德士古工藝汽化爐特殊工況的閥門選用

韓墨楓，白 龍，蘇 川

（惠生工程（中國(guó)）有限公司 設(shè)計(jì)中心儀表室，北京 100103）

德士古工藝的汽化爐技術(shù)進(jìn)入中國(guó)之后，被廣為應(yīng)用。相對(duì)于其他類型的化工工藝而言，德士古的汽化技術(shù)中，因?yàn)槠浯嬖诟邏貉鯕饨橘|(zhì)、煤漿介質(zhì)、帶有閃蒸和汽蝕工況的黑灰水介質(zhì)等情況，對(duì)儀表控制閥的選型提出了新的要求。本文旨在介紹這些特殊工況下儀表控制閥的選型原則及經(jīng)驗(yàn)。

1 工藝簡(jiǎn)介

德士古水煤漿加壓汽化過(guò)程屬于氣流床疏相并流反應(yīng)。

水煤漿通過(guò)煤漿給料泵加壓后送入汽化爐。水煤漿和高壓氧氣通過(guò)燒嘴混合后形成混合噴霧，以保證在已經(jīng)經(jīng)過(guò)預(yù)熱的高溫耐火磚的熱輻射作用下，迅速裂解與燃燒。水煤漿汽化，最后生成以一氧化碳、氫氣、二氧化碳和水蒸氣為主要成分的濕煤氣。熱熔渣流入汽化爐激冷室，經(jīng)過(guò)激冷水的冷卻而形成固態(tài)爐渣。爐渣通過(guò)破渣機(jī)進(jìn)行破碎，然后進(jìn)入以排渣罐為主要設(shè)備的排渣系統(tǒng)，定期排放。

濕煤氣通過(guò)下降管在激冷室進(jìn)行初步的降溫和洗滌，再進(jìn)入下一級(jí)的冷卻和洗滌系統(tǒng)，最終形成合格的煤氣送入變換單元。

汽化爐內(nèi)的主要反應(yīng)如下：

德士古汽化工藝流程主要包括如下幾個(gè)單元：

1）原料輸送和高溫燃燒單元，以水煤漿泵、氧氣輸送和燒嘴系統(tǒng)組成。

圖1 德士古汽化法激冷型流程Fig.1 The cooling process of Texaco gasification method

2）汽化反應(yīng)單元，完成煤粉的燃燒和化學(xué)反應(yīng)，生成以CO、CO2、H2為主的濕煤氣。

3）燒嘴冷卻系統(tǒng)，通過(guò)冷卻盤管進(jìn)行熱置換，保護(hù)高溫下的工藝燒嘴。

4）鎖渣系統(tǒng)，完成熱熔渣冷卻、破碎和定期排放。

5）洗滌和閃蒸系統(tǒng)，完成濕煤氣的降溫、洗滌和黑水的再循環(huán)利用。

煤漿制備、汽化爐及排渣系統(tǒng)、高溫煤氣的冷卻與凈化。德士古煤汽化法激冷型流程如圖1所示。

2 工況簡(jiǎn)要說(shuō)明

德士古技術(shù)的煤汽化工藝，在汽化單元的介質(zhì)，包括氣體介質(zhì)、液體介質(zhì)、液固混合介質(zhì)、氣固混合介質(zhì)。工況溫度范圍涵蓋常溫至1300℃，工況壓力范圍涵蓋常壓至11MPa。介質(zhì)有氧氣、氮?dú)狻⑺簼{、灰水、黑水、渣水，所包含的工況包含高溫、高壓、強(qiáng)磨蝕、閃蒸、汽蝕以及復(fù)雜工況。所以在煤汽化單元（包括煤漿制備、汽化及渣水處理），對(duì)于儀表的選型存在著極大的難度。本文將針對(duì)汽化單元（包括煤漿制備、汽化及渣水處理，以下簡(jiǎn)稱“汽化單元”）的自控專業(yè)的閥門選用進(jìn)行闡述。

