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專題專欄
水煤漿氣化裝置閥門設計和選型
作者:CCIIN 來源:煤化工信息網 瀏覽次數:603次 更新時間:2019-08-22

  水煤漿氣化技術是世界上較先進的氣流床煤氣化技術之一,將為中國煤化工行業煤炭液化、整體煤氣化聯循環發電(IGCC)、煤基多聯產技術的發展提供關鍵技術,將大大推動中國煤化工技術的發展,推進相關產業的技術進步,在生產操作控制過程中,控制閥起著十分重要的作用,針對氣化高溫、高壓、易燃易爆、反應劇烈、爐渣沖刷等特殊工況,選擇合適的、高質量的氧氣、煤漿、爐渣控制閥門用于生產操作、聯鎖控制過程中,達到安全、穩定控制溫度、壓力、流量工藝操作條件。

        氣化爐內的燃燒壓力4.0~6.3MPa,溫度1100~1300℃,是一個高溫高壓燃燒罐,是高度危險的裝置,一旦發生意外事故,后果不堪設想,所以它的安全可靠是靠前位;其次,為維護正常的燃燒狀態,要求噴入的水煤漿流量和混入的氧氣流量必須匹配,否則有可能煤粉燃燒不完全或產生無用氣體,氧氣過量時有可能發生爆炸,因此要求自控系統的控制精度高、穩定性好;第三,氣化爐是連續工作的裝置,必須有相當長的使用周期。由于氣化爐裝置以上特點,相應地對它的附屬設備和相關控制儀表業提出了很多技術要求,控制閥直接控制生產介質,必須具有特殊結構適合氣化工況使用,對幾個典型的控制閥介紹如下。

        1、氧氣切斷閥和氧氣流量控制閥

        氣化爐內高壓高速地燃燒,大量的氧氣進入,為保證正常的燃燒狀態,確保氣化爐的安全,必須嚴格調節控制氧氣的流量,快速無泄漏的地切斷氧氣,由于對調節和切斷2個功能的要求都很高,所以通常用3個控制閥來完成,即氧氣流量控制閥、氧氣切斷閥、氧氣放空閥,統稱氧氣閥。與一般工業過程控制閥相比,對氣化爐用氧氣閥有幾個特殊要求:

        高壓差:氧氣切斷閥的關閉壓差較高,達5.0~7.0MPa,如此高的壓差條件下同時要求其泄漏等級達到VI級,一般控制閥室很難達到的,只有用O形切斷閥。由于高壓差作用,球體承受的側向推力,大大減小球體表面與閥座之間的摩擦力矩。氧氣流量控制閥主要是準確地調節流量,要求它具有良好的流量特性;其次是關閉時的切斷性能,泄漏等級為VI級,所以一般選用套筒型控制閥。

        材料:高壓氧氣在閥內高速流動,可能與零件發生摩擦,產生熱量,如碰到碳鋼制造;應用鎳基合金(Inconel 合金)或超低碳的奧氏體不銹鋼(如316L,304L),結合現場工況的差異,閥體材質選用MONEL材質,閥芯、閥座材質選用MONEL400/ALLY6號材質,為避免閥桿長期處于一個開度不變而垢死,閥桿選用K500材質。

        工藝要求:凡接觸氧氣的零件必須除水、除油,確保干凈清潔。因高壓氧氣在閥內流速為20~30m/s,若碰到毛刺、凹槽、凸肩等發生高速摩擦,因此流道內壁和閥內件的幾何形狀應圓滑過渡,表面光滑,所以在設計、加工、裝配、試驗、運輸等環節,都制定嚴格的工藝規程,確保達到預定技術要求。因此,氧氣閥的特殊要求在于材料和加工。

        由于高壓氧氣的易爆特性,氧氣閥本身是一個易爆的危險裝置;為確保安全,在選用氧氣閥的公稱壓力時要提高2個壓力等級,如氣化爐的壓力為6.3MPa,那么閥門的公稱壓力要求選PN160(ANSIClass900)。

        2、煤漿切斷閥和煤漿灰水控制閥

        水煤漿是液相和固體粉末二相的混合介質,在閥芯與閥座之間形成的環形節流口形很高的流速。它面臨著3個問題,煤漿在閥門的節流口達到相當高的流速,由于煤漿有一定硬度,因此其沖蝕的破壞力很大;

        煤漿也會淤積、堵塞閥腔,所以要求閥內流道通暢無死角;煤漿很細,能滲入閥芯導向間隙,可能導致閥芯卡死。

        煤漿有一定的附著粘結力,在閥芯閥座的密封面上形成積垢,影響閥門全關時的泄露等級,所以要求控制閥能自動清除這些積垢。

        所以對灰水閥也有3個特殊要求:耐沖蝕、防堵塞、自清洗。灰水幾乎沒有腐蝕性,所以閥體、閥蓋可用碳鋼材料,閥芯、閥座等基本材料用一般的奧氏體不銹鋼,其表面熱敷一層耐沖蝕的硬質合金即可;灰水形成的積垢,其附著力小于結焦層,所以不必配用大力矩的執行機構。

