关于水煤浆气化工艺过程中的特殊调节阀

    1　概述

    煤气化是煤炭清洁高效转化的核心技术，是生产甲醇、化肥及发展煤基液体燃料合成、制氢等过程工业的基础。近年来，德士古、壳牌煤气化在中国广泛应用，尤其是德士古水煤浆加压气化工艺（简称TCGP），是美国德士古石油公司（TEXACO）在重油气化的基础上发展起来的，后经各国生产厂家及研究单位逐步完善，于20世纪80年代投入工业化生产，成为具有代表性的第二代煤气化技术。

    气化单元属于典型的化工反应，主要原料为氧气和水煤浆。主要设备是气化炉，关键仪表的选择，直接决定气化单元的正常生产和安全运行。气化单元中，所有进口调节阀的投资占了设备费用的20%。气化单元运行得好坏，调节阀起到了关键的作用。

    2　工艺流程介绍

    图1为气化炉结构示意图。煤、蒸汽在气化炉内进行部分氧化反应，制取原料气，原料气经过激冷、洗涤除去炭黑后送往CO变换工序。气化过程产生的炭黑水送往炭黑回收工序，灰水大部分回收循环使用，少部分经污水处理工序送往生化池处理后集中排放。水煤浆气化流程如图2所示。

图1　气化炉结构

图2　水煤浆气化流程

    3　特殊阀门

    气化单元的主要阀门有：气化炉锁渣阀和黑水阀，氧气阀门，水煤浆切断阀，黑水/灰水阀，气化炉烧嘴冷却水切断阀，锁渣阀和冲洗水阀，气化炉高压氧气管线切断阀，合成气切断阀等，下面对这些阀门逐一进行说明。

    3.1　气化炉锁渣阀和冲水阀

    气化炉锁渣阀和冲水阀布置如图3所示。

图3　锁渣阀和冲水阀布置

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    3.1.1　阀门概况

    锁渣阀和冲水阀是气化装置最重要的阀门。每台气化炉有3台锁渣阀：气化炉下部渣口与锁渣罐相连的管道上有2台（上面1台常开，以备下面的锁渣阀故障时使用）；锁渣罐排放口1台。每台气化炉侧面各有1台冲水阀。

    锁渣阀和冲水阀参与排渣程序控制，须经受高温、高压和灰渣的直接磨蚀，开关次数频繁，要求在高压差情况下，双向严密密封，对阀门结构和材质要求很高。为节省能量，还设置黑水循环系统，其工艺条件和锁渣阀基本类似。但是由于开关次数少和差压变化小，在硬化处理上的要求不如锁渣阀严格。

    3.1.2　工艺介质条件

    煤气化后排放煤渣时，阀门所通过流体内含有一定渣量的热水，固体含量大约为20%。渣水混合物中渣的粒度和分布：粒度3～5cm的渣体占渣水体积的1%，粒度1～2cm的渣体占渣水体积的5%。粒度1cm的渣体占渣水体积的10%，粒度0.5～0.9cm的渣体占渣水体积的20%，粒度小于0.5cm的渣体占渣水体积的64%，最大极限粒度50mm。

    3.1.3　锁渣阀和冲水阀技术要求

    锁渣阀和冲水阀为双向旋转全截面开关球阀，轴球一体，球芯与球杆一体化结构。

    气化炉渣收集在充水的锁渣罐中，通过顺序控制定期隔离和排空，控制阀按一定的频率全开和全关，过程具有化学，机械等强腐蚀和磨蚀。

    锁渣罐入口阀常开，出口阀和冲洗水入口阀常闭，锁渣罐入口和出口阀的取向是垂直方向，冲水阀为水平取向。

    阀门应提供能顺利排渣的设计，最小105次循环操作。阀门要求正向和反向双向密封，在下游压力为大气压下的最大差压。在排渣程序中，上锁渣阀应能耐受阀后压力变化的冲击。

    阀门为高温锁渣阀结构，阀体和内件体的金属和保护涂层应考虑在冲击、腐蚀和磨蚀下有最好的可用性。对铸造、锻造和加工的阀体，在操作状态下，碳钢阀体和阀盖的整个金属层留有一定的腐蚀裕度。

    锁渣阀球体为耐高温和热冲击设计，高压球基采用不锈钢316L。球体表面堆焊NICKELBORON（>1mm），或高温等离子喷涂硬化处理，表面处理层应附着牢固，使用过程中不能脱落。球体通道亦为高温锁渣结构，阀体流道堆焊不锈钢层。阀球唇口处必须堆焊硬质合金。阀门内部流路设计要适合于磨蚀状态。

