三桿閥在煤化工空分裝置的應(yīng)用
一、前言
近年來，國內(nèi)煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，國家對煤化工裝置的規(guī)模也設(shè)立了準入門檻，裝置的規(guī)模越來越大。作為煤化工龍頭的煤汽化工藝對其重要的配套設(shè)備——空分裝置，無論是在系統(tǒng)性能和處理能力方面都提出更高要求。空分裝置主要提供量大、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(nèi)發(fā)生不完全氧化反應(yīng)，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安保氮塞、原料氮氣、惰性保護氣、氣力輸送氣和吹掃氣�，F(xiàn)代煤化工用空分裝置具有產(chǎn)氣規(guī)模大、氣體產(chǎn)品壓力等級高、氣體產(chǎn)品規(guī)格多及需連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)等特點。神華寧煤寧東煤化工基地已投產(chǎn)運行的25萬t/a甲醇裝置配套國產(chǎn)3×104m3/h壓力6.3MPa空分一套，60萬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t/a煤制烯烴裝置配套進口產(chǎn)9×104m3/h壓力5.3MPa空分兩套。其中，9×104m3/h規(guī)�？辗挚梢哉f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(guī)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吸附空氣中的雜質(zhì)。分子篩吸附、再生所組成的系統(tǒng)——分子篩純化系統(tǒng)在空分設(shè)備流程中起著保障整套設(shè)備安全運行的重要作用。分子篩純化系統(tǒng)一般由分子篩吸附器、再生加熱裝置以及閥門、管路和儀電控制系統(tǒng)等組成。吸附器內(nèi)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(tǒng)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(xù)吸附的能力，只有進行再生后才能使用。再生過程是吸附的逆過程——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污氮氣帶走，然后再繼續(xù)使用。再生分為預(yù)降壓、降壓、預(yù)加溫、加溫、吹冷、預(yù)升壓、升壓、預(yù)吸附切換和吸附切換九大步驟，由DCS控制系統(tǒng)程序自動控制。再生降壓過程即將吸附飽和的吸附器內(nèi)部壓力降到再生氣的壓力;加溫過程一般采用低壓高溫、干燥的污氮氣對吸附劑進行加溫解吸，其內(nèi)部吸附的雜質(zhì)被帶走;吹冷過程是用常溫、干燥的污氮氣對吸附劑進行吹冷，直到內(nèi)部吸附劑的溫度冷卻下來;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(nèi)，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降壓過急給床層帶來的劇烈振動和摩擦，切換閥由以前普遍選用的高性能蝶閥開始考慮更多地采用三桿閥，這種閥門在開啟時，閥門機構(gòu)限定了閥門兩側(cè)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，也避免進氣帶水的情況出現(xiàn)，具有更高的耐溫性、更高的密封性和更高的工藝安全性，閥門性能的提升也帶來價格的大幅度增加，適當(dāng)?shù)睾饬啃詢r比也是用戶需在項目前期要考慮的。閥門的口徑也擴大到現(xiàn)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，帶上下限位開關(guān)的PN1.0氣動程控三桿閥11臺：空氣進分子篩吸附器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(jié)構(gòu)與原理
三桿閥是三桿式蝶閥的簡稱，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(tǒng)、發(fā)電廠、鋼廠和空分裝置等。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(qū)動，而是利用連桿機構(gòu)的原理實現(xiàn)閥板的開啟和關(guān)閉的，是由一套連桿機構(gòu)帶動控制閥板動作，實物外形如圖4所示。
三桿式蝶閥在閥門開啟初始，閥板先是平移，在達到一定距離后開始翻轉(zhuǎn)，完成閥板由垂直位置到平行管道中心線位置的開啟動作。閥板密封面在關(guān)閉到位時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剪切擠壓和相對摩擦，合理的結(jié)構(gòu)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，在開關(guān)過程中不會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，密封效果好且長期穩(wěn)定，便于實現(xiàn)軟密封和硬密封。在開啟時，閥門機構(gòu)限定了閥門兩側(cè)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(tǒng)安全。
安裝注意事項：安裝前要保證閥內(nèi)特別是閥座要干凈，與閥體相連的區(qū)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，用戶應(yīng)按實際壓力方向?qū)㈤y門方向安裝正確;閥門上標注的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(yù)留并且平行;連接法蘭位置不正確會導(dǎo)致閥體附加應(yīng)力，影響使用;閥體可根據(jù)需要安裝在任何位置，如水平、豎直和傾斜，但傳動機構(gòu)的軸必須保持水平位置，水平或傾斜安裝時，傳動機構(gòu)要處于管道上方;閥體配套的電氣附件如電動執(zhí)行機構(gòu)、電磁閥、限位開關(guān)以及電氣定位器等，應(yīng)可靠接地后方能投用。
三、閥門的配管布置
分子篩純化系統(tǒng)中的重要閥門采用雙層布置，即分別設(shè)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(tǒng)的閥門多采用三桿閥，上部設(shè)置平臺，在平臺上設(shè)置空氣出口閥、污氮氣進口閥和分子篩均壓閥;下部設(shè)置空氣進口閥、污氮氣出口閥、空氣排放閥及起動時空氣進口旁通閥(為了避免沖床事故)等閥門。同時在閥門布置上將污氮氣進分子篩吸附器閥盡量靠近容器，冷吹閥盡量靠近污氮氣進分子篩吸附器閥，這也為保障空分設(shè)備的正常運行和節(jié)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(tǒng)閥門多，切換頻繁，在吸附和再生的過程中，變溫、變壓不斷循環(huán)，因此對閥門的可靠性、密封性要求很高。對稱布置管道、閥門是一個重要手段。通常將加溫管線與吹冷管線分兩路設(shè)置，并行段管線短較好，可避免加溫管線一側(cè)的設(shè)備和管道因經(jīng)受溫度交替變化而疲勞損壞;同時，加熱管線短，保溫性能良好，可使加溫快速起動。這對于短周期的分子篩純化系統(tǒng)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(shè)計值，氣流均布，系統(tǒng)管網(wǎng)壓力波動小。兩臺交替切換工作的分子篩吸附器，分別對應(yīng)的閥門、管道要對稱布置。每臺分子篩吸附器，有兩個空氣進口(污氮氣出口)，兩個空氣出口(污氮氣進口)通過總管匯總的方式，使進入分子篩吸附器內(nèi)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的穩(wěn)定性。在管路的設(shè)計上，管道還考慮了合理補償，排除了因應(yīng)力產(chǎn)生破壞危險的可能。
四、結(jié)語
隨著三桿閥越來越多地推廣和應(yīng)用，已引起了各方的重視。國內(nèi)已頒布了行業(yè)標準YB/T4157-2007《高溫連桿式切斷蝶閥》，為這類產(chǎn)品的設(shè)計、制造、使用以及招投標提供了依據(jù)，國標GB/T12238-2008《法蘭和對夾連接彈性密封蝶閥》對相關(guān)內(nèi)容也做了具體要求。在不斷采用新材料、新工藝和新結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，三桿閥將在煤化工等各行各業(yè)發(fā)揮其更大的作用。
