煤氣化工況自控閥門選型探討

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，與經工藝燒嘴中心管和環隙進入氣化爐中的高純度O2發生部分氧化反應，生成合成氣。

1）制漿系統。原料煤經煤稱重給料機計量后送入磨機，同時在磨機中加入水、添加劑、石灰石，然后經磨機研磨成具有適當粒度分布的水煤漿。

2）合成氣系統。水煤漿經高壓煤漿泵加壓后與高壓O2經燒嘴混合后噴入氣化爐燃燒室，在燃燒室中進行氣化反應，生成合成氣和熔渣，然后經激冷環及下降管進入氣化爐激冷室冷卻，冷卻后的合成氣經文丘里洗滌器進入洗滌塔，熔碴落入激冷室底部冷卻、固化，定期排出。在洗滌塔中，合成氣進一步冷卻、除塵，然后合成氣出洗滌塔進入后面工序。

3）燒嘴冷卻系統。工藝燒嘴是氣化裝置的關鍵設備，在燒嘴中煤漿被高速氧氣流充分霧化，以利于氣化反應。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，在燒嘴外側設置冷卻盤管。

4）鎖斗系統。落入激冷室底部的固態熔渣，經破渣機破碎后進入鎖斗系統，鎖斗系統設置了一套復雜的循環控制系統，定期收集爐渣。

5）閃蒸及水處理系統。該系統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，送往水處理系統處理后循環使用。首先黑水送入高壓、真空閃蒸系統，進行減壓閃蒸，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 重要閥門設計選型

2.1 煤漿切斷閥

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

水煤漿位于閥球和閥座環口，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，能滲入閥芯導向間隙，可能導致閥芯卡死；煤漿有一定的附著黏結力，能在閥芯、閥座的密封面上形成積垢，影響閥門全關時的泄漏等級，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硬質合金，閥球用鍍或等離子噴涂硬質合金，并采用氣缸執行機構。

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，中心氧流量調節閥FV-03，氧氣聯鎖切斷閥XV-01，XV-02，支管的氧氣放空閥XV-03；此外，高壓氮氣緩沖閥XV-04，高壓氮氣吹掃閥XV-05，XV-06，氧氣切斷閥及相關高壓氮切斷閥受氣化爐安全聯鎖系統的控制，如圖1所示。在開車時，通過開車程序打開或關閉相關切斷閥；停車或故障時，自動進入氣化爐停車程序切斷進氣化爐氧氣管線并放空，高壓氮氣吹掃和保護氧氣管線。以上與氧氣管道相關閥門均需進行脫水脫脂處理。

圖1 氧氣管道閥門示意

氧氣高壓輸送有相當大的危險性，根據歐洲工業氣體協會（EIGA）標準［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 表 1

對于氧氣調節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。氧氣調節閥選型時采用：閥體為Inconel625；閥桿為Inconel-750；閥桿導向為Stellite；閥內件為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給閥門供氣，確保儀表空氣供氣和閥門安全運行。入爐的兩個切斷閥的關閉壓差達13.9 MPa，球體承受的側向推力很大，采用固定球結構，密封等級API 598—2009 VTSO（雙向）。

2.3 洗滌塔出口壓力調節放空閥

氣化爐壓力在氣化裝置開車和停車時由調節閥自動調節，調節閥位于洗滌塔頂合成氣出口去放空火炬的管線上。開車時通過它調節氣化爐壓力，當達到全負荷時通過調節閥的氣體流速很大，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閉，兩端壓差逐漸加大，全關時達到最高壓差，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、調節穩定、調節性能高、流通能力強、泄漏量低和耐沖蝕等特性。因此，此調節閥采用低噪音套筒閥，同時選用不同口徑的閥門進行分程調節。

洗滌塔出口壓力調節放空閥工況特點：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℃。目前正常運行的裝置采用最多的是低噪音套筒閥：閥體材質為WCC或WC6，內件材質為316，壓力等級為10 MPa，閥內件為高流通能力，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

