淺析煤氣化裝置儀表選型

黃俊華，胡同印

（北京華福工程有限公司，北京 100016）

1 煤氣化工藝簡介

煤氣化工藝技術分為：固定床氣化技術、流化床氣化技術、氣流床氣化技術3大類，各種氣化技術均有其各自的優缺點。其中氣流床加壓氣化技術大都以純氧作為氣化劑，在高溫高壓下完成氣化過程，碳轉化率高，不產生焦油、萘和酚水等，是一種環境友好型的氣化技術，也是目前主流的工藝方案。

本文將以氣流床氣化技術的工況為例，探討煤氣化裝置關鍵儀表的選型。

工藝流程簡圖如圖1所示。

來自空分工段的高壓氧氣經過流量調節閥和切斷閥與來自煤漿制備工段的水煤漿，按一定的比例，通過燒嘴進入氣化爐，在6.5MPaG、13000℃下進行反應生成CO、H2、CO2和少量CH4、H2S、COS及微量的NH3、HCOOH等氣化氣。

在氣化爐中水煤漿與氧發生的主要反應如下：

粗合成氣經過旋風分離器和洗滌塔進行進一步凈化，進入下游工段。而氣化爐里的固、液相雜質進入破渣機破碎，經由鎖斗反復地加壓和泄壓，循環實現氣化爐的排渣過程。進入渣池較澄清的上部黑水送入渣水處理工段。

2 儀表選型

2.1 氧閥

為氧氣管網特殊設計的專用閥門稱為氧閥，氧閥分為氧氣調節閥、氧氣切斷閥以及氧氣放開閥。

圖1 煤氣化工藝流程簡圖Fig.1 Gasifi cation process fl ow diagram

表1 碳鋼、不銹鋼沖擊流速曲線等式表Table 1 Carbon steel, stainless steel impact velocity curve equation sheet

表2 常用材質免除壓力和最小厚度表Table 2 Commonly used material free of pressure and minimum thickness table

氧的化學性質非?；顫?，是強烈的氧化劑和助燃劑，它除了與金、銀及惰性氣體氦、氖、氬、氪、氙等在一般情況下不發生反應外，與其它物質均能發生氧化反應。氧經壓縮后，在輸送的過程中，如有油脂、氧化鐵屑或小粒燃燒物（煤粉、炭粒或有機纖維）存在，隨著氣流運動與管壁或機體發生磨擦、撞擊，會產生大量磨擦熱，可能導致管道或設備燃燒、爆炸。

燃燒的3個要素包括：氧化劑、可燃物和點火能量。由于氧氣本身就是氧化劑，因此只能通過控制點火能量和選擇適當材料提高可燃物燃點的方法來避免燃燒的發生。

根據EIGA-IGC 13-12[1]規定，氧氣介質的材料選擇需根據氧氣體積含量、免除壓力、介質沖擊流速以及溫度來決定。根據工況及應用場合的不同，流速又分為沖擊流速和非沖擊流速。在非沖擊流速下，對應某種材料適用溫度以下，非沖擊流速不超過非沖擊流速曲線的流速，那么可以使用相應材料；同理，在沖擊流速下，對應材料適用溫度以下，沖擊流速不超過沖擊流速曲線的流速，那么，可以使用相應材料。

由于儀表閥門屬于節流件，所以儀表閥門處的流速均定義為沖擊流速。以150℃設計溫度以下的碳鋼和200℃設計溫度以下的不銹鋼為例，其沖擊流速等式見表1。

當流速超越沖擊曲線流速的工況，就應該考慮使用豁免材料。常用材質免除壓力和最小厚度見表2。

值得注意的是，在EIGA-IGC13-12與EIGA-IGC 13-02中對于各種材質的豁免壓力及壁厚做出了很多修改，例如將Inconel600（厚度：不規定）的豁免壓力由6.9Mpa（1000psig）修改為Inconel600（厚度：3.18mm（0.125”））的豁免壓力8.61Mpa（1250psig）；將Inconel625（厚度：3.18mm（0.125”））的豁免壓力由8.7Mpa（1250psig）修改為Inconel625（厚度：3.18mm（0.125”））的豁免壓力6.9Mpa（1000psig）。由于EIGAIGC13-02[2]近10年的應用期，使得國內許多設計壓力低于8.7Mpa的工況都選擇的Inconel625，因此有許多成功開車和運行的業績；然而依據新的標準8.7Mpa的工況Inconel625不再適用，而Inconel600在國內已開車投用的項目中應用相對較少。因此，在某些壓力8.7Mpa左右，閥芯節流處沖擊流速很快的場合設計者宜考慮使用豁免壓力更高的蒙乃爾材質，確保氧氣管道的安全。但是由于Monel的硬度比Inconel軟，在高壓力時需要考慮提高磅級以適應要求。

