劉志偉

（中國天辰工程有限公司，天津300400）

1 水煤漿氣化工藝

水煤漿氣化工藝將高壓水煤漿通過工藝燒嘴送入氣化爐，與經(jīng)工藝燒嘴中心管和環(huán)隙進(jìn)入氣化爐中的高純度O2發(fā)生部分氧化反應(yīng)，生成合成氣。

1）制漿系統(tǒng)。原料煤經(jīng)煤稱重給料機(jī)計(jì)量后送入磨機(jī)，同時在磨機(jī)中加入水、添加劑、石灰石，然后經(jīng)磨機(jī)研磨成具有適當(dāng)粒度分布的水煤漿。

2）合成氣系統(tǒng)。水煤漿經(jīng)高壓煤漿泵加壓后與高壓O2經(jīng)燒嘴混合后噴入氣化爐燃燒室，在燃燒室中進(jìn)行氣化反應(yīng)，生成合成氣和熔渣，然后經(jīng)激冷環(huán)及下降管進(jìn)入氣化爐激冷室冷卻，冷卻后的合成氣經(jīng)文丘里洗滌器進(jìn)入洗滌塔，熔碴落入激冷室底部冷卻、固化，定期排出。在洗滌塔中，合成氣進(jìn)一步冷卻、除塵，然后合成氣出洗滌塔進(jìn)入后面工序。

3）燒嘴冷卻系統(tǒng)。工藝燒嘴是氣化裝置的關(guān)鍵設(shè)備，在燒嘴中煤漿被高速氧氣流充分霧化，以利于氣化反應(yīng)。由于燒嘴插入氣化爐燃燒室中，承受1 400℃左右的高溫，為了防止燒嘴損壞，在燒嘴外側(cè)設(shè)置冷卻盤管。

4）鎖斗系統(tǒng)。落入激冷室底部的固態(tài)熔渣，經(jīng)破渣機(jī)破碎后進(jìn)入鎖斗系統(tǒng)，鎖斗系統(tǒng)設(shè)置了一套復(fù)雜的循環(huán)控制系統(tǒng)，定期收集爐渣。

5）閃蒸及水處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要用于水的回收處理。氣化爐和洗滌塔排出的含固量較高黑水，送往水處理系統(tǒng)處理后循環(huán)使用。首先黑水送入高壓、真空閃蒸系統(tǒng)，進(jìn)行減壓閃蒸，以降低黑水溫度，釋放不溶性氣體及濃縮黑水，經(jīng)閃蒸后的黑水送往沉降槽澄清。

文中以燃燒壓力為6.5 MPa的氣化爐為例，探討閥門的選型。

2 重要閥門設(shè)計(jì)選型

2.1 煤漿切斷閥

氣化爐水煤漿進(jìn)料管道上工藝要求設(shè)置雙道切斷閥，水煤漿回流管道上設(shè)1臺切斷閥，這些切斷閥參與安全聯(lián)鎖，必須可靠工作。

水煤漿位于閥球和閥座環(huán)口，煤漿閥口流速很高，煤漿有一定的硬度，因而其侵蝕破壞力強(qiáng)大，煤漿會淤積，堵塞閥腔，需要打開閥門流道清除死解；煤漿很細(xì)，能滲入閥芯導(dǎo)向間隙，可能導(dǎo)致閥芯卡死；煤漿有一定的附著黏結(jié)力，能在閥芯、閥座的密封面上形成積垢，影響閥門全關(guān)時的泄漏等級，要求控制閥能自動清除這些積垢。因此，水煤漿切斷閥通常選用球閥，閥體一般為碳鋼，閥座采用不銹鋼堆焊一定厚度的Stellite硬質(zhì)合金，閥球用鍍或等離子噴涂硬質(zhì)合金，并采用氣缸執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

2.2 氧氣管道閥門

氧氣管道閥門包括：氧氣總管流量控制閥FV-02，氧氣支管流量控制閥FV-01，中心氧流量調(diào)節(jié)閥FV-03，氧氣聯(lián)鎖切斷閥XV-01，XV-02，支管的氧氣放空閥XV-03；此外，高壓氮?dú)饩彌_閥XV-04，高壓氮?dú)獯祾唛yXV-05，XV-06，氧氣切斷閥及相關(guān)高壓氮切斷閥受氣化爐安全聯(lián)鎖系統(tǒng)的控制，如圖1所示。在開車時，通過開車程序打開或關(guān)閉相關(guān)切斷閥；停車或故障時，自動進(jìn)入氣化爐停車程序切斷進(jìn)氣化爐氧氣管線并放空，高壓氮?dú)獯祾吆捅Ｗo(hù)氧氣管線。以上與氧氣管道相關(guān)閥門均需進(jìn)行脫水脫脂處理。