3 氧氣工況的閥門選用

汽化單元接收來(lái)自空分單元的高壓氧氣，與水煤漿進(jìn)行“氧煤比”調(diào)節(jié)之后，通過(guò)汽化爐燒嘴，進(jìn)入汽化爐燃燒室。

由于氧氣具有助燃性，所以高純度的氧氣在遇到油脂、鐵屑、靜電火花等情況時(shí)極易引起燃燒甚至爆炸。用在氧氣官網(wǎng)上的閥門通常稱之為“氧閥”。氧閥作為氧氣管線上的重要控制設(shè)備，無(wú)論在閥門結(jié)構(gòu)、防火要求、材料選擇、脫脂等方面，都需要作出慎重的選擇。

3.1 材料的選擇[1]

氧閥的材質(zhì)應(yīng)選擇銅基合金或者鎳基合金，豁免流速性對(duì)于其它材質(zhì)的范圍比較寬，以保證氧氣在流過(guò)閥門時(shí)不會(huì)因摩擦沖擊而產(chǎn)生火花。低壓氧氣介質(zhì)，閥門材料可選用304L或316L不銹鋼。德士古汽化工藝，氧氣均為高壓工況。因此，氧氣調(diào)節(jié)閥和氧氣開關(guān)閥均以采用INCONEL或MONEL合金為宜。閥門密封填料應(yīng)選用阻燃材料，如石墨等。

3.2 閥門型式的選擇

氧氣調(diào)節(jié)閥宜選用直通單座調(diào)節(jié)閥（globe），氧氣開關(guān)閥宜選用金屬密封球閥（固定球）。無(wú)論是低壓還是高壓氧氣管網(wǎng)，均嚴(yán)禁選用閘閥。閘閥在開關(guān)過(guò)程中因閘板擠壓滑槽，容易產(chǎn)生鐵屑。氧氣氣流夾帶鐵屑沖擊管線，容易造成氧氣管線的爆燃，引發(fā)惡劣的工程事故。大口徑、高壓差的場(chǎng)合，還要考慮選用帶均壓小旁通的閥門，以防止氧氣流速過(guò)快，溫度升高形成絕熱壓縮而發(fā)生氧氣管線的爆燃。德士古工藝的高壓氧氣管線，是由多個(gè)氧氣閥門和高壓氮?dú)夤芫€配合使用形成的一整套系統(tǒng)，從工藝角度上已經(jīng)完善了安全方面的要求。因此，德士古工藝的高壓氧氣閥門不需要帶小旁通閥。

3.3 閥門的脫脂與密封

氧氣閥門應(yīng)該在出廠前完成全部脫脂工序，并嚴(yán)格密封包裝后運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)。德士古工藝中，為氧氣管線保駕護(hù)航的高壓氮?dú)夤芫€上的閥門，享受與氧閥同等待遇，同樣需要滿足與氧閥同等規(guī)格的脫脂及密封要求。脫脂后的氧閥在沒(méi)有其它特殊原因的情況下，不再參與管道吹掃，以防止閥門被二次污染。

3.4 氧氣閥門材料的選用既要考慮強(qiáng)度、經(jīng)濟(jì)，更要考慮安全

應(yīng)符合表1的要求。表1引自GBl6912《深度冷凍法生產(chǎn)氧氣及相關(guān)氣體安全技術(shù)規(guī)程》（修訂版報(bào)批稿）。

表1 閥門材料選用要求Table 1 Valve material selection requirements

表2 閥門材質(zhì)的選擇與豁免流速的對(duì)應(yīng)關(guān)系Table 2 Correspondence between the selection of valve material and the exemption flow rate

3.5 惠生工程（中國(guó)）有限公司的鄂爾多斯國(guó)泰項(xiàng)目情況[3]

氧氣總管操作壓力8.1MPa，設(shè)計(jì)壓力9.0MPa，操作溫度25℃，設(shè)計(jì)溫度65℃。高壓下的氧閥選用，考慮的因素除了上述內(nèi)容以外，還要考慮閥門的硬化處理。在本項(xiàng)目中，氧氣調(diào)節(jié)閥選用globe型式，氧氣切斷閥選用固定球硬密封球閥。關(guān)于閥門材質(zhì)的選擇與豁免流速的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表2。