圖2 合成氣放空分程控制簡圖Fig.2 Synthesis gas venting process control diagram

以某煤氣化工藝包，以氧氣調節閥為例：氧氣體積含量為99.6%，操作壓力高達8.7MpaG，管道流速為6.3m/s，溫度為30℃。由表1及表2可知，在當前工況只能在鎳合金材料里選擇，綜合考慮閥芯、閥座選擇MonelK-500并進行硬化處理，閥桿選擇強度更好的InconelX-750，閥體選擇MonelK-500。需要注意的是如果選擇Monel合金，由于其含有銅元素，在長期使用的過程中，可能會出現氧化，出現閥體顏色加深變黑或者變紅的現象。

出于對氣化爐回火和防火的考慮，選用專用石墨填料。氧氣切閥的密封等級必須滿足Ⅵ級雙向密封，而氧調閥根據工況一般滿足Ⅳ級即可。閥門的口徑必須經過嚴格的計算，因為閥門口徑的大小與流經閥芯的流體流速息息相關。

值得注意的是所有氧閥都必須進行脫水、脫油和脫脂處理，歐洲標準中允許最大的油脂含量在壓力為30bar的情況下為500mg/m2。閥門需進行防火及氧用（鈍化）處理，保證內壁光滑、無毛刺。閥門選型本身應選擇流道簡單，開、關閥門時無鋒利切面的閥型。

2.2 黑水閥

把細顆粒狀懸浮物（煤渣等顆粒）含量較高，還含有酸性氣體的介質稱為黑水；懸浮物經沉降后顆粒物較少的介質稱為灰水。黑水對閥門及節流裝置沖蝕嚴重，且容易在節流處堵塞閥門及管道，因為含有酸性氣體，還具有一定的腐蝕性。

由圖1可知，煤氣化的黑水閥主要集中在氣化爐出口去渣水高壓閃蒸罐，旋風分離器和洗滌塔出口的黑水管線以及渣水處理工段內的黑水閥。

伴隨著高差壓、高流速，也加劇了介質對閥體的磨蝕，同時也可能出現閃蒸、空化甚至阻塞流。例如渣水工況，氣化激冷室底部出來的黑水在進高壓閃蒸罐之前，從6.58MPa（G）降到1.8MPa（G），必然發生閃蒸[3]。

常規單座閥流道復雜，容易囤積雜質，導致閥門卡死，黑水工況下長時間可能導致內件損壞或者脫落。另外單座閥抗閃蒸、空化通常會選擇迷宮籠式或多級降壓式閥芯，因為黑水易堵所以不適用于此工況。選擇角閥，閥內件采用碳化鎢硬化，閥門出口采用喇叭口式擴管，能較好適應當前工況。隨著國內廠家在這一閥型上制造能力的提高，國產角閥已經具備一定的水平，性價比更高，已經有不少使用業績。

對于低壓閃蒸罐出口和真空閃蒸罐出口的黑水控制閥，因為壓差小，也可選用偏心旋轉閥，閥內件均做噴涂碳化鎢或等同的硬化處理，即使在雜質顆粒的高速沖刷下也能持久地工作。而且偏心旋轉閥流道與管道近似，流體阻力小，流通能力強，不會堵塞，適用于此種工況。

2.3 鎖渣閥

鎖渣閥是指排渣安全閥、鎖斗入口閥和鎖斗出口閥。

鎖斗的順序控制包括泄壓、排渣、充壓和集渣4個過程，鎖渣閥參與鎖斗的順控程序，因此它的優劣關系到鎖斗的正常運行和工藝生產的安全和穩定。

鎖渣閥與黑水閥相似的是介質都為黑水或者灰水，而不同的是鎖渣閥口徑達到DN400mm，壓力等級900LB，為了確保氣化爐內的壓力穩定，需要雙向密封。

全通徑固定球閥，既能滿足介質流體的需求，又能達到雙向密封。雙作用氣缸，并配備儲氣罐，保證了執行機構的正常工作。閥體選用WCB（流道襯套雙相鋼噴涂WC），閥芯、閥座選用316SS加硬化處理。閥門還須滿足NACE MR0175標準要求，因為介質中含硫。由于參與鎖斗順控，對閥門的動作時間還有一定要求，根據工藝包不同而略有差異，一般小于8s。

