气动强制密封锥形旋塞式粉煤给料换向阀的制作方法

本发明涉及阀门技术领域，具体涉及一种应用于干煤粉气化工艺的粉煤输送管线上的，用于实现气载粉煤介质流在投煤管线与循环管线之间切换的气动强制密封锥形旋塞式粉煤给料换向阀。

背景技术：

粉煤加压气化，是将难以加工处理的固体原料煤转化为洁净的、易于应用的合成气也即co2+h2的过程，同样也是将颗粒直径不大于100微米的干煤粉与二氧化碳或氮气一同进入气化炉完成粉煤气化的过程。现有的大部分干粉煤气化工艺中，均是采用干粉煤加压输送系统将干粉煤与二氧化碳或是氮气加压输送至气化炉，其中不可避免涉及到粉煤给料换向阀的使用。粉煤给料换向阀安装在气化系统的粉煤输送管线上，主要用于气载粉煤介质流在投煤管线与循环管线之间快速切换。现有粉煤给料换向阀多为平行双通道粉煤给料换向阀，由于阀内平行双通道是两个压力悬殊的压力界面，为防止平行双通道之间短路引起气化炉过烧等事故，一般采用阀体与圆柱旋塞精密配合的结构，并辅以旋塞与阀体间的密封来保证其密封效果。上述结构对气化炉具有固有安全性，然而长期运行条件下其密封效果却始终难以满足理想要求。能否研发一种新型的粉煤给料换向阀，从而可在兼具快速换向功能和高换向可靠性的同时，还能同步确保长期运行条件下的阀路的高密封性能，进而极大提高系统的安全完整性等级，为本领域近年来所亟待解决的技术难题。

技术实现要素：

本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种结构合理而实用的粉煤给料换向阀，本换向阀可在兼具快速换向功能和高换向可靠性的同时，同步确保长期运行条件下的阀路高密封性能，从而极大提高系统的安全完整性等级。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种气动强制密封锥形旋塞式粉煤给料换向阀，其特征在于：本换向阀包括轴线铅垂设置的阀体，阀体的上表面轴向凹设有孔径渐小的锥台状的阀腔，阀盖盖覆于阀体上表面处以使得所述阀腔构成密封腔构造；本换向阀还包括同轴布置于阀腔内的与阀腔形状适配的锥台状的旋塞；旋塞的锥面处径向贯穿设置阀孔，阀体处径向贯穿设置有一组进料孔及两组出料方向不同的出料孔，以通过旋塞的转动动作而实现两组出料孔的择一出料目的；当旋塞锥面与阀腔锥面呈面贴合的密封配合时，旋塞上台面与阀盖下表面间存有供旋塞产生上抬动作的预留间隙；旋塞的上台面同轴凸设上阀杆而下台面处同轴凸设下阀杆，下阀杆的底端面与阀体处的预留孔内的压缩弹簧间形成轴向抵压配合；沿上阀杆轴向而在阀盖上表面处由下而上依序设置用于下压旋塞的气动组件、支架及用于控制旋塞产生转动动作的气动执行器；所述气动组件包括与上阀杆同轴设置的密封环体，所述密封环体的内环面、支架的下表面及阀盖上表面共同围合形成供压环放置的压腔；可与上阀杆同步产生轴向升降动作的压环的外环面与密封环体内环面之间，以及压环的内环面与上阀杆的杆身之间均形成密封配合；本换向阀还包括用于连通压环上环面与支架下表面之间间隙和/或压环下环面与阀盖上表面之间间隙的充放气通道。

优选的，所述阀孔为两组且沿旋塞的对称面而面对称设置；两组阀孔分别为第一阀孔和第二阀孔，出料孔包括连通循环管线的第一出料孔和连通投煤管线的第二出料孔；当旋塞处于初始状态时，气载粉煤介质流经由进料孔及第一阀孔而输出至第一出料孔；当气动执行器控制旋塞转动且旋塞锥面重新压紧阀腔锥面后，气载粉煤介质流经由进料孔及第二阀孔而输出至第二出料孔。