在德士古的工藝包中，奧氏體不銹鋼，如316L材質(zhì)是可以作為氧閥的閥體材質(zhì)的，但要根據(jù)氧氣的壓力和溫度，去查詢?cè)诖藯l件下的氧氣豁免流速表。而目前國(guó)家對(duì)安全生產(chǎn)的要求，氧閥的選用通常選擇豁免流速對(duì)應(yīng)壓力范圍較大的INCONEL600或MONEL合金。而MONEL合金因?yàn)閾郊恿算~元素，所以材質(zhì)較軟，不大適合在高壓環(huán)境下使用。以采用INCONEL600或INCONEL625較為適宜。氧氣切斷閥的閥球與閥座需要做硬化處理，保證洛氏硬度大于55為佳。而目前市場(chǎng)上的氧閥硬化方式均為噴涂，噴涂的材料根據(jù)不同的生產(chǎn)商有不同的選擇。原則是以不改變或接近閥球、閥座的材質(zhì)為宜。有個(gè)別廠家采用噴涂碳化鎢的方式進(jìn)行硬化處理，不可取。

4 水煤漿管線的閥門選用

水煤漿是一種懸濁液，成分為：煤粉65%～70%；水29%～34%和約1%的化學(xué)添加劑制成的混合物。

應(yīng)用在水煤漿工況的切斷閥，隨著國(guó)內(nèi)煤汽化工藝的全面推廣，已經(jīng)逐漸形成一個(gè)“煤漿切斷閥”的專有名詞了。目前應(yīng)用于水煤漿切斷的閥門，還是以硬密封金屬球閥為主。耐磨蝕，是煤漿閥首先要考慮的參數(shù)，而閥座密封卻是影響煤漿閥運(yùn)行的關(guān)鍵點(diǎn)。

煤漿閥的閥通常采用碳鋼材質(zhì)，流道內(nèi)襯雙相鋼并噴涂碳化鎢以增加其抗磨蝕性能。閥球與閥座才有316SS為基材再進(jìn)行硬化處理，通常采用鎳及合金。閥座硬度可達(dá)到洛氏硬度55，閥球硬度可達(dá)到洛氏60以上。做到這些，在抗磨蝕性能上，完全可以適應(yīng)水煤漿工況的需要。

水煤漿是一種懸濁液，在閥門開啟、關(guān)閉的運(yùn)行過(guò)程中，密封性能依靠閥座的背壓彈簧提供的彈性和上游介質(zhì)的壓力去推動(dòng)閥座貼緊閥球。閥座的運(yùn)動(dòng)，勢(shì)必造成煤漿中的灰水會(huì)深入進(jìn)閥座的內(nèi)腔。灰水一旦進(jìn)入閥座內(nèi)腔，就會(huì)變成一潭“死水”，灰質(zhì)會(huì)漸漸沉淀、集聚，時(shí)間長(zhǎng)了，閥座的背壓彈簧便失去了形變的能力，造成閥門卡死的情況發(fā)生。因此，對(duì)于煤漿球閥來(lái)說(shuō)，保持閥座背壓彈簧的活性，是一個(gè)非常關(guān)鍵的技術(shù)點(diǎn)。目前國(guó)外的品牌通常利用其機(jī)加工精度的長(zhǎng)項(xiàng)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，而國(guó)內(nèi)的閥門廠家則通過(guò)給閥座的背壓彈簧增加橡膠制灌注原件來(lái)阻礙灰水進(jìn)入的方式，解決上述問(wèn)題。解決方式雖然不同，但以目前的市場(chǎng)應(yīng)用情況來(lái)說(shuō)，均能實(shí)現(xiàn)其最終目的。

