氮塞阀对粉煤三通阀加速损坏的影响分析

葛 涛，武志红

（国家能源集团宁夏煤业有限责任公司，宁夏银川 750000）

0 引言

壳牌煤气化工艺装置中使用的粉煤三通阀，通常被称为粉煤换向阀，它位于气化炉的燃烧器前面，用于在循环管道和进煤管道之间切换煤粉流量，同时将煤粉输送到气化炉的燃烧器中。粉煤三通阀的介质是氮气输送的煤粉，颗粒大小在0.05～0.10 mm，运行温度为80 ℃，最大允许关闭压力差高达5.8 MPa[1-2]。由于介质为高压差气载粉煤，流速较高，在高流速的气固双相流冲蚀下，阀体、阀芯极易损坏，因此三通阀必须具备高耐磨性、快速换向能力，以及较高的安全性和可靠性[3]。

1 结构特点及工作原理

1.1 结构特点

三通阀采用气开弹簧复位，换向时间小于5 s，阀体一进两出，阀体与旋塞精密配合，转子设平行双通道[4]。三通阀是粉煤气化装置的重要组成部分，用于控制煤粉在气化炉和煤粉循环系统之间的切换和分配，其性能直接影响到气化炉的安全运行。

1.2 工作原理

三通阀由阀体和阀芯组成，一进两出，内部结构如图1 所示，旁路出口用于在系统开启和关闭时将煤粉通过循环管道送回常压煤粉仓。三通阀为角行程结构，动作迅速，对管道流量干扰小，可保证启闭操作的稳定性。

图1 三通阀工作原理

2 功能简介

2.1 粉煤气力输送工段

粉煤气力输送工段流程如图2 所示，粉煤给料罐中的粉煤由上游的常压煤仓注入煤锁斗罐，经煤锁斗罐特殊工序处理后注入煤给料罐。粉煤在煤给料罐进行高压加压后，借助气体N2载运密相粉煤通过三通阀主通路送入气化炉。三通阀旁路出口用于在系统开启和关闭时，使煤粉通过循环管道返回到常压煤仓，同时，旁路循环管道上设置了氮塞阀反吹系统[5]。此外，粉煤流量控制阀用于调节进入气化炉的粉煤流量，三通阀决定了煤粉是进入气化炉，还是返回低压粉煤储罐[6-8]。

图2 粉煤气力输送工段（改进前）

2.2 干煤粉气化炉氮塞阀

干煤粉气化炉工艺在三通阀进常压给料罐侧加了氮塞阀，氮塞阀的压力略高于三通阀输送压力，作用是防止三通阀在投煤过程中粉煤从三通阀循环口流走。但是在实际使用过程中，三通阀较其他干粉煤气化工艺中同等规格型号的粉煤三通阀相比更容易出现磨损。解体某服役3 年、无法继续使用的三通阀，发现阀体投煤管道进出口处冲蚀磨损严重，阀芯双平行流道进出口处均出现不同程度的冲蚀磨损，其中主路流道进出口处磨损更为严重（图3）。

图3 改进前三通阀的磨损情况（使用3 年）

3 失效分析及改进措施

3.1 失效分析

建立三通阀内部流动理论模型（图4）。三通阀正常工作时介质为高压差气固两相流（N2/CO2+粉煤）介质，操作温度为80 ℃，氮塞阀反吹系统介质为高压氮气，压力略高于三通阀输送压力，阀体和阀芯精密间隙配合。三通阀长期在严苛工况下工作后，密封圈不可避免会出现老化、磨损等现象，造成阀体与阀芯间发生泄漏。此时氮塞阀高压反吹氮气进入三通阀的阀体与阀芯环形间隙，穿过密封圈进入流道将粉煤吹向阀体与阀芯对接通道边缘，造成通道口内部流场急剧紊乱，高流速气固两相流微粒直接冲击通道口，长期作用下导致通道口冲刷磨损严重，降低了三通阀使用寿命。

图4 三通阀流道进出口磨损示意

3.2 改进措施

本文针对三通阀失效问题，对粉煤气力输送工段流程进行了改进，拆除了氮赛阀吹扫系统，改进后的流程如图5 所示。对改进后的工艺系统进行分析可知：正常工作时三通阀阀芯与阀体间密封圈起一级密封作用，三通阀回流常压煤仓管线上程控球阀起二级密封作用，两级密封可严格保证粉煤气固介质回流常压煤仓的密封性能。即使一级密封失效，二级密封还可起补偿密封作用。

图5 粉煤气力输送工段（改进后）

4 应用效果

对粉煤气化工艺进行改进，关停了氮塞阀吹扫气，更换新的三通阀后投产运行，阀门密封效果良好、动作顺畅、运行平稳正常。某次停车检修期间，对使用3 年多的三通阀进行解体，拆解下的阀体内侧通道出口处光亮平滑，阀芯双平行流道出口处洁净，无任何冲刷磨损的现象（图6）。证明工艺流程改进后大幅提高了三通阀的使用寿命。

5 结束语

本文通过对干煤粉气化炉工艺中的粉煤三通阀阀内件易冲刷磨损的问题进行分析，结合三通阀工作原理对工艺系统进行优化改进。工艺优化后，三通阀运行良好，有效避免了阀内件的冲刷磨损问题，保证了气化炉的长期稳定运行，同时为工艺装置中类似阀门缺陷问题的分析和排除提供参考。