优选的，阀盖处同轴贯穿设置安装孔，以供上阀杆伸出阀腔；上阀杆外形呈上段直径细而下段直径粗的二段式阶梯轴状，上阀杆的轴肩突出阀盖上表面，且压环的下环面由上而下的止口配合于上阀杆的轴肩处。

优选的，所述预留孔轴向的贯穿阀体，在预留孔的底部孔端处螺纹固接用于封闭预留孔以保证阀腔密封性的压盖；压盖顶面与下阀杆的底端面之间夹设所述压缩弹簧。

优选的，上阀杆杆身与安装孔之间、上阀杆杆身与压环之间、上阀杆杆身与支架的配合孔之间以及下阀杆杆身与预留孔孔壁之间均设置有起密封功能的橡胶密封圈。

优选的，所述旋塞的上台面处凹设有供止推减磨垫安置的环槽；止推减磨垫装入环槽后，止推减磨垫上表面突出旋塞上台面。

优选的，所述旋塞的上台面的边缘及下台面的边缘处均布置有一圈起到防尘功能的唇形密封圈。

优选的，支架与阀盖的相邻面之间同轴的相向凸设有凸台，密封环体的内环面分别与两处凸台间构成密封配合，以形成所述供压环放置的压腔。

优选的，所述旋塞锥面上环绕阀孔孔端面一圈而设置有密封槽，密封槽内装有弹性密封圈，且弹性密封圈凸出旋塞锥面设置；与进料孔配合的阀孔孔端面处弹性密封圈为圆形圈状结构，而与阀体的相应出料孔配合的阀孔孔端面处弹性密封圈为孔型长度方向沿旋塞周向延伸的腰型孔状。

本发明的有益效果在于：

1)、实际操作时，申请人发现，最安全的结构是两个平行流道之间无间隙的结构，采用与阀体完全贴合的锥形旋塞压紧阀体可以隔离两个平行流道，但是压紧的锥塞和阀体之间摩擦力大，气动快速换向难度大的问题却也会随之发生。有鉴于此，本发明通过将阀腔改良为锥形腔体结构，搭配对应锥台结构的旋塞，从而依靠气动组件在充放气时的工作可靠性来保证对旋塞的施压目的，并以旋塞相对阀腔的锥面抵靠式密封配合来进一步的确保结构工作的高可靠性。本发明的结构尤其适于干煤粉气化工艺中，在保证换向时间及换向可靠性的前提下，可长期满足换向阀的密封性能要求。

更具体而言，其一，本发明在换向动作过程中，由于阀门可由密封环体配合压环的气动组件来控制旋塞动作，进而可实现旋塞相对阀体的快速接触密封及脱开，其摩擦阻力较极小，可保证换向动作的快速可靠性。其二，当本发明始终需保持某一状态时，也即长期位于某一状态时，上述密封环体配合压环的气动组件又能确保旋塞锥面与阀腔锥面始终会紧密接触配合，以保证阀体密封状态的稳定可靠，适应于长期运行。其三，本发明整体结构简单紧凑，加工装配难度小，便于现场拆装维护，与现有技术相比，其仅需增加相应气动组件并搭配压缩弹簧，并依靠轴向装配方式即可进行快速精确装拆，可大幅度提高系统的安全完整性等级，市场前景广阔。

2)、作为上述方案的进一步优选方案，旋塞处阀孔与阀体处进料孔及出料孔配合形成阀孔偏心式的三通组合阀结构。实际工作时，由于第一阀孔和第二阀孔偏离旋塞的轴心，这使得在工作状态下气载粉煤介质流经由第一阀孔通行或第二阀孔通行时，在气载粉煤介质流的冲击和所述气动组件的由上而下的作用力的共同作用下，旋塞锥面会被紧紧的压在阀体阀腔的锥面上，从而从很大程度上能进一步提升旋塞与阀腔之间锥面配合的密封可靠性。通过上述结构，本发明的密封等级可得到进一步提高，甚至可达到零泄漏，并可彻底消除本发明卡死和开启不灵活的问题。