最近，采用圓盤閥來(lái)實(shí)現(xiàn)水煤漿切斷功能的概念正在逐漸形成。只是目前還沒(méi)有顯著地業(yè)績(jī)量來(lái)支撐，且價(jià)格高于球閥，性價(jià)比顯然不如球閥好。

5 鎖渣閥的選用

鎖渣閥的概念，并非煤汽化行業(yè)專有，在多晶硅、石油、化學(xué)、電力、冶金、水泥、制糖、礦山等行業(yè)均有所應(yīng)用。鎖渣閥具有流體阻力小、流量通暢、啟閉快速、易于自動(dòng)化控制的特點(diǎn)。

在德士古的水煤漿工藝中，嚴(yán)格意義上的鎖渣閥，每套汽化爐只有3臺(tái)。其中上鎖渣兩臺(tái)，下鎖渣一臺(tái)。

對(duì)于鎖渣閥而言，要求并不復(fù)雜，一要快速關(guān)斷，二要雙向密封，三要硬化處理。從這3點(diǎn)來(lái)說(shuō)，與煤漿閥并無(wú)二致。但同為鎖渣閥，不同的工藝卻對(duì)閥門有著不同的要求，從這點(diǎn)來(lái)說(shuō)，不同于煤漿閥的“單一”性要求。德士古工藝煤汽化所使用的鎖渣閥，采用雙向密封、硬化處理，開始是借用于其他行業(yè)鎖渣閥的經(jīng)驗(yàn)，尤其是硬化處理這一方面。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)應(yīng)用于煤汽化的鎖渣閥，片面關(guān)注了閥球與閥座的硬度，試圖以“硬碰硬”的方式解決灰渣對(duì)閥門的損傷。因此，早期的鎖渣閥通常采用在閥球、閥座上堆焊碳化鎢的方式。但經(jīng)過(guò)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)并非如此。水煤漿的熔渣，除了硬度高之外，溫度較高，粘性也較大，雖然碳化鎢的硬度很強(qiáng)，但其過(guò)于“脆”，在“硬碰硬”的過(guò)程中，應(yīng)對(duì)擠壓造成的應(yīng)力，往往出現(xiàn)碳化鎢涂層脫落的情況，導(dǎo)致閥門使用壽命縮短。后采用鎳及合金進(jìn)行硬化處理，雖然在硬度方面略遜于碳化鎢，但鎳基合金具有一定的“撓性”，能夠有效地消除擠壓過(guò)程中產(chǎn)生的集中應(yīng)力，使用效果明顯好于采用碳化鎢硬化的方式。所以，目前市場(chǎng)上的用于水煤漿汽化的鎖渣閥，均采用熔焊鎳及合金的硬化處理方式。

6 黑水/灰水工況的閥門選用

黑水和灰水，在煤汽化工藝上是沒(méi)有一個(gè)準(zhǔn)確的定義的，通常來(lái)說(shuō)，從急冷室出來(lái)至高壓閃蒸器，再至低壓閃蒸器的水，因其含有的灰渣量較大，顏色暗黑，稱為黑水。從低壓閃蒸至真空閃蒸，或從真空閃蒸之后出來(lái)的水，灰渣含量明顯下降，則稱為灰水。

水是寶貴的資源，所以黑水和灰水是不可以直接排放的，要進(jìn)行循環(huán)利用。可以參與磨煤?jiǎn)卧蛘咂癄t急冷室的排渣用水。

黑水和灰水里均含有較多的灰渣，對(duì)閥門的沖刷均非常嚴(yán)重，但又有很大區(qū)別。黑水是低壓閃蒸工序之前的水，溫度較高。因此，在沖刷造成的磨蝕的同時(shí)，帶有強(qiáng)烈的閃蒸和汽蝕現(xiàn)象，給閥門的選型造成了更大的困擾。