        根據以上情況,灰水控制閥一般選用耐沖蝕型偏心旋轉控制閥,這種閥的閥體內腔近似一個圓筒,通暢無死角,煤灰無法在其中囤積。其閥芯作旋轉運動,在二側的導套間隙中,灰渣很難滲入內部,即使形成積垢,因附著力不強,閥芯旋轉時容易被擠碎;另外,閥芯關閉時,當它碰到閥座密封面后,由于結構的原因、閥芯與閥座有一個相對運動,能把密封面上的積垢磨碎掉,所以有自清洗功能。選用這種控制閥還有一個重要原因,它體積小、質量輕,安裝方便;同口徑的閥,其質量只有角形控制閥的三分之一左右,加上閥體、閥蓋等零件可用碳鋼,價格也便宜很多。由于氣化爐中煤漿燃燒速率與其他系統的反應速率有關,還與供氧、冷卻等相關,為保持穩定的燃燒狀態,它不斷地調節煤漿的流量,因此要求相當高的調節精度,通常選用等百分比流量特性。

        3、鎖渣閥

?        鎖渣閥工藝介質為渣水,含渣量20%,有腐蝕性、揮發性;沖洗水閥介質為灰水;動作頻率每小時開關4次。選用球閥,閥體采用碳鋼加流道堆焊Stellite(斯特立)合金;閥桿應采用防噴桿結構設計,材質1Cr13鍛件,鍍Ni,P;閥球采用固定球,密封面及流道口堆焊Stillite合金,閥球唇口堆焊斯特立合金厚度不低于12mm,球整體噴涂或堆焊硬質合金;閥座為316堆焊Stellite合金,堆焊層加工后不小于1mm,閥座后彈簧材質為Inconel750,閥座后須有防砂結構,防止灰渣進入彈簧后造成彈簧失靈,閥腔有自動卸壓功能,當閥門關閉后,閥腔內壓力高于關閉壓力時,能自動卸壓至壓力低的一側。填料采用柔性石墨(帶潤滑)。硬度要求為閥坐HRC52-54,閥球HRC58-62。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;采用雙缸雙作用電液執行機構,力矩大,安全性高,帶有力矩保護功能,閥桿也不會被扭斷或變形。鎖渣閥選用雙向硬密封球閥、閥球與閥座硬化處理、三段式固定球結構,浮動閥座,確保了氣化定時排渣、安全聯鎖運行。

        4、合成氣蝶閥

        氣化爐出口合成氣流量大,動作快,泄漏等級要求高,因此使用蝶閥進行流量控制,執行機構選用帶故障位置的電液執行機構,力矩大,震動小,正常使用壽命可達100萬次;閥體、閥板、閥軸同心結構設計,100%雙向氣VI級密封;無支架外型結構緊湊,質量輕,體積小。采用無銷連接,維護簡單易行;無靠背設計保證了閥門安裝完畢后不增加扭矩。蝶閥為進口高性能噴涂板,比普通板更加耐磨,壽命更長,流量特性優良。

        結合使用經驗選用三偏心蝶閥,三偏心蝶閥結構特征為在雙偏心的閥桿軸心位置偏心的同時使蝶板密封面的圓錐型軸線偏斜于本體圓柱軸線,經過第三次偏心后蝶板的密封斷面不再是圓,而是橢圓,其密封面形狀也因此而不對稱,一邊傾斜于本體中心線,另一邊則平行于本體中心線。第三次偏心的較大特點就是從根本上改變了密封構造、不再是位置密封。而是扭力密封、即不是依靠閥座的彈性變形,而是完全用閥座的接觸面壓來達到密封效果,因此一舉解決了金屬閥座泄漏這一難題,并因接觸面壓與介質壓力是成正比的、耐高壓高溫也迎刃而接。

        5、黑水調節閥

        氣化爐燃燒生成的原料氣和煤灰從下部分別排出,經噴淋水冷卻后,大部分煤灰沉入鎖斗后被排出;但冷卻水中仍含有相當多的煤灰,所以從氣化爐排出的冷卻水俗稱黑水,它經控制閥調節后進入下一道工藝,一般加熱到250℃左右,此時煤粉中很多化學成分開始分解并與水發生化學反應,形成多種腐蝕性極強的物質,因此控制閥的閥體、閥蓋和與熱煤漿接觸的所有零件必須采用抗腐蝕材料,特別是閥體、閥蓋,不能用一般的奧氏體不銹鋼,而是用鐵素體-奧氏體雙相結晶的不銹鋼,它不僅有極強的耐腐蝕性,而且它的機械強度比奧氏體不銹鋼高出一倍以上。 根據這項技術特性要求,在眾多的結構型式中,角形控制閥比較符合要求,單座結構的角形控制閥其閥芯用頂部導向結構,閥芯柄與導套之間有一定的間隙,雖然它處于主流束的上方,但是黑水不可避免地要滲入導向的間隙中,一旦停車,就在間隙中形成結焦薄膜層,有很強的附著力;當再啟動時,往往閥芯被卡死。為防止卡死,在閥芯的導向段設計鏟除結構,而且鏟下的結焦粉末能通過逃逸槽自行排出,就是說這種控制閥同樣具有自清洗能力。因鏟除結焦需要很大的推力,因此經常配用大推力的電液執行機構,其推力遠遠大于普通的氣動或電動執行機構,推力可大于150kN。

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