控制煤化工調(diào)節(jié)閥

                            上海申弘閥門有限公司

之前介紹三級減壓閥串聯(lián)，現(xiàn)在介紹控制煤化工調(diào)節(jié)閥隨著煤化工項目在全國各地的建設(shè)和開車，煤化工在國民經(jīng)濟中的地位也越來越突出。由于煤化工工藝的特殊性，在生產(chǎn)過程中所使用的各類控制閥關(guān)乎著生產(chǎn)的平穩(wěn)和安全，在煤化工項目中起著至關(guān)重要的作用。筆者根據(jù)多年的實踐經(jīng)驗，對煤化工各個裝置區(qū)的各類關(guān)鍵控制閥進行闡述和剖析，以供大家交流借鑒。煤化工是以煤為原料，經(jīng)過化學(xué)加工，使煤轉(zhuǎn)化為氣體、液體、固體燃料以及化學(xué)品，并生產(chǎn)出各種化工產(chǎn)品的工業(yè)。煤化工包括煤的一次化學(xué)加工、二次化學(xué)加工和深度化學(xué)加工，煤的焦化、氣化、液化，煤的合成氣化工、焦油化工和電石乙炔化工等等。根據(jù)生產(chǎn)工藝與產(chǎn)品的不同主要分為煤焦化、煤電石、煤氣化和煤液化4條主要生產(chǎn)鏈。其中，煤焦化、煤電石、煤氣化中的合成氨等屬于傳統(tǒng)煤化工，而煤氣化制醇醚燃料，煤液化、煤氣化制烯烴等則屬于現(xiàn)代新型煤化工領(lǐng)域。目前已成功地開發(fā)出對煤種適應(yīng)性廣、氣化壓力高、生產(chǎn)能力大、氣化效率高、污染少的新一代煤氣化工藝，主要有荷蘭殼牌（Shell）的粉煤氣化工藝、德國克魯伯-考柏斯（Krupp-Koppers）的Prenflo工藝，美國德士古（Texaco）和Destec的水煤漿氣化工藝以及德國黑水泵的GSP工藝等。引進*的熱噴涂、流體數(shù)值模擬和涂層等技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用改進的調(diào)節(jié)閥流體沖蝕分析軟件，分析了煤化工高溫、高壓差、含固體顆粒工況介質(zhì)對閥門沖蝕的影響因素，提出了煤化工用閥耐沖蝕結(jié)構(gòu)設(shè)計方法;開發(fā)出滿足煤化工用閥要求的噴涂材料以及噴涂、堆焊等涂層工藝;成功研制出滿足煤化工工況要求、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的耐沖蝕結(jié)構(gòu)的黑水控制閥、灰水調(diào)節(jié)閥、煤粉輸送壓力控制閥等系列產(chǎn)品，產(chǎn)品使用壽命由900小時左右提高到8000小時以上，在抗沖刷、抗耐磨等性能上均優(yōu)于進口閥，可*替代進口。項目組申請發(fā)明7項、實用新型6項。   在煤化工系統(tǒng)中高壓閃蒸罐、真空閃蒸罐及高閃罐頂分離器等系統(tǒng)設(shè)備上的閥門使用工況苛刻，流體介質(zhì)主要為高溫的黑水、渣水及灰水。黑水、渣水及灰水含有氯離子、氨、鉀鹽、硫化氫或磷酸等強腐蝕介質(zhì)，并且閥門前后壓差大。在節(jié)流口，流體介質(zhì)混雜著硬質(zhì)顆粒高速流動，具有*的動能，閥門的閥芯或閥座等表面很快被沖出流線形的細槽，形成侵蝕，同時有阻塞流發(fā)生，高速流體產(chǎn)生閃蒸或空化。介質(zhì)在閥腔內(nèi)的聚泡爆裂過程，會釋放很大的能量，對閥體內(nèi)部及節(jié)流元件等零件產(chǎn)生強力破壞，形成氣蝕。對于閥門性能要求必須達到耐高腐蝕、耐高沖刷和耐高溫度的要求。傳統(tǒng)的工藝管線上主要采用進口的結(jié)構(gòu)形式為偏心旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)閥，其結(jié)構(gòu)耐腐蝕、耐高溫性能好，但是耐沖刷性能差。其閥芯、閥座及閥體流道等噴涂碳化鎢處理，其壽命約為3個月，而國內(nèi)產(chǎn)品僅僅使用半個月左右。受此影響，裝置運行需要頻繁地更換閥門，既浪費工時又加大了生產(chǎn)成本。為此研制開發(fā)了文丘里黑水調(diào)節(jié)閥