圖1 氧氣管道閥門示意

氧氣高壓輸送有相當(dāng)大的危險性，根據(jù)歐洲工業(yè)氣體協(xié)會（EIGA）標(biāo)準(zhǔn)［1］，見表1所列，氧氣壓力不大于8.7 MPa，管道壁最小厚度3.18 mm情況下，氧氣流速對Inconel625材質(zhì)豁免，6.5 MPa壓力氣化爐滿足此要求。

表1 Table of Exemption Pressures and Minimum Thicknesses MPa（psig）

續(xù) 表 1

對于氧氣調(diào)節(jié)閥采用流通效果好的單座柱塞閥或籠式閥，避免采用迷宮式閥芯，以免引起閥芯處局部流速過快；填料、墊片選用經(jīng)過除油、除脂和防剝離處理的耐高溫材料；閥門的密封等級測試選用潔凈的N2進(jìn)行測試，一般密封等級為0.01% Cv.Max Different Pressure，高于ANSI/FCI 70-2—2006 IV。氧氣調(diào)節(jié)閥選型時采用：閥體為Inconel625；閥桿為Inconel-750；閥桿導(dǎo)向?yàn)镾tellite；閥內(nèi)件為Inconel625＋Stellite；填料為除油，防剝離處理的聚四氟乙烯（PTFE）。

氧氣入爐的兩個切斷閥、放空切斷閥設(shè)置雙電磁閥，作用是在一路閥門失電的情況下，另一路閥門通過副線繼續(xù)給閥門供氣，確保儀表空氣供氣和閥門安全運(yùn)行。入爐的兩個切斷閥的關(guān)閉壓差達(dá)13.9 MPa，球體承受的側(cè)向推力很大，采用固定球結(jié)構(gòu)，密封等級API 598—2009 VTSO（雙向）。

2.3 洗滌塔出口壓力調(diào)節(jié)放空閥

氣化爐壓力在氣化裝置開車和停車時由調(diào)節(jié)閥自動調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)閥位于洗滌塔頂合成氣出口去放空火炬的管線上。開車時通過它調(diào)節(jié)氣化爐壓力，當(dāng)達(dá)到全負(fù)荷時通過調(diào)節(jié)閥的氣體流速很大，高速氣流的氣蝕和其中灰渣顆粒的磨蝕危害很大。操作正常后向變換工段送氣時，閥門由幾乎全開到慢慢關(guān)閉，兩端壓差逐漸加大，全關(guān)時達(dá)到最高壓差，即氣化爐操作壓力，此時要求閥門不能泄漏，且具有動作可靠、調(diào)節(jié)穩(wěn)定、調(diào)節(jié)性能高、流通能力強(qiáng)、泄漏量低和耐沖蝕等特性。因此，此調(diào)節(jié)閥采用低噪音套筒閥，同時選用不同口徑的閥門進(jìn)行分程調(diào)節(jié)。

洗滌塔出口壓力調(diào)節(jié)放空閥工況特點(diǎn)：高壓差為6.5 MPa，含固體顆粒，噪音高于100 dB（A），振動大（開停車），溫度高于200℃。目前正常運(yùn)行的裝置采用最多的是低噪音套筒閥：閥體材質(zhì)為WCC或WC6，內(nèi)件材質(zhì)為316，壓力等級為10 MPa，閥內(nèi)件為高流通能力，降噪籠式（降噪孔直徑不小于6 mm）。由于閥門振動大，建議采用分體式閥門定位器，閥后需閥門廠家成套帶降噪板。

2.4 鎖渣閥

每臺氣化爐設(shè)置3臺鎖渣閥，破渣機(jī)下部與鎖斗相連的管道上，即鎖斗入口側(cè)安裝XV-11和XV-12兩臺鎖渣閥，通常稱為上鎖渣閥。其中，XV-12受程序控制，大約每30 min開關(guān)1次，XV-11常開，在線備用并參與氣化爐安全聯(lián)鎖，以備XV-12出現(xiàn)泄漏等故障時投用。鎖斗排放口安裝1臺XV-13鎖渣閥，通常稱為下鎖渣閥，該閥的下口與大氣相通。鎖渣閥參加氣化爐的排渣程序控制，受高溫、高壓灰渣的直接磨蝕，開關(guān)頻繁，要求在高壓差情況下，實(shí)現(xiàn)雙向密封。鎖渣閥所處工況具有如下特點(diǎn)：

1）渣水混合物中具有無數(shù)不同粒徑的硬質(zhì)顆粒摻雜在高速流體中流動，對閥門內(nèi)件撞擊并沖刷，使閥桿與軸孔、閥座與關(guān)閉件接觸表面間產(chǎn)生劇烈摩擦，導(dǎo)致嚴(yán)重磨損，使閥門打不開或關(guān)不嚴(yán)。