3)、实际上，前述有“压环可与上阀杆同步产生轴向升降动作”的要求。而在实际操作时，压环可通过后期焊固甚至前期直接一体成型于上阀杆处，从而实现两者的同升同降功能。本发明优选采用套接结构，也即压环首先套设于上阀杆的小轴径段上，并依靠与上阀杆的轴肩之间的止口配合来保证对上阀杆下行动作的施压目的。而当上阀杆在压缩弹簧作用下上行时，上阀杆处轴肩又可以反向推动压环上行，其工作可靠而稳定。

4)、进一步的，实际上，在阀体配合阀盖共同形成阀壳的同时，阀体的上下端，也即阀体底面及阀盖上均相应的贯穿供阀杆穿过的孔洞。预留孔应当贯穿阀体，以便装配压缩弹簧，并依靠压盖来保证密封性。安装孔则应当布置在阀盖上，以实现上阀杆的穿设功能。

5)、至于橡胶密封圈，其所起到的功能的多重密封效果，以确保阀腔空间的对外密封性。唇形密封圈起到防尘目的，以避免介质沿阀孔或相应进料孔及出料孔泄漏至本发明其他部件处。对于止推减磨垫，其功能是在压缩弹簧顶动旋塞上行时，实现脱开行程限位作用，并确保旋塞始终与阀盖间存在一定的轴向间距，从而避免旋塞直接撞击阀盖的状况发生，最终得以确保整体结构的工作可靠性。

6)、就气动组件而言，其是以密封环体分别配合支架与阀盖处凸台来形成密封空间，并在该空间内布置类似气动隔膜的压环，从而通过充放气来实现压环的轴向往复位移功能。当压环下行时即可压迫上阀杆处轴肩，从而驱使旋塞产生下行密封动作。当压环上行时即可卸除上阀杆处压力，旋塞即可在压缩弹簧作用下产生复位动作，此时旋塞脱开阀体阀腔，可由气动执行器驱动旋塞产生转动动作。本发明构造简洁紧凑而可靠性强，响应度极高。

7)、旋塞处还应当设置压力连通孔，从而连通旋塞的上台面处空间与旋塞的下台面处空间。尤其是当旋塞锥面紧紧压合于阀体的阀腔锥面时，此时旋塞的上台面空间与旋塞的下台面空间彼此自成独立腔体，容易因气密性等原因而阻碍旋塞产生后续的轴向动作，此时压力连通孔就能有效的保证旋塞动作的灵敏性和可靠性。

8)、旋塞锥面上设置弹性密封圈，可以增强阀孔处的密封效果，从而多一道密封保证。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2为图1的i部分局部放大图；

图3为气载粉煤介质流经由进料孔及第一阀孔而输出至第一出料孔时，旋塞相对阀体的动作状态图；

图4为气载粉煤介质流经由进料孔及第二阀孔而输出至第二出料孔时，旋塞相对阀体的动作状态图；

图5-6为旋塞处阀孔两孔端的弹性密封圈的位置示意图。

本发明各标号与部件名称的实际对应关系如下：

10-阀体10a-进料孔10b-第一出料孔10c-第二出料孔

20-阀盖

30-旋塞30a-第一阀孔30b-第二阀孔

31-上阀杆31a-轴肩32-下阀杆

40-压缩弹簧50-支架60-气动执行器

71-密封环体72-压环

80-压盖90-橡胶密封圈100-止推减磨垫110-唇形密封圈

120-弹性密封圈

具体实施方式

为便于理解，此处对本发明的具体结构及工作方式作以下进一步描述：

本发明的具体实施结构可参照图1-2所示，其包括沿铅垂线而由下至上依序设置的压盖80、压缩弹簧40、阀体10、旋塞30、阀盖20、压环72、密封环体71、支架50及气动执行器60。

气动执行器60市场可购置，其是用气压力驱动启闭或调节阀门的执行装置，又被称气动执行机构或气动装置，不过一般通俗的称之为气动头。在本发明中的功能即为驱动旋塞30按照既定方向产生一定角度的回转动作，以实现阀路的启闭功能。实际操作时需注意，由于气动执行器60的腔室容积远远大于压腔的容积，所以气体的进气及排放时间要略长，此时旋塞30的旋转动作应当确保在旋塞30锥面与阀体10锥面脱开之后进行，以保证整体结构工作的可靠性。