 
控制煤化工調(diào)節(jié)閥據(jù)悉，公司生產(chǎn)的煤化工控制閥產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于神華煤制油、神華包頭煤制烯烴、神華寧煤煤制烯烴、齊魯石化等國家重大煤化工項目，現(xiàn)場運行穩(wěn)定，調(diào)節(jié)性能優(yōu)良，獲得了用戶的一致認可，取得2億多元的生產(chǎn)訂單。此前，煤化工用關(guān)鍵控制閥使用的進口閥門價格昂貴、使用壽命短且頻繁停車，維修成本也十分高昂。在國家科技合作專項計劃支持下，

煤化工現(xiàn)階段的主要產(chǎn)業(yè)鏈
    產(chǎn)業(yè)鏈1：煤制烯烴
    產(chǎn)業(yè)鏈2：煤制油
    產(chǎn)業(yè)鏈3：碳一化工（主要是甲醇）下游精細化工產(chǎn)品，以醋酸、甲胺及DMF、BDO、DMAC、DMC為代表
    產(chǎn)業(yè)鏈4：傳統(tǒng)的合成氨及焦化

煤化工工藝分類

煤化工閥門應(yīng)用場合
    1）煤漿（粉）輸送，包括水煤漿（間接液化）、油煤漿（直接液化）等
    2）吹灰系統(tǒng)
    3）廢水處理系統(tǒng)
    4）排渣系統(tǒng)

煤化工行業(yè)閥門控制介質(zhì)特點
    1）介質(zhì)溫度高，輸送溫度高可達350℃
    2）氣液固三相流體工況復(fù)雜
    3）工作壓力高，壓差可達10Mpa以上，導(dǎo)致介質(zhì)流速高
    4）介質(zhì)中含有氯離子、氨、鉀鹽、硫化氫或磷酸等強腐蝕介質(zhì)