2.4 合成氣放空閥

合成氣放空閥為洗滌塔頂部出口管線與火炬之間的兩個閥門，如圖2所示。采用分程調節，在開車工況，小流量時可以用小閥調節；當氣化爐憋壓或者下游故障堵塞的情況下，為了保證主管壓力穩定，使用雙閥調節。

工況：介質為氣化爐的粗煤氣經過旋風分離和洗滌塔洗滌后的相對潔凈的合成氣。操作溫度達到240℃，操作壓力接近6.4MpaG，壓降更是高達6Mpa。經過計算，閥門出現阻塞流。

為了應對上述工況，選擇GLOBE閥，閥芯和閥座進行硬化處理，選用石墨填料，散熱型閥蓋。因為壓差大，采用平衡式套筒閥芯，這樣可以減小閥門執行機構的大小。迷宮式閥芯可以有效減小閃蒸的危害，延長閥門的使用壽命，同時還能起到降噪的作用。如果閥門的降噪效果不明顯，還需要在閥后增加降噪板，減小噪聲污染。值得注意的是如果爐子的直徑大于32m時，GLOBE不再適宜。

2.5 煤漿流量測量儀表

由于流動的煤漿對節流件的沖蝕比較嚴重以及易于沉淀的特性，因此煤漿流量的測量不能用孔板、渦街等使用節流元件的測量方法。通常使用電磁流量計來測量煤漿的瞬時流量，煤漿給料泵轉速來計算流量。

水煤漿的工況特點：壓力高（達到10MpaG）、流速低、漿料濃度大以及含金屬顆粒，有磨損性，導電率大于10μs/cm。因此煤漿電磁的要求要遠高于一般電磁流量計。

首先煤漿電磁流量計要采用耐高壓、能經受流體擠壓和沖刷的襯里材料，增強聚四氟乙烯（ETFE）耐磨性能高于四氟乙烯（PTFE）材料，同PFA相比既能同樣滿足負壓，又能更抗磨損、撕裂和腐蝕，是煤漿工況的理想材料。其次電極材料選用Hastelloy C。最后高壓力工況是需要特別關注的，因為高壓場合的電磁流量計只有少數廠商能夠提供。電磁流量計可以水平安裝，也可以垂直安裝，但必須保證管道充滿介質。

2.6 高溫熱偶

氣化爐高溫熱偶專指氣化爐開車后使用的測量爐膛溫度的3支熱電偶。

氣化爐爐內反應溫度高達1300℃，高溫熱偶的使用處于高溫、高壓、高沖刷、強氧化-還原環境，這就對熱偶保護管的耐壓、材質等提出了很高的要求。普通熱電偶已無法滿足測量需要。

高溫熱偶采用“B”型標準熱偶材料（鉑銠30-鉑銠6），可長期在1600℃高溫環境下使用，短時可耐溫1800℃。熱偶保護套管采用二硅化鉬等金屬陶瓷材料制成[4]。

隨著氣化爐地長期使用，爐壁襯里的厚度會隨著焦化沖刷逐漸變薄，內壁向外擴延。為了保證傳感器前端在內壁處的最佳測量位置，熱偶的長度可以根據爐內耐火磚的沖刷程度進行調整。具體長度可以從熱偶孔處用帶直角鉤的工具鉤住爐磚內壁進行測量，即從爐磚內壁至爐體熱偶法蘭外沿的長度，為使熱偶避免直接沖刷，通常熱偶頂端自爐磚內壁縮進10~15mm。

熱偶法蘭采用15CrMo材料加工而成，在熱偶法蘭處采用耐高溫、高壓、高強度密封材料，防止熱偶套管斷裂后爐內壓力外泄，或采用耐壓密封接線方式，耐壓等級同氣化爐。

3 結束語

在煤氣化項目中，自動控制儀表性能的好壞直接關系到生產操作的安全和穩定。本文根據已實施的項目經驗，根據工況分析了煤氣化裝置的儀表選型，并且已經在現場得到了很好地應用。為同行在此類工況下的儀表選型上提供參考。

[1]EIGA Doc-13-12-Oxygen Pipeline and Piping Systems[Z].

[2]EIGA Doc-13-02-Oxygen Pipeline and Piping Systems[Z].

[3]陸德民,張振基,黃步余.石油化工自動控制設計手冊[M].北京:化學工業出版社,2000.

[4]石油化工自動化儀表選型設計規范,SH 3005-1999[Z].中國石油化工集團公司.