每臺氣化爐設置3臺鎖渣閥，破渣機下部與鎖斗相連的管道上，即鎖斗入口側安裝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1次，XV-11常開，在線備用并參與氣化爐安全聯鎖，以備XV-12出現泄漏等故障時投用。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，開關頻繁，要求在高壓差情況下，實現雙向密封。鎖渣閥所處工況具有如下特點：

1）渣水混合物中具有無數不同粒徑的硬質顆粒摻雜在高速流體中流動，對閥門內件撞擊并沖刷，使閥桿與軸孔、閥座與關閉件接觸表面間產生劇烈摩擦，導致嚴重磨損，使閥門打不開或關不嚴。

2）工況系統壓力所形成的高速流體對閥門內件表面快速沖蝕，使內件損壞。

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，閥門在高壓狀態下開啟時，由于固體顆粒介質的摩擦阻力較大，因而容易造成閥門卡阻現象。

5）渣水混合物的灰渣極易積沉并黏附在關閉件表面，微小的灰渣甚至會侵入閥座組件的內部，造成閥座活動失效，使閥門泄漏甚至無法使用。

鎖渣閥工藝介質為渣水，含渣量20%，有腐蝕性、揮發性。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；球桿采用一體式設計，保證球體和閥的同心度執行機構的選擇具有足夠的裕量。開關次數為100萬次無故障，采用雙作用氣缸機構配儲氣罐。

2.5 黑水調節閥

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

氣化黑水是強腐蝕介質，且閥門前后壓差大，在節流口，流體介質混雜著硬質顆粒高速流動，具有強大的動能，閥門的閥芯或閥座等表面易被沖出流線形的細槽，形成侵蝕，同時有阻塞流發生以及產生閃蒸或空化。另外介質在閥腔內的聚泡爆裂過程，會釋放很大的能量，對閥體內部及節流元件等零件產生強大破壞，形成氣蝕。因此，黑水調節閥工作環境惡劣，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，黑水從高壓經過閃蒸閥直接降到中低壓，產生大量工藝蒸汽，再者物料流過閃蒸閥節流元件的速度非常高，導致閃蒸閥磨損比較嚴重。通常的做法是將高壓閃蒸閥分解為兩個并聯的減壓調節閥，這樣經過每臺閥閃蒸出來的蒸汽量相應減少，閃蒸閥磨損的情況得到改善。黑水調節閥采用角閥，閥芯和閥座材質要求鑲嵌硬質合金（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：側進底出角閥為小口進，大口出，閥體流線型，無死區，可帶出口大法蘭，直接安裝在罐上；閥體材質為不銹鋼，雙相鋼；閥芯材質為實體碳化鎢；文丘里擴孔材質為Stellite；閥座材質為嵌實體碳化鎢。

3 結束語

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口，價格昂貴，投資巨大，費用在整個裝置設備中所占比例較大。文中分析了水煤漿氣化嚴酷工況，根據同行業成功運行案例以及同行專家經驗介紹了氣化重要閥門的設計選型與特點。

［1］ European Industrial Gases Association Aisble.Iuc Doc 13/12/E［S］.Brussels：Avenue Pes Arts，2012.

［2］ 張旭東，包宗宏.德士古水煤漿氣化裝置工程設計問題探討［J］.化學工業與工程技術，2005，26（04）：26-29.

［3］ 陸培文.實用閥門設計手冊［M］.北京：機械工業出版社，2002.

［4］ 郭風忠.煤化工用黑水調節閥的研制［J］.閥門，2011，12（03）：31-32.

［5］ 袁自偉.水煤漿氣化工藝過程中的特殊閥門［J］.石油化工自動化，2009，45（03）：33-36.

［6］ 楊雪華.水煤漿工況下硬密封耐磨球閥的應用［J］.閥門，2011，8（07）：27-30.

［7］ 史奇冰，趙勇.化工裝置內高壓蒸汽主管道設計［J］.化工設備與管道，2012，49（06）：62-65.

［8］ 葉建中.鎖渣閥的設計與應用［J］.閥門，2008，1（03）：1-4.

［9］ 余文軍.水煤漿氣化爐安全系統的設計［J］.大氮肥，2005，28（06）：416-419.

［10］ 吳奇洪.煤氣化裝置運行總結［J］.大氮肥，2012，35（03）：145-149.