上海申弘閥門有限公司生產(chǎn)相關(guān)的產(chǎn)品有：減壓閥(氣體減壓閥煤化工行業(yè)用閥現(xiàn)狀
    1）煤化工裝置關(guān)鍵閥門基本依靠進口，由于進口閥門價格昂貴，使用壽命短，導(dǎo)致頻繁停車，再加上制造廠遠離中國，售后服務(wù)不及時，成為煤化工裝置正常運行的“瓶頸”。
    2）以現(xiàn)在的煤化工裝置為例，每運行3-6個月，就需停車檢修。關(guān)鍵控制閥沖刷、腐蝕嚴重，不能長周期穩(wěn)定運行，是制約裝置正常運行的“卡脖子”設(shè)備。
一、鍋爐裝置區(qū)
煤化工項目的鍋爐給水壓力16Mpa，鍋爐出產(chǎn)的蒸汽基本為9.8Mpa、540℃，大部分用于拖動透平汽輪機，其余部分經(jīng)過多次減壓后供生產(chǎn)使用。所以鍋爐裝置區(qū)，給水控制閥和蒸汽減壓閥非常重要，而且造價*。
1、鍋爐給水閥
用于的控制汽包液位，給水壓力高(16Mpa)溫度高(220℃)，對閥體及其內(nèi)件沖刷極大，閥門選型不當極易產(chǎn)生振動。閥芯結(jié)構(gòu)可用籠式套筒。閥芯與閥桿連接形式要求焊接，不采用螺紋、銷釘和螺栓被帽的形式，避免在高壓沖蝕下閥桿與閥芯脫落。閥門本體材質(zhì)通常為WC6或CF8M，閥內(nèi)件材質(zhì)304或316，閥桿材質(zhì)可選304、17-4PH(馬氏體不銹鋼，強度*)如選用304，要求有1.5-2倍強度余量。執(zhí)行機構(gòu)可選用電動或氣動薄膜式執(zhí)行機構(gòu)，考慮到控制安全的需要，要求事故狀態(tài)下閥門保持開度。
2、鍋爐給水泵小回流閥
鍋爐給水泵往往為10級以上的多級泵，進出口壓差極大，為了保證給水泵的安全運行，小回流閥是給水泵重要的安全控制附件。由于壓差高達16Mpa，溫度220℃，對閥本體和內(nèi)件沖蝕極大，控制難度也較大，加之價格較高。許多地方往往采用帶定位器的套筒控制閥代替，通過定位器控制難度大，往往伴隨著振動和沖蝕，使用壽命較短。真正的小回流閥為自力式閥門，閥芯須經(jīng)噴涂碳化鎢處理，閥芯和閥體可堆焊司太立合金。
3、蒸汽減壓閥
這里重點介紹9.8Mpa減1.0Mpa的閥門，其他等級的減壓閥國內(nèi)基本可以滿足生產(chǎn)要求。對于9.8Mpa減1.0Mpa的閥門目前世界范圍內(nèi)*還是CCI迷宮式套筒減壓閥，雖然多數(shù)廠家也可制造生產(chǎn)此種閥門而且有一定的使用業(yè)績，但是關(guān)鍵核心技術(shù)還在套筒的結(jié)構(gòu)和制造工業(yè)。CCI采用的迷宮式減壓套筒，此部件目前還是CCI計算和制造的。但是閥桿和閥塞的連接還要避免通過銷釘和螺紋，是整體或焊接方式。注意的是，其他進口品牌，往往可能在閥門進口或出口增加整流或降噪孔板，其實也是起到減壓作用，但這種結(jié)構(gòu)帶來很大的問題，通常此種閥門基本通過焊接方式與管道連接，一旦孔板破損對于整個系統(tǒng)帶來的問題都是致命的，而且在低負荷下，孔板的減壓降噪效果下降極快，基本起不到正常作用。這也是使用選型中需要注意的。

技術(shù)優(yōu)勢
    1.相對于傳統(tǒng)的表面涂層工藝，研發(fā)出高參數(shù)控制閥用“WESCO(復(fù)相增韌超硬顆粒)”新材料體系，具有更優(yōu)的基體結(jié)合力和耐磨性；

