1　概述

   煤氣化是煤炭清潔高效轉(zhuǎn)化的核心技術(shù)，是甲醇、化肥和煤基液體燃料合成和制氫工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。近年來，德士古和殼牌煤氣化在中國(guó)得到了廣泛的應(yīng)用，特別是德士古水煤漿加壓氣化工藝（以下簡(jiǎn)稱TCGP），德士古石油公司（TEXACO）在重油氣化的基礎(chǔ)上，經(jīng)過各國(guó)廠商和研究單位的逐步完善，于20世紀(jì)80年代投入工業(yè)化生產(chǎn)，成為具有代表性的第二代煤氣化技術(shù)。

   氣化單元是典型的化學(xué)反應(yīng)，主要原料是氧氣和水煤漿。主要設(shè)備為氣化爐，直接決定氣化單元的正常生產(chǎn)和安全運(yùn)行。在氣化單元中，所有進(jìn)口調(diào)節(jié)閥的投資占設(shè)備成本的20%。調(diào)節(jié)閥在氣化單元運(yùn)行中起著關(guān)鍵作用。

   2　工藝流程介紹

   圖1為氣化爐結(jié)構(gòu)示意圖。煤和蒸汽在氣化爐中進(jìn)行部分氧化反應(yīng)，制備原料氣。原料氣經(jīng)過冷卻和清洗后送至炭黑CO改變過程。氣化過程產(chǎn)生的炭黑水送至炭黑回收過程，大部分灰水回收利用，少部分污水處理過程送至生化池集中排放。水煤漿氣化過程如圖2所示。

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圖1　氣化爐結(jié)構(gòu)

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圖2　水煤漿氣化流程

   3　特殊閥門

   氣化單元的主要閥門有:氣化爐鎖渣閥和黑水閥、氧氣閥、水煤漿切割閥、黑水/灰水閥、氣化爐燒嘴冷卻水切割閥、鎖渣閥和沖洗水閥、氣化爐高壓氧氣管切割閥、合成氣切割閥等。

   3.1　氣化爐鎖渣閥和沖水閥

   如圖3所示。