當(dāng)水或其它處于飽和蒸汽臨界值的液體介質(zhì)，在流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的時(shí)候，流體會(huì)產(chǎn)生壓力變化，導(dǎo)致流體中產(chǎn)生大量的氣泡而造成流速的變化。根據(jù)閥后壓力恢復(fù)的情況，分別產(chǎn)生汽蝕和閃蒸兩種現(xiàn)象。這兩種現(xiàn)象均可以產(chǎn)生噪聲、振動(dòng)及對(duì)金屬表面造成破壞。因此，控制和降低調(diào)節(jié)閥受汽蝕和閃蒸的影響是閥門設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的問(wèn)題之一。

汽蝕和閃蒸有著各自的產(chǎn)生條件。當(dāng)流體經(jīng)過(guò)閥門之后，恢復(fù)壓力低于飽和蒸氣壓時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)閃蒸。因此，閃蒸是一種系統(tǒng)現(xiàn)象。調(diào)節(jié)閥不能夠避免閃蒸的產(chǎn)生，除非系統(tǒng)條件改變，而當(dāng)閥門中接近于飽和蒸氣壓臨界值的液體，下游的恢復(fù)壓力高于飽和蒸氣壓的情況下，因?yàn)殚W蒸原理產(chǎn)生的氣泡在壓力作用下會(huì)發(fā)生破裂，就會(huì)產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象。在汽蝕過(guò)程中飽和氣泡因爆破變回液態(tài)，因而與閃蒸現(xiàn)象不同。

在德士古工藝中，液體水是含有大量灰渣的黑水或者灰水，所以無(wú)論是汽蝕還是閃蒸現(xiàn)象的出現(xiàn)，都會(huì)因?yàn)榛以拇嬖诙鴶?shù)倍增加了閃蒸與汽蝕對(duì)閥門的損害。黑水閥與灰水閥的設(shè)計(jì)過(guò)程中，要充分考慮到這一點(diǎn)。

閃蒸是一種系統(tǒng)現(xiàn)象，所以對(duì)于調(diào)節(jié)閥來(lái)說(shuō)是不能預(yù)防閃蒸的產(chǎn)生的，只能通過(guò)一定的方式方法來(lái)避免閃蒸對(duì)閥門造成損害。例如選擇適合閃蒸工況的閥門結(jié)構(gòu)，選擇能對(duì)抗閃蒸破壞的閥門材質(zhì)等。

因?yàn)殚W蒸的破壞主要來(lái)自于高壓氣泡的出現(xiàn)導(dǎo)致介質(zhì)流速增加而對(duì)閥門形成的沖刷，角閥是應(yīng)付這種工況的一個(gè)極佳的選擇。角閥可以讓閥中的介質(zhì)直接流向閥體內(nèi)部下游管道的中心，所以大大減少了沖擊閥體氣泡數(shù)量，從而減弱了閃蒸的破壞力。

德士古工藝中，出急冷室和高、低壓閃蒸器的閥門，均需采用角閥，并通過(guò)整體碳化鎢的閥芯、閥座設(shè)計(jì)、流道硬化處理、出口配備文丘里結(jié)構(gòu)等方式，可以有效地應(yīng)對(duì)閃蒸和汽蝕工況。

真空閃蒸器出口的灰水，無(wú)論是溫度還是壓力或者是含渣量，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于黑水，一般不會(huì)帶有明顯的閃蒸和汽蝕工況。因此，在調(diào)節(jié)過(guò)程中采用globe或者偏心旋轉(zhuǎn)閥均可，只要在材質(zhì)上考慮足夠的硬度即可。目前，國(guó)內(nèi)廠家以上海大通和航天十一所的偏心旋轉(zhuǎn)閥為代表，國(guó)產(chǎn)的偏旋閥完全可以替代進(jìn)口閥門在德士古工藝中采用。

7 結(jié)束語(yǔ)

汽化單元的閥門選用，首先要了解和熟悉不同工段和不同工況的介質(zhì)特性。其次，因?yàn)閲?guó)內(nèi)煤汽化技術(shù)的日益成熟，有大量的應(yīng)用業(yè)績(jī)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)可以借助參考，這些都是在閥門選型過(guò)程中可以借鑒的依據(jù)。