     2.以制約煤氣化爐長時間持續(xù)運行的三相流閃蒸黑水作為研究對象，進行計算流體動力數(shù)學(xué)模型的建立，為高參數(shù)控制閥奠定理論研究基礎(chǔ)；
     3.利用CFD流體分析軟件分析針對煤化工高溫、高壓差、含固體顆粒工況介質(zhì)對閥門沖蝕的影響因素、提出高參數(shù)控制閥耐沖蝕結(jié)構(gòu)設(shè)計方法；
     4.通過沖蝕模擬實驗，實現(xiàn)了適應(yīng)具體工況條件下基體材料、涂層材料、工藝方法的優(yōu)化選擇；
     5.研究選擇合理的涂層工藝方法，打破國外的關(guān)鍵技術(shù)壁壘，實現(xiàn)*的自有技術(shù)。
二、空分裝置區(qū)
空分裝置區(qū)基本為低溫閥、氧閥和分子篩再生閥門(機組的閥門單獨說明)
1、低溫閥門
目前低溫閥較為成熟，基本國內(nèi)外均可制造，如福斯、Fisher、山武、koso等，此種閥門填料和閥桿加長處理。閥體及閥內(nèi)件材料以316為主。
2、氧氣放空閥
作為空分裝置氧氣超壓后緊急放空，特點是壓差大，動作速度快，放空量大(取決于氣化的設(shè)計負荷)。由于氧氣的特點，對于一般有色金屬。原則上線速度不超過25米/秒(與氧氣純度和壓力都有關(guān)系，這里取一個通常值)。所以對于高壓差下的氧氣放空閥，材質(zhì)一般選擇Inconel625或Menel500以上。由于閥體及內(nèi)件均采用此種特材，成本非常高。閥門類型可以為：Globe閥、套筒閥和球閥，通常不采用球閥(除了用于切斷作用的閥門)當然主要是價格因素。同時Globe閥、套筒閥也有很好的使用效果。由于壓差較大，在閥門開啟與閉合時，需要執(zhí)行機構(gòu)輸出較大的力量，往往執(zhí)行機構(gòu)非常大，閥桿也很粗，動作時間較長。這里介紹一種平衡式閥芯，可以克服大壓差下閥門控制。
3、分子篩純化系統(tǒng)用的三桿閥
根據(jù)分子篩再生的工藝特點：管道通常較粗(一般直徑在900mm以上。大的到1500mm)，再生頻次高，介質(zhì)較為清潔、壓力和溫度適中。對閥門要求零泄漏，可單項密封。對于這樣大口徑管道，通常選用蝶閥，對于泄露的要求，可選用三偏心蝶閥。三桿閥就是一種特殊三偏心形式的蝶閥，轉(zhuǎn)動軸*偏離中心，類似一種機械人手臂式的結(jié)構(gòu)。動作時，閥板先沿介質(zhì)流向反方向移動，使閥板與閥座分開，然后翻轉(zhuǎn)閥板，克服了閥板與閥座的摩擦。典型的閥門是歐賓諾斯的三桿閥，閥門具有防火功能，高溫下，閥座軟密封破壞后，其閥座與閥板形成第二道密封，保證氣體不泄露。
三、氣化裝置
氣化裝置為復(fù)雜，也是煤化工的核心裝置，此裝置使用的閥門種類繁多而且要求非?？量?，同時又與氣化爐的形式有很大關(guān)系。目前氣化爐有德士古、GSP及四噴嘴水煤漿爐。
1、煤漿及煤粉系統(tǒng)
煤漿做原料的控制系統(tǒng)，煤漿作為輸送和流量調(diào)節(jié)設(shè)備，閥門起到控制煤漿的循環(huán)和切斷。根據(jù)煤漿的特點，為球閥，雙向硬密封固定球，內(nèi)件可選316及以上材質(zhì)，可做滲氮及堆焊司太立合金進行硬化處理；
煤粉做原料的控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，而且由于煤粉產(chǎn)生的磨損效果較為嚴重，當然根據(jù)9大類閥門的特點，球閥依然是，雙向硬密封固定球，內(nèi)件可選316及以上材質(zhì)，可做滲氮、堆焊司太立合金進行硬化處理甚至噴涂碳化鎢。這里要強調(diào)幾點：1、閥門的軸承選擇上，盡量保證軸承密封效果，避免煤粉進入軸承對其造成磨損加速閥門損壞2、閥座蝶型彈簧材質(zhì)上的選擇，建議選擇高速鋼如：SKH-23；3、閥門安裝時應(yīng)對執(zhí)行機構(gòu)安裝支架或吊架避免執(zhí)行太重對閥桿及軸承的影響。這三點注意同樣適用于氣化鎖渣閥，而且選型情況與鎖渣閥基本一樣。這里兩種閥型供參考，可能效果會更好。1、軌道球閥，也就是所謂彈性球球閥。需要注意的就是軌道球閥需要考慮物料對軸承和閥桿及執(zhí)行機構(gòu)的影響，這里在密封上需要進行處理；2、盤閥，聽說有一定的使用業(yè)績，并且效果也不錯，但選擇需要選擇雙向密封，同樣需要考慮對閥桿及執(zhí)行機構(gòu)的密封的問題。
2、鎖渣閥
與上面煤粉系統(tǒng)選擇的球閥一致，不再重復(fù)。

    2 技術(shù)參數(shù)

    公稱通徑 變徑進口10in（250mm）

             出口28in（700mm）等

    公稱壓力 ANSI900LB

    工作介質(zhì) 黑水、渣水、灰水等

    流量特性 等百分比

    泄漏等級 ANSIB104IV

    可調(diào)比 50

    內(nèi)件材料 特殊碳化鎢整體燒結(jié)