整个阀壳则由阀体10搭配阀盖20形成。阀体10外形呈如图1-2所示的上粗下细的锥台状，且在阀体10的上表面也即上台面处铅垂凹设有上粗下细的锥台状的阀腔，以便于容纳适应外形的旋塞30。当旋塞30放入阀腔内且旋塞30锥面抵紧于阀腔锥面时，此时旋塞30的上台面与阀盖20下表面之间应当存在供旋塞30上行以使得旋塞30锥面能脱离阀腔锥面的预留间隙。旋塞30处阀孔与阀体10处进料孔10a及出料孔配合形成阀孔偏心式的三通组合阀结构。实际工作时，如图3-4所示的，由于第一阀孔30a和第二阀孔30b偏离旋塞30的轴心，这使得在工作状态下气载粉煤介质流经由第一阀孔30a通行或第二阀孔30b通行时，在气载粉煤介质流的冲击和压环72与密封环体71所形成的气动组件的由上而下的作用力的共同作用下，旋塞30锥面会被紧紧的压在阀体10阀腔的锥面上，从而有效的确保旋塞30与阀腔之间锥面配合的密封可靠性。在旋塞30与阀体10脱开时，压环72上端面在压腔中的余隙行程≤1mm；在旋塞30与阀体10压紧时，压环72下端面在压腔中的余隙行程≤1mm；这主要是考虑到行程较小时，压腔的空间较小，这样的话，压腔的充/放气时间较短，而且由于行程h值较小，其动作时间也极短，可以保证在接受到换向指令时，轴向动作完毕后，旋转动作才开始；旋转动作完毕后，轴向动作也迅速完毕，整个过程响应度极高。

图5-6中展示了弹性密封圈120在阀孔两孔端处的不同形态。实际上，与阀体10的进料孔10a配合的弹性密封圈120为图5所示的正常同心圈体结构，而与阀体10的相应出料孔配合的弹性密封圈120则为图6所示的腰型圈构造。之所以采用上述特殊结构，是考虑到当其中一组阀孔配合进料孔10a时，另一组阀孔即使不工作也完全能够满足密封需求；而配合出料孔则不尽然，需要考虑到密封问题。举例而言，当如图3所示，第一阀孔30a处于工作状态时，此时如图5所示的第二阀孔30b的孔端面无需配合进料孔10a，自身直接抵靠阀座处阀腔的锥形面从而自成密封；而第一阀孔30a同时又配合的第一出料孔10b。在上述配合中，第一阀孔30b的出口处于闲置状态，本身与第二出料孔10c间错开，此时，需考虑配合密封问题，也即不仅第一阀孔30b的出口需要相对阀体10阀腔密封，同时第二出料孔10c同样需要保证相对阀体10阀腔密封。有鉴于此，在图6所示的阀孔出口处的弹性密封圈120需要布置成孔型长度方向为沿旋塞30周向延伸的腰型孔状，以保证即使其中阀孔及其中一个出料孔处于闲置状态时，也能依靠腰型孔状的弹性密封圈120，从而实现相对阀体10阀腔区域的同步密封效果。

实际操作时，充放气通道或者直接连通压环72上环面与支架50下表面之间间隙，此时当连通充放气通道的气源通气时，在正压下会推动压环72下行从而使得旋塞30锥面紧紧压紧阀腔锥面，且在充放气通道放气时依靠压缩弹簧40推动旋塞30锥面脱离阀腔锥面。充放气通道或者直接连通压环72下环面与阀盖20上表面之间间隙，此时当连通充放气通道抽气时，在负压下会推动压环72下行从而使得旋塞30锥面紧紧压紧阀腔锥面，且在充放气通道充气时依靠压缩弹簧40推动旋塞30锥面脱离阀腔锥面。又或者充放气通道同时连通上述两组间隙，此时依靠对充放气通道的自由控制，目的同样是实现旋塞30的压紧及脱开操作，此处就不再赘述。充放气通道可以直接开设在密封环体71上，也可以相应开设的阀盖20甚至是支架50上，只需能实现其气体导通功能即可。