2）工況系統(tǒng)壓力所形成的高速流體對閥門內(nèi)件表面快速沖蝕，使內(nèi)件損壞。

3）渣水混合物本身具有一定的腐蝕性，易腐蝕閥門被固體顆粒介質(zhì)沖擊破壞而暴露的新鮮表面，從而使閥門加速損壞。

4）鎖渣閥的口徑通常不小于DN300，口徑較大，在高壓力流體介質(zhì)的作用下，對閥門密封面將形成較大的密封比壓。同時，閥門在高壓狀態(tài)下開啟時，由于固體顆粒介質(zhì)的摩擦阻力較大，因而容易造成閥門卡阻現(xiàn)象。

5）渣水混合物的灰渣極易積沉并黏附在關(guān)閉件表面，微小的灰渣甚至?xí)秩腴y座組件的內(nèi)部，造成閥座活動失效，使閥門泄漏甚至無法使用。

鎖渣閥工藝介質(zhì)為渣水，含渣量20%，有腐蝕性、揮發(fā)性。選用雙向硬密封球閥，閥體采用碳鋼加流道堆焊Stellite合金；閥桿采用材質(zhì)17-4PH；閥球采用固定球，密封面及流道口堆焊Stellite合金；球桿采用一體式設(shè)計(jì)，保證球體和閥的同心度執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇具有足夠的裕量。開關(guān)次數(shù)為100萬次無故障，采用雙作用氣缸機(jī)構(gòu)配儲氣罐。

2.5 黑水調(diào)節(jié)閥

黑水調(diào)節(jié)閥包括：氣化爐激冷室黑水流量調(diào)節(jié)閥、洗滌塔底部黑水排放流量調(diào)節(jié)閥、進(jìn)高壓閃蒸罐氣化黑水壓力調(diào)節(jié)閥和進(jìn)高壓閃蒸罐洗滌黑水壓力調(diào)節(jié)閥。氣化工段黑水經(jīng)氣化爐底部黑水流量調(diào)節(jié)閥和洗滌塔底部流量調(diào)節(jié)閥減壓后，在進(jìn)高壓閃蒸罐前，由壓力調(diào)節(jié)閥將壓力降至高壓閃蒸罐的工作壓力。

氣化黑水是強(qiáng)腐蝕介質(zhì)，且閥門前后壓差大，在節(jié)流口，流體介質(zhì)混雜著硬質(zhì)顆粒高速流動，具有強(qiáng)大的動能，閥門的閥芯或閥座等表面易被沖出流線形的細(xì)槽，形成侵蝕，同時有阻塞流發(fā)生以及產(chǎn)生閃蒸或空化。另外介質(zhì)在閥腔內(nèi)的聚泡爆裂過程，會釋放很大的能量，對閥體內(nèi)部及節(jié)流元件等零件產(chǎn)生強(qiáng)大破壞，形成氣蝕。因此，黑水調(diào)節(jié)閥工作環(huán)境惡劣，不但能夠耐受通過閥門壓力降引起的高流速，還要耐受閃蒸溶解氣的氣蝕、水的汽化和煤灰顆粒引起的腐蝕及磨蝕。尤其是高壓閃蒸，黑水從高壓經(jīng)過閃蒸閥直接降到中低壓，產(chǎn)生大量工藝蒸汽，再者物料流過閃蒸閥節(jié)流元件的速度非常高，導(dǎo)致閃蒸閥磨損比較嚴(yán)重。通常的做法是將高壓閃蒸閥分解為兩個并聯(lián)的減壓調(diào)節(jié)閥，這樣經(jīng)過每臺閥閃蒸出來的蒸汽量相應(yīng)減少，閃蒸閥磨損的情況得到改善。黑水調(diào)節(jié)閥采用角閥，閥芯和閥座材質(zhì)要求鑲嵌硬質(zhì)合金（WC），為防止閃蒸對閥門造成的破壞，建議閥門在CV值選擇上采用大一檔的閥門。

閥門特點(diǎn)：側(cè)進(jìn)底出角閥為小口進(jìn)，大口出，閥體流線型，無死區(qū)，可帶出口大法蘭，直接安裝在罐上；閥體材質(zhì)為不銹鋼，雙相鋼；閥芯材質(zhì)為實(shí)體碳化鎢；文丘里擴(kuò)孔材質(zhì)為Stellite；閥座材質(zhì)為嵌實(shí)體碳化鎢。

3 結(jié)束語

煤氣化裝置作為煤化工的重要組成部分，所用的特殊控制閥大多為進(jìn)口，價格昂貴，投資巨大，費(fèi)用在整個裝置設(shè)備中所占比例較大。文中分析了水煤漿氣化嚴(yán)酷工況，根據(jù)同行業(yè)成功運(yùn)行案例以及同行專家經(jīng)驗(yàn)介紹了氣化重要閥門的設(shè)計(jì)選型與特點(diǎn)。

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