阀杆组件的国产化有很大进步，合肥通用机械研究院供货的脉冲反吹阀用波纹管阀杆组件，在某化工公司的装置上使用已达两年时间，暂未出现失效情况。通过进一步降低材料硬度，增加波纹管层数，减薄单层厚度，并选用优质钢材，来优化提高波纹管性能。

针对脉冲反吹阀存在拆卸、装配困难等其他问题，合肥通用机械研究院生产的改进型脉冲反吹阀3”MCF-CL900，均做了相应的优化与改进，产品已通过实验室检测，正在进行后续的工业考核。

4 结束语

阀脉冲反吹阀的深度国产化尤为重要，降低阀门及其重要部件成本，提高产品性能，缩短产品的供货周期，这些都需要阀门科研生产单位付出努力。目前，脉冲反吹阀的国产化工作已初见成效。根据脉冲反吹阀的运行情况，还有两个问题需要进一步研究：一是脉冲反吹阀的振动冲击大，二是如何实现脉冲反吹阀的快速在线更换。这两个问题的完美解决，将更加有利于煤气化装置的长期稳定运行。

[1] 刘护林，李运. Shell气化炉煤粉给料仓参数的测量与控制策略[J]. 化工仪表及自动化，2013，39(6)：831～834.

[2] 夏兴祥. 高温除尘技术综述[J]. 化工机械，2000，27(1)：47～52.

[3] 胡鹏睿，向文国，沈来宏. 清灰效率对炷状陶瓷过滤器的影响[J]. 化工机械，2004，31(2)：74～77.

[4] 李亚东，王可运. 壳牌粉煤气化装置高温高压飞灰过滤器的使用与维护[J]. 化肥设计，2010，48(4)：37～38，42.

[5] 李准，杨勇，上官国青，等. Shell煤气化装置飞灰过滤器滤芯损坏原因及维护措施[J]. 化工管理，2015，(2)：110，112.

[6] 陈凤官，王富强，王渭，等. 脉冲反吹阀阀瓣的防松分析及改进[J]. 中国设备工程，2016，(1)：57～59.

[7] 王渭，明友. 壳牌粉煤气化装置用阀结构类型与特性的分析[J]. 阀门，2010，(6)：22～24.

2016-05-23，

2016-11-11)

(Continued from Page 92)

Having CFD method applied to investigate the fluid motion within double-helix pressurizer sprayer and to analyze the structure effect of big and small mixing chambers and the helical angle of the flow pass on sprayer’s flow coefficient to show that, of the mixing chamber structure, the factor which influencing flow coefficient much is the outlet diameter of the chamber; the small mixing chamber’s larger outlet diameter can incur a bigger flow coefficient and the larger outlet diameter of the big mixing chamber brings about a smaller flow coefficient; and the outlet diameter of big mixing chamber influences the flow coefficient obviously and bigger helical angle in the external and inner spiral pass can bring about greater flow coefficient.

pressurizer,large-scale double-helix sprayer, resistance characteristics, flow coefficient, CFD

合肥通用机械研究院青年科技基金项目(2013010659)。

王富强(1979-)，工程师，从事阀门新产品开发。

联系人陈凤官(1986-)，工程师，从事化工仪表技术及管理工作，cfg0551@foxmail.com。

TQ545

B

0254-6094(2017)01-0111-03