    阀座为抗固体颗粒设计，阀座基材采用316L。表面处理层应附着牢固，不能脱落，具有防渣堵塞弹簧结构，不宜采用多圈弹簧的结构形式。密封弹簧不易被灰渣堵塞，并易于清洗，而且密封弹簧和阀门转轴/轴承区里应避免有颗粒物堵塞，需要考虑波纹管密封甚至更好的密封方法，不接受使用冲水结构。

    球阀必须有阀腔自动卸压功能，当阀门关闭后，阀腔内压力高于关闭压力时，能自动卸压至压力低的一侧。要求考虑阀杆设计强度：当球体被某种原因卡死时，气源压力升至0.7MPa（G），阀杆不会被扭断或变形。阀门填料应为适合于规定的最大压力和温度，填料盒应有一个外部可调装置，以便在运行期间可以调整。阀铸件必须经过固溶及消除应力的处理，螺栓、螺母必须是锻件，材料
不低于316L材质。

    3.2　氧气调节阀和切断阀

    3.2.1　氧气阀门的分布

    煤气化装置氧气管线阀门包括氧气总管流量调节阀，至每台气化炉氧气支管流量调节阀、支管氧气联锁双重切断阀、支管氧气放空阀和氧气放空管线调节阀，这些阀门直接安装在氧气管线上。另外，高压氮气吹扫阀、高压氮气缓冲阀、中心管道氮吹阀和氧气管道相连。还有水煤浆管道和氧气管道上的氮气吹扫阀。

    氧气切断阀及相关高压氮切断阀受气化炉安全联锁系统的控制，在开车时，通过开车程序打开或关闭相关切断阀。停车或故障时，自动切断进气化炉氧气管线，并放空，然后用高压氮气吹扫和保护氧气管线。氧气管线阀门布置如图4所示。

图4　氧气管线阀门布置

    3.2.2　氧气管线调节阀和切断阀技术要求

    软密封氧气阀门要符合防火标准API 2607最新版本的要求；氧气阀门要求采用整体法兰，所有阀门具RJ密封面法兰；运输和安装时阀门作禁油处理，并在阀门明显处用蓝色标记标明：禁油；所有的球阀必须是全通径、双向金属密封，为了减少安全隐患，氧气流速控制在较低的值，而且流向不能经常急速变化。氧气流速限制应参照压缩气体协会手册（CGA）G24.4（最新版），GEMS 211D6和IGC Doc13/02/E氧气管道系统的规定；所有与氧气接触的部件包括氧气阀门阀体至少采用316L材质，阀杆、阀芯及阀座材质应为INCONELL。具体规定不应低于工艺包要求；所有阀门必须满足TA2LUFT的外泄漏标准。

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    3.3　合成气出口切断阀和调节阀

    采用三偏心金属密封调节蝶阀控制洗涤塔去变换单元的合成气流量，这些阀门关系到气化装置工艺气正常输送以及变换单元的正常生产；气化装置洗涤塔顶部合成气去火炬系统，采用三偏心金属密封切断蝶阀，这些阀门关系到气化装置开停车以及装置正常运行时系统压力的稳定。具体布置如图5所示。

图5　水洗塔关键阀门示意

    水洗塔出口合成气有2个分支，一个分支是在开停车时，合成气放空到火炬，以及系统正常运行时，保证压力稳定，在此分支设计1台三偏心切断蝶阀；另一个分支是开车后将合成气送到下游的变换装置，在此分支中，设计1台三偏心调节阀（带切断功能），以调节合成气压力，并根据需要切断下游系统。它是手动阀，但受联锁系统控制，作隔离切断用。

    合成气中含有分散的固体颗粒。阀门内件应按照固体颗粒小于6mm设计并选择，内件上的孔最小为6mm，以防止分散的固体颗粒堵塞阀门入口通道。另外，合成气中含有湿的H2S，阀门、内件和所有与物料接触的部分应遵照NACEMR0175选用。

    阀门型式为三偏心高压金属密封蝶阀，阀体材料316L；阀门采用整体法兰，以方便拆除和维修；阀门泄漏量级别相应于美国ANSI B16.104的Class Ⅴ级，不能低于Ⅳ级，仅在正向满足密封要求；阀门阀芯阀座材质应为316SS喷涂足够厚度的镀层（斯泰来，Ni2Bo等），并保证镀层不会脱落；阀门所有流道包括阀门唇口应做喷涂硬化处理，并保证镀层不会脱落；阀门设计的超压范围大于其最大工作压力的150%；调节阀的可调比一般不小于50∶1。

