1 概述
以煤气化为基础的能源和化工系统正成为世界上高效、清洁、经济发展和利用煤炭的热点技术和重要发展方向。干煤粉气化技术的关键在于干煤粉的加压进料。目前，一般采用煤粉间歇加压下连续进料的半连续加煤工艺。煤粉进料通过常压料斗与增压料斗之间的锁斗阀和平衡阀的周期隔离连接实现。由于锁斗阀技术要求高，位置关键，我国早期干煤粉加压气化装置采用进口锁斗阀。但进口阀价格昂贵，制造周期长，零部件供应不及时，故障会导致单炉停车，急需本地化。
2 工况特点
锁斗阀输送的介质是N2 煤粉或CO2 煤粉，阀门开关频繁，进料周期为阀门开关频率约30min一次。阀门需要双向密封，在正反向双向流动方向，最大压差，以达到FCI70-2V等级密封要求。阀门内部和流道的材料应考虑耐固体颗粒介质的冲击、腐蚀和磨损。从全开开始，阀门开关速度快→全关或全关→全开时间为3~8s，确保阀门运动到位。锁斗阀的公称直径一般≥NPS8，公称压力≥600磅。在高压介质的作用下，阀门密封面会形成较大的密封比压力。同时，阀门在高压下开闭，煤粉介质摩擦阻力大，容易造成阀门堵塞。因此，阀门的实际开启力矩远远大于同一压力下一般流体介质的力矩。
3 结构设计
锁斗阀一般由用全径金属硬密封固定球阀，由气动执行机构驱动(图1)。阀体采用全径两片式，材质为ASTMA216-WCB，内衬高强度双不锈钢S31803耐磨套。阀座为弹性金属密封双阀座，采用前阀座密封。两个阀座可独立切断进口介质，实现双阻断功能。弹性金属阀座采用弹簧加载预紧设计，可恢复和补偿长期开关阀门的常规磨损、阀体内的高温热膨胀和低温缩小，保证低压时密封的可靠性。为了隔离弹簧和煤粉，避免煤粉沉积，保证弹簧长期有效工作，设置了柔性石墨密封圈和O形圈双密封。
图1 锁斗阀
阀杆采用防尘、防喷射设计，结构设计确保阀杆仅承受阀门的开启和关闭扭矩，介质的推力由上下支撑轴承担，改善阀杆的力，确保阀杆能够长期可靠地工作。球体和阀座采用自刮结构，可自清洁球体表面，防止附着在球表面的煤粉嵌入密封面，确保阀门的密封和长期操作。增加吹风机构，防止煤粉在阀腔内聚集。避免阀门旋转时阻力增加和卡住。
球体和阀座的基材为双相不锈钢ASTMA182-F51.喷焊镍基合金用于密封面和流道，涂层表面硬度可达55~60HRC，使阀门具有更强的耐磨性、耐腐蚀性和耐挤压性。除了承受扭转强度和介质压力外，压盖和固定轴还被煤粉磨损。因此，在与滑动轴承的接触面喷涂硬合金，并配备大刚度、大扭矩的气动执行机构。
4 设计计算
为保证阀门的密封性能、启闭动作顺畅、使用寿命长，计算校核锁斗阀的密封比压、最大开启力矩和阀杆扭转强度。
(1)密封比压
密封结构为阀前阀座密封，双阀座双向密封。q为
式中 DJH——阀座与阀体配合套筒外径，mm
DMN——阀座密封面内径，mm
DMW——阀座密封面外径，mm
R——球体半径，mm
h——密封面投影宽度，mm
φ——密封面中线与通道轴向夹角，（°）
qMF——密封面必须比压，MPa
[q]——使用比压密封面，MPa
p——设计压力，MPa
qMF<q<[q]，为合格。
(2)最大开启力矩
锁斗阀处于关闭状态，承受最大工作压力，开启时扭矩最大。它的扭矩MF为
式中 MF——最大开启力矩，N•mm
MQG——球体与阀座密封面之间的摩擦力矩，N•mm
MQG1-阀座对球体预紧力产生的摩擦力矩，N•mm
MQG2-介质工作压力产生的摩擦力矩，N•mm
MFT——填料与阀杆间的摩擦力矩，N•mm
MZC——轴承产生的摩擦力矩，N•mm
qM——球体最小预紧比压，MPa
fM——球体与阀座密封面之间的摩擦因数
fZ——轴承摩擦因数
FT——阀杆与填料之间的摩擦，N
dF——阀杆与填料接触部分的直径，mm
ψ——系数
bT——填料宽度，mm
dQJ——轴承与支撑轴接触部分的直径，mm
(3)阀杆扭转强度
设计时，阀杆截面积的最小值应在阀杆顶部与气动执行机构的连接处，即直径d1进行校核。
式中 MM——阀门最大开启扭矩MF气动执行机构的2倍或最大输出扭矩，N•mm
[τN]——材料的许用扭应力，MPa
ωS——断面d1.抗转矩断面系数，mm3
5 结语
干煤粉气化装置气化装置中使用后，密封性能好，开关顺畅，经受了恶劣工况的考验，基本满足了使用要求。采用国产阀门不仅能有效保证装置的稳定运行，还能降低生产成本，提高生产效率。
参考文献
[1]陆培文.第二版实用阀门设计手册M2.北京：2007年机械工业出版社.
[2]徐世森、张东亮、任永强.大规模煤气化技术1M2.北京：2006年化工出版社.
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