一、前言

　　近年來(lái)，國(guó)內(nèi)煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，國(guó)家對(duì)煤化工裝置的規(guī)模也設(shè)立了準(zhǔn)入門(mén)檻，裝置的規(guī)模越來(lái)越大。作為煤化工龍頭的煤汽化工藝對(duì)其重要的配套設(shè)備——空分裝置，無(wú)論是在系統(tǒng)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?dú)�。純�?9.6%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(jí)的氮?dú)鈩t作為緊急停車(chē)安保氮塞、原料氮?dú)狻⒍栊员Ｗo(hù)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(jí)高、氣體產(chǎn)品規(guī)格多及需連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)等特點(diǎn)。神華寧煤寧東煤化工基地已投產(chǎn)運(yùn)行的25萬(wàn)t/a甲醇裝置配套國(guó)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(guó)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(guī)模空分可以說(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(guī)模工業(yè)化成功運(yùn)行的5臺(tái)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(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(yùn)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(mén)、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?xì)浠�合物。分子篩純化系統(tǒng)一般采用兩臺(tái)吸附器切換使用，一臺(tái)吸附飽和后，另一臺(tái)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(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?xì)浠�合物通過(guò)污氮?dú)鈳ё�，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(dòng)控制。再生降壓過(guò)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(guò)程一般采用低壓高溫、干燥的污氮?dú)鈱?duì)吸附劑進(jìn)行加溫解吸，其內(nèi)部吸附的雜質(zhì)被帶走;吹冷過(guò)程是用常溫、干燥的污氮?dú)鈱?duì)吸附劑進(jìn)行吹冷，直到內(nèi)部吸附劑的溫度冷卻下來(lái);升壓是將另一臺(tái)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(tái)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(jī)構(gòu)限定了閥門(mén)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(jìn)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(mén)性能的提升也帶來(lái)價(jià)格的大幅度增加，適當(dāng)?shù)睾饬啃詢(xún)r(jià)比也是用戶(hù)需在項(xiàng)目前期要考慮的。閥門(mén)的口徑也擴(kuò)大到現(xiàn)在的1m甚至更大口徑，以單套國(guó)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(tái)：空氣進(jìn)分子篩吸附器DN1100口徑2臺(tái)、空氣出分子篩吸附器DN1100口徑2臺(tái)、再生氣進(jìn)分子篩吸附器DN900口徑2臺(tái)、再生氣出分子篩吸附器DN900口徑2臺(tái)、再生氣去加熱DN900口徑1臺(tái)、再生氣冷吹DN700口徑1臺(tái)、再生氣放空DN500口徑1臺(tái);采用PN1.0氣動(dòng)控制球閥DN150口徑3臺(tái)、DN50口徑2臺(tái)。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(jiǎn)稱(chēng)，是一種蝶式切斷閥，具有切斷閥的功能，國(guó)外已廣泛使用，主要用在熱力系統(tǒng)、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?dú)夂脱醯?以及含有固體顆粒料的不干凈氣體。

　　三桿閥蝶板運(yùn)行不是主軸直接驅(qū)動(dòng)，而是利用連桿機(jī)構(gòu)的原理實(shí)現(xiàn)閥板的開(kāi)啟和關(guān)閉的，是由一套連桿機(jī)構(gòu)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(dá)到一定距離后開(kāi)始翻轉(zhuǎn)，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(duì)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(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(zhǎng)期穩(wěn)定，便于實(shí)現(xiàn)軟密封和硬密封。在開(kāi)啟時(shí)，閥門(mén)機(jī)構(gòu)限定了閥門(mén)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(xiàng)：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(biāo)注的PRESSURE方向是壓力推閥板到閥座的方向，用戶(hù)應(yīng)按實(shí)際壓力方向?qū)㈤y門(mén)方向安裝正確;閥門(mén)上標(biāo)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(huì)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(dòng)機(jī)構(gòu)的軸必須保持水平位置，水平或傾斜安裝時(shí)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)要處于管道上方;閥體配套的電氣附件如電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電磁閥、限位開(kāi)關(guān)以及電氣定位器等，應(yīng)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(tǒng)中的重要閥門(mén)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(tái)，使得操作維修方便、安全。分子篩純化系統(tǒng)的閥門(mén)多采用三桿閥，上部設(shè)置平臺(tái)，在平臺(tái)上設(shè)置空氣出口閥、污氮?dú)膺M(jìn)口閥和分子篩均壓閥;下部設(shè)置空氣進(jìn)口閥、污氮?dú)獬隹陂y、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?dú)膺M(jìn)分子篩吸附器閥盡量靠近容器，冷吹閥盡量靠近污氮?dú)膺M(jìn)分子篩吸附器閥，這也為保障空分設(shè)備的正常運(yùn)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(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(tǒng)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(duì)閥門(mén)的可靠性、密封性要求很高。對(duì)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(shè)置，并行段管線(xiàn)短較好，可避免加溫管線(xiàn)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(shí)，加熱管線(xiàn)短，保溫性能良好，可使加溫快速起動(dòng)。這對(duì)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(dá)到設(shè)計(jì)值，氣流均布，系統(tǒng)管網(wǎng)壓力波動(dòng)小。兩臺(tái)交替切換工作的分子篩吸附器，分別對(duì)應(yīng)的閥門(mén)、管道要對(duì)稱(chēng)布置。每臺(tái)分子篩吸附器，有兩個(gè)空氣進(jìn)口(污氮?dú)獬隹?，兩個(gè)空氣出口(污氮?dú)膺M(jìn)口)通過(guò)總管匯總的方式，使進(jìn)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(shí)的穩(wěn)定性。在管路的設(shè)計(jì)上，管道還考慮了合理補(bǔ)償，排除了因應(yīng)力產(chǎn)生破壞危險(xiǎn)的可能。

四、結(jié)語(yǔ)

　　隨著三桿閥越來(lái)越多地推廣和應(yīng)用，已引起了各方的重視。國(guó)內(nèi)已頒布了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YB/T4157-2007《高溫連桿式切斷蝶閥》，為這類(lèi)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造、使用以及招投標(biāo)提供了依據(jù)，國(guó)標(biāo)GB/T12238-2008《法蘭和對(duì)夾連接彈性密封蝶閥》對(duì)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。