    工作溫度 200-425°C

    3 型式選擇

    煤化工系統(tǒng)原工藝選擇偏心旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)閥，雖然能夠滿足工藝要求，但是偏心旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)型式?jīng)Q定其耐沖刷能力差。傳統(tǒng)的單座閥門允許前后壓差小，無法滿足壓差要求。如果是清潔介質(zhì)，套筒閥將是的閥門，但是由于介質(zhì)含有大量固體顆粒的原因無法使用。終確定特殊種類的單座角式調(diào)節(jié)閥，既有傳統(tǒng)單座閥的優(yōu)點，又有套筒閥的耐壓差大和能量沖擊消耗的特點，并且是有清潔作用的高進低出閥門，設(shè)計了特殊種類的文丘里黑水調(diào)節(jié)閥。

    4 結(jié)構(gòu)性能

    4.1 閥體

    閥體不僅是閥門主要承壓件，也是所有零件連接安裝的核心零件，并決定著閥門的結(jié)構(gòu)及性能。閥體設(shè)計成腰鼓型，并且對閥座和導(dǎo)向套采用了改進后的安裝方式。其優(yōu)點為①閥體分為上下兩腔，導(dǎo)向套安裝在上下腔隔離面上，從而使導(dǎo)向套大幅下移，解決了高進低出單座閥閥芯的穩(wěn)定性，避免高頻振動的噪聲及提高了閥芯的壽命。②在上下兩腔的隔離面上設(shè)計平衡孔，在導(dǎo)向套上設(shè)計平衡槽，不僅達到套筒閥壓力平衡的作用，同時也能使閥芯與導(dǎo)向套實現(xiàn)自清潔，避免閥芯、導(dǎo)向套刮傷和卡塞等問題。③閥體上腔介質(zhì)不直接流過，僅通過平衡孔對流，不僅介質(zhì)顆粒減少，而且在靠近上閥蓋與閥體的上腔空間，會形成介質(zhì)死區(qū)，顆粒介質(zhì)無法流入填料函內(nèi)，從而保證閥門無外泄漏，避免閥桿與填料在相對運動時刮傷的問題。④閥體下腔為流道，為防止沖蝕，流道表面噴涂碳化鎢，并且下腔設(shè)有倒流翼，防止渦流對閥芯及內(nèi)件的沖蝕。

圖1 黑水調(diào)節(jié)閥

    4.2 閥芯、閥桿、導(dǎo)向套

    閥芯是調(diào)節(jié)流量的關(guān)鍵件，也是沖蝕嚴重的零件之一，對閥芯結(jié)構(gòu)及材料的選擇決定了閥門的性能。而導(dǎo)向套的設(shè)計，對閥芯穩(wěn)定性、調(diào)節(jié)性及運動性都起決定作用。導(dǎo)向套安裝在上下腔隔離面上，使導(dǎo)向面下移穩(wěn)定閥芯，克服了傳統(tǒng)文丘里角閥高進低出時的高頻振動、噪聲及調(diào)節(jié)性能不好問題。在導(dǎo)向套內(nèi)孔設(shè)有凹槽，與隔離面上的孔形成壓力平衡效果。導(dǎo)向套的內(nèi)孔及暴露在流道區(qū)的外圓都經(jīng)過表面硬化處理，保證內(nèi)孔的耐磨性能、外圓的抗沖蝕性能。

    閥芯采用特殊碳化鎢整體燒結(jié)成型（硬度≥89HRA），具有一定的抗沖擊性能和良好的抗腐蝕性能。閥芯與閥桿連接，既保留了閥芯高硬度、高耐磨和抗腐蝕的特性，又使閥芯組件具有了相當韌性，杜絕了閥芯組件脆裂現(xiàn)象發(fā)生。在閥芯上設(shè)有螺旋導(dǎo)槽，與導(dǎo)向套的凹槽形成刮刀效應(yīng)，避免了閥芯與導(dǎo)向套間隙沖入顆?？ㄈ凸蝹Ｍ瑫r與隔離面的孔形成流動平衡，帶走槽內(nèi)顆粒，實現(xiàn)自清潔功能。

    4.3 閥座、文丘里基座、變徑法蘭

    閥座、文丘里基座由閥體與變徑法蘭通過螺紋夾緊連接，從而組成閥座部件。閥座的安裝位置與傳統(tǒng)閥座安裝*不同，其優(yōu)點是在現(xiàn)場只需將變徑法蘭拆下，即可對閥門進行在線維護。煤化工系統(tǒng)中流體介質(zhì)對閥芯、閥座及介質(zhì)出口部位的沖刷和腐蝕特別嚴重，此設(shè)計保證了閥門關(guān)鍵節(jié)流易損件的方便更換，降低用戶的運營成本。閥座及文丘里基座直孔段采用特殊碳化鎢整體燒結(jié)后鑲嵌至不銹鋼基材上，在調(diào)節(jié)過程中閥芯、閥座承受的沖蝕大，所以通過采用整體特殊碳化鎢合金材料來抵御介質(zhì)的沖蝕。鑲嵌式結(jié)構(gòu)保證了閥座既有很高的硬度，又有很強的韌性。裸露的流道部分及文丘里管擴散段內(nèi)孔均采用噴涂碳化鎢，保證了閥座組件的整體性能。

    介質(zhì)在流經(jīng)閥座時有阻塞流發(fā)生，高速流體產(chǎn)生閃蒸、空化，介質(zhì)在閥腔內(nèi)的聚泡爆裂過程，會釋放很大的能量，對閥體內(nèi)部及節(jié)流元件等零件產(chǎn)生強力破壞，形成氣蝕。而文丘里基座的設(shè)計，減少了壓力恢復(fù)時氣泡的數(shù)量，降低了氣蝕破壞，使氣蝕盡可能發(fā)生在擴散段內(nèi)，從而保證下游管壁不被破壞，降低下游管件因氣蝕造成的安全隱患。

   
四、合成及后續(xù)其他裝置
甲醇合成及后續(xù)其他裝置閥門選型基本遵循了閥門選用的基本要求，根據(jù)工藝的特點，需要注意和關(guān)注的1、溫度，低溫閥門材料選型注意使用304L或316L；2、腐蝕介質(zhì)如含硫化氫的，除316L外可高選317L或雙相鋼材質(zhì)；3、對于含毒性大或有強刺激的介質(zhì)可選用波紋管密封型式；4、氣體法生產(chǎn)聚丙烯，需要高頻閥門，開關(guān)次數(shù)多，目前只有少數(shù)幾家產(chǎn)品業(yè)績較好，選型中需要注意。 文丘里黑水調(diào)節(jié)閥已成功應(yīng)用在煤化工工藝系統(tǒng)上，它改變了傳統(tǒng)調(diào)節(jié)閥閥座與閥體的安裝方式，實現(xiàn)了在線安裝和維修等。與傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)閥理念有著非常大的創(chuàng)新，解決了煤化工系統(tǒng)閥門耐高腐蝕、耐高沖刷和耐高溫的難題，保證了煤化工工藝系統(tǒng)的需要，節(jié)約了生產(chǎn)成本。文丘里黑水調(diào)節(jié)閥在其他苛刻工況領(lǐng)域也將有廣泛的應(yīng)用前景，并會產(chǎn)生良好的經(jīng)濟效益和社會效益。
綜述，目前閥門基本分為九大類：1、單座閥2、雙座閥3、角閥4、隔膜閥5、球閥6、蝶閥7、套筒閥8、偏心旋轉(zhuǎn)閥9三通閥。根據(jù)閥門自身的特點，根據(jù)工藝不同的要求和介質(zhì)的特點進行選擇，優(yōu)化。當然還有許多閥門屬于從九大類中衍生出來的，如插板閥和盤閥屬于蝶閥類，旋塞閥屬于球閥類，換向閥屬于三通閥門類等。在閥門選型上，除了注意閥門的類型和材料外，閥門附件同樣非常重要，執(zhí)行機構(gòu)、定位器和空氣減壓原件、閥位反饋原件等，由于篇幅的問題不再一一敘述。本產(chǎn)品相關(guān)論文：鋼廠熱臟煤氣蝶閥