在阀体10与旋塞30之间形成锥形的面抵靠配合的同时，上阀杆31杆身与安装孔之间、上阀杆31杆身与压环72之间、上阀杆31杆身与支架50的配合孔之间以及下阀杆杆身与预留孔孔壁之间均设置有起密封功能的橡胶密封圈90。此外，如图1所示的，旋塞30的上外缘及下外缘处还设置有防尘用的唇形密封圈110，而旋塞30的上台面处还设置有用于容纳止推减磨垫100的环槽，以通过止推减磨垫100来限制旋塞30的上行动作。下阀杆与压盖80之间则如图1所示的配合有压缩弹簧40，以配合气动组件来共同驱动旋塞30产生对应动作。

为进一步理解本发明，此处结合图1-4，以气源直接连通压环72上环面与支架50下表面之间间隙为例，对本发明的具体工作步骤作以下描述：

s0、将本发明正确安装于粉煤输送管线的相应位置上。之后，接通气源、接通电源，本发明处于如图1-3所示的循环管线接通状态，此时气载粉煤介质流经由进料孔10a及第一阀孔30a而输出至第一出料孔10b；密封环体71配合支架50及阀盖20所形成的压腔中的压环72在气源压力的作用下，推动上阀杆31处轴肩31a下行，进而使得旋塞30的锥面与阀体10阀腔的锥面紧密接触配合形成密封副。图3中的箭头所指方向即为此状态下的气载粉煤介质流的行进方向。

s1、中控室按工艺要求，对本发明发出换向指令，则控制压腔进排气的电磁阀断开，压腔中气压迅速泄放，旋塞30在压缩弹簧40的作用下与阀体10脱开。由于旋塞30上设置有如图2所示的止推减磨垫100，旋塞30沿轴向脱开至止推减磨垫100与阀盖20下表面接触为止，而脱开时，旋塞30锥形表面处的弹性密封圈的突出高度约等于旋塞30锥面与阀体10阀腔锥面间的法向间隙值，略小于粉煤颗粒的平均直径。同时，控制气动执行器60的电磁阀也断开，气动执行器60中气体压力泄放并驱动旋塞30转动，本发明开始动作至投煤管线接通状态。

s2、待本发明动作达到投煤管线接通状态时，限位开关得到信号，则控制压腔进排气的电磁阀接通，压腔中气压迅速升压从而驱动压环72下行，旋塞30在压环72的下压力作用下，推动旋塞30的锥面与阀体10的锥面紧密接触配合形成密封副。此时如图4所示，气载粉煤介质流经由进料孔10a及第二阀孔30b而输出至第二出料孔10c。图4中的箭头所指方向即为此状态下的气载粉煤介质流的行进方向。

s3、当本发明又需回复至如图3所示的循环管线接通状态时：同理，中控室按工艺要求，对本发明发出换向指令，控制压腔进排气的电磁阀断开，压腔中气压迅速泄放，压环72失去下压力，此时旋塞30在压缩弹簧40的作用下与阀体10脱开。由于旋塞30上设置有止推减磨垫100，旋塞30沿轴向脱开至止推减磨垫100与阀盖20接触为止。同时，控制气动执行器60的电磁阀也断开，待气动执行器60中气源压力泄放后，本发明开始动作至循环管线接通状态。之后，限位开关得到信号，则控制压腔进排气的电磁阀接通，压腔中气压迅速升压，旋塞30在压环72的推力作用下，推动旋塞30的锥面与阀体10的锥面紧密接触配合形成密封副。

以上述步骤循环动作，即可实现本发明的两组状态的快速循环切换功能。

当然，上述实施例中表述的气动，也可使用液动驱动。同时，在保证与安装管线法兰相互连接位置不变的情况下，本发明也可以倒置设计，即气动/液动在下方，弹性组件在上方。阀体10的阀腔也可以设计增加耐磨/减磨衬套，如陶瓷内衬等，以提供阀体10阀腔的耐磨、减磨特性，可进一步提高密封可靠性。