    3.4　合成气压力调节阀技术规格

    在开车和停车（故障紧急停车或计划停车）时，气化炉压力由调节阀自动调节，调节阀位于水洗塔顶合成气出口去放空火炬的管线上。图5中，水洗塔关键阀门的操作压力和温度高，排放气体中含有较多炭或灰渣颗粒，开车时通过它调节气化炉压力，在达到全负荷时通过调节阀的气体流速很高，高速气流的气蚀和灰渣颗粒的磨蚀很厉害，操作正常后向变换工段送气时，阀门由几乎全开到慢慢关
闭，两端压差逐渐加大，全关时达到最高压差，即洗涤塔操作压力，此时要求不能泄漏，所以阀门有较严格的技术要求。

    压力调节阀的技术要求如下：洗涤塔压力调节是根据设计条件中规定的流速决定流通能力的。一般来说，要求的最大流通能力应该能够满足排放整个装置所产合成气量的50%。关于阀门的最小流通能力，是根据工艺包中规定的正常操作/设计条件的50%，作为合成气阀门开启的最小流量。启动后，整个系统的压力立即升高，是因为合成气在通过95%～100%全开的阀时，遇到了阻碍。此压力是稳定洗涤塔压力，通常是0.7～1.4MPa。

    当气化炉停车时，无论是自动还是手动，压力阀门应该通过压力调节器关闭。然后操作者会缓慢对气化炉降压，因此要求压力阀再打开，以平衡不同的差压。

    当下游装置准备接收合成气时，压力调节阀应该克服差压，缓慢关闭。洗涤塔压力切断阀也同时关闭。

    该阀门要求具有减噪的阀芯。开孔不应小于6mm，以避免在阀刚刚开启时，造成堵塞。阀门应具有一体的法兰，便于移动和维修。

    管道的敷设和阀门的安装，应该考虑到防止洗涤塔合成气的蒸汽冷凝。如果出现冷凝现象会使控制阀被灰粉堵塞。该阀选用硬密封凸轮挠曲阀，或抗冲刷的单座套筒低噪音阀，气化炉压力调节阀阀芯阀座材质应为硬化处理不锈钢，阀门泄漏量级别不低于相应于美国ANSI B16.104的Class Ⅳ级。调节阀执行机构按照工艺包计算，应采用气缸活塞式执行机构。

    该阀虽然属于调节阀，在后续开车阶段，由开到关，稳定后，基本上处于全关状态。用一般调节阀的正常和最大开度概念，无法选择。于是，在和管道保持一致口径的基础上，选择了最大开度CV值的调节阀门。

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    3.5　黑水调节阀

    气化装置中，气化炉底到气化高温热水器设置1台黑水液位调节阀，洗涤塔底部到高温热水器设置2台黑水调节阀，黑水调节阀门布置如图6所示。

    这些调节阀工作温度较高，压降大，灰渣含量也最高，应能够耐受通过阀门压力降引起的高流速，还要耐受闪蒸溶解气的气蚀、水的汽化和煤灰颗粒引起的腐蚀及磨蚀。尤其是在第一级闪蒸，黑水从高压经过闪蒸阀直接降到中低压，由于闪蒸出大量工艺蒸汽，物料流过闪蒸阀节流元件的速度非常高，导致磨损会比较严重。过去的做法是将第一级闪蒸阀分解为两个串连的减压调节阀，这样把每一台阀的前后压差降低50%，经过每台阀闪蒸出来的工艺蒸汽量相应减小，闪蒸阀磨损的情况得到较大改观。黑水调节阀推荐为角阀，阀芯阀座材质要求用硬质合金（WC）堆焊或更好的金属硬化工艺，为防止闪蒸对阀门造成的破坏，出口配套锥形管。

图6　黑水调节阀布置

    气化装置阀门选择是石油化工装置安全生产、降低恶性事故的保障，是一个热门研究课题。通常在装置中，设计的阀门应该满足工艺过程的操作需求，这是控制方案得以成立的必须条件。

    4　结束语

    要实现水煤浆气化生产装置过程自动化，在设计过程中，不仅要考虑合理的控制方案，也要选择正确的执行方法。根据工况条件及工艺数据，正确地选择现场仪表，要做到这一点，不仅要遵循各种标准、规范等指导性文件，还要参考类似装置中的选型状况，项目具体的经济运行状况，以往装置中的使用经验。作为控制系统，现场仪表是不可分割的一部分。经过实践证明，这些阀门能够满足极高的循环频率、次数，符合严格的金属密封等级要求，能够克服大量颗粒介质造成极度磨损，而且还能克服高压差，严重冲刷，防止排渣过程温差变化大阀门抱死。为气化装置的安、稳、长、满、优操作提供了保障。

    参考文献

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    [3]　许令奇.德士古煤气化技术改造中的几个思路[J].中氮肥，2003，（3）：20-21
    [4]　陆德民，张振基，黄步余.石油化工自动控制设计手册[M].3版.北京：化学工业出版社，2000：208-244