文丘里節流裝置在水煤漿氣化工藝中的應用

侯旭

(華陸工程科技有限責任公司，陜西 西安 710065)

文丘里節流裝置在水煤漿氣化工藝中的應用

侯旭

(華陸工程科技有限責任公司，陜西 西安 710065)

針對水煤漿氣化工藝對煤漿循環管線性能的要求，研制了一種新型節流裝置，采用特殊材質與新型文丘里喉部結構。重點介紹了煤漿循環管道系統工藝過程和管道設計、節流裝置的選型設計、節流裝置的結構組成、工作原理及工程實踐效果。實際應用表明:該創新的文丘里節流裝置性能穩定可靠，滿足了煤漿回流管道降壓需要，延長了裝置檢修周期，同時降低了設備的采購成本。

文丘里節流裝置 水煤漿 循環管路系統 喉部結構

8.7 MPa水煤漿氣化技術在中國得到大規模運用，工藝原理為原煤經煤漿制備系統制備為水煤漿，經煤漿給料泵送入氣化爐，與來自空分工段的氧氣充分燃燒后形成粗煤氣，粗煤氣經炭洗塔洗滌后送至變換系統進行氣體組分調整，為下游裝置提供工藝氣。該工藝過程與傳統的6.5 MPa氣化技術相比，原料消耗降低約3%，投資費用降低約15%，能耗降低約40%，裝置能效轉化率提高約9%，實現了煤基生產技術高效利用和資源清潔轉化生產。由于系統壓力高，系統煤處理量大，該水煤漿氣化工藝對系統設計、設備及管道選材要求苛刻。根據工藝要求，裝置設置煤漿循環管路系統，為氣化爐烘爐點火準備與停車提供可靠的硬件保障。新型節流裝置是保障煤漿循環系統平穩運行，成功實現減壓過程的關鍵設備。

1 煤漿循環管道系統工藝過程與管道設計

水煤漿氣化工藝過程主要由煤漿制備與氣化兩部分組成，煤漿循環管路系統在氣化工藝過程中處于上游位置。由磨煤機出口槽泵來的煤漿進入煤漿槽，煤漿槽有一定的高度，提供高壓煤漿泵所需的入口壓頭。當氣化爐處于運行狀態時，高壓煤漿泵將來自煤漿槽的煤漿加壓后，經煤漿切斷閥進入工藝燒嘴。當氣化爐處于烘爐狀態時，煤漿出自高壓煤漿泵后，經回流管線重新進入煤漿槽。高壓煤漿泵配備變頻電機，使得煤漿循環管路壓力可調，以滿足氣化爐烘爐及正常運行需要。煤漿循環管線流程如圖1所示。

煤漿循環管路系統主要環節為煤漿介質起始煤漿槽，經高壓煤漿泵送至燒嘴煤漿上游切斷閥，當燒嘴煤漿上游切斷閥關閉且煤漿回流切斷閥打開，煤漿進入回流管路，經文丘里節流裝置降壓后再次進入煤漿槽，完成回流循環。高壓煤漿泵出口正常工作壓力為11.2 MPa，最大流量144 m3/h，正常流量120 m3/h，最小流量60 m3/h。當氣化爐處于烘爐預備點火狀態時，高壓煤漿泵出口壓力約為1.8 MPa，煤漿經過文丘里節流裝置后，最終壓力降低至0.4 MPa。氣化爐正常運行狀態煤漿管線壓力為11.2～11.8 MPa，為預防煤漿回流切斷閥的故障或錯誤開啟，自高壓煤漿泵出口，經煤漿回流切斷閥至節流裝置上游管路及配套閥門、儀表設備壓力等級均為CLASS900，以文丘里節流裝置為界，下游管路選用CLASS150壓力等級，管道壁厚降為SCH80。煤漿管線材質均為20號鋼，全線選用4D彎通及厚壁管，減少煤漿對管材的磨損，盡可能延長管線使用壽命。

圖1 煤漿循環管線流程

2 節流裝置選型設計

當文丘里節流裝置安裝于管道時，其上、下游將產生壓力差，根據伯努利方程，得到流量基本方程式:

(1)

式中:qm——流體質量流量；ε——流體經過節流裝置后的流束膨脹系數，液體ε=1 ；c——流出系數；β——環形孔的等效孔徑與管道內徑的比值；D——管道內徑；Δp——上、下游差壓值；ρ1——上游側流體密度。

節流裝置選型計算時，可利用工藝要求的節流裝置的Δp計算出節流裝置管道內徑和喉部內徑的比值，然后決定喉部內徑尺寸。

煤漿介質對節流裝置的沖刷破壞力極強，傳統孔板具備節流效果好、質量輕、成本低的優點，但孔板的耐沖刷性能遠不及文丘里節流裝置。在實踐中，通過對比試驗證明，相同工況下，材質為316SS的孔板，在工藝裝置試車期間，正常工作壽命小于48 h，且節流效果在正常工況下以指數形式迅速衰減。在停車后取出孔板對其進行觀察，孔板上游面呈現明顯喇叭口狀，下游面呈現不規則圓形，已失去原設計節流能力。

經試驗結果證明，孔板節流元件不適用于8.7 MPa氣化工藝煤漿循環管線的工況，無法在節流效果與沖刷損耗之間取得較好的平衡。雖然楔式與矩形節流元件均可用于煤漿介質工況，但上述2種節流元件流道的平滑度均不及文丘里節流元件，最終在多種形式的節流元件中，考慮選用文丘里節流元件，希望在節流效果與沖刷損耗之間取得較好的平衡，最大限度延長節流元件的使用壽命。

3 結構組成

在確定文丘里節流元件選型與喉部開孔尺寸后，為最大限度抵御煤漿介質對文丘里節流裝置的沖刷磨蝕，使用創新喉部結構與特殊材質，以達到預期效果。文丘里上、下游縮徑段材質選用20G配合碳化鎢噴涂技術，增強了元件接觸介質部分表面硬度。

根據孔板磨蝕試樣可知，隨著文丘里管段的收縮，文丘里喉部上游收縮段與喉部平行段拐點處將是煤漿流體與原件的集中磨蝕區。圖2，圖3分別為文丘里喉部外包結構設計和文丘里喉部套管設計，文丘里喉部結構采用特殊鑲嵌工藝，使用碳化鎢硬質合金套管，并將該套管結構向上游延長，形成收縮喇叭口結構，并對收縮段與喉部平行段拐點角度進行優化，使用喉部外包結構配合上、下游收縮段，將套管整體平滑鑲嵌于文丘里喉部內層，即煤漿與節流裝置磨蝕最為劇烈的區域為整體碳化鎢硬質合金材質。文丘里節流元件成品結構如圖4所示。

圖2 文丘里喉部外包結構設計

4 結束語

8.7 MPa氣化工藝技術在某項目的大規模運用在國內尚屬首次，儀表、管道設備等主要專業的工程設計經驗來自此前6.5 MPa氣化項目。在實踐中發現，某些在6.5 MPa氣化項目中可順利運行的方案，而在8.7 MPa氣化項目中并不適用。例如6.5 MPa氣化工藝煤漿循環管路的節流元件選用不銹鋼孔板，即可順利運行。8.7 MPa氣化裝置共計6臺氣化爐，原設計共計6套煤漿循環管路系統，每套系統每年更換一次該節流元件，通過使用創新的文丘里節流元件，自2014年11月運行以來，煤漿循環管路系統節流元件從未更換，其實際工作壽命已遠超原設計壽命。

圖3 文丘里喉部套管設計

圖4 文丘里節流元件成品側視示意

經過近3a的實際應用，體現了該新型文丘里節流元件的優勢:6套煤漿循環管路節流元件運行平穩，完全解決了試車初期煤漿循環管路的降壓難題；煤漿循環管路的平穩運行，為氣化爐點火操作與停爐操作提供可靠保障；有利于延長裝置檢修周期；該節流元件自身結構簡單，成本可控，壽命較長，無額外能耗，使用簡便，相比各種形式的減壓控制閥有巨大成本優勢。

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ApplicationofVenturiThrottlingDeviceinWater-coalSlurryGasification

Hou Xu

(Hualu Engineering & Technology Co.Ltd., Xi’an,710065, China)

s：Focusing on requirement of circulation pipe performance for water-coal slurry gasification, a new Venturi throttling device has been developed with a special material and novel Venturi laryngeal structure.Process and pipe design for water-coal slurry circulation pipeline system, type selection design, structure composition, working principles, practice effect of throttling device are stressed.The practical application indicates the new Venturi throttling device runs stably and reliably.The requirement of depressurization for reflux line of water-coal slurry is met.Overhaul period of devices is prolonged.Equipment procurement costs is reduced.

Venturi throttling device; water-coal slurry; circulation pipe system；laryngeal structure

稿件收到日期：2017-09-22，修改稿收到日期2017-10-08。

侯旭(1983—)，男，陜西耀州人，2008年畢業于西安石油大學測控技術與儀器專業，獲學士學位，現就職于華陸工程科技有限責任公司，從事總承包項目工程采購工作，任采購經理。

TH814

B

1007-7324(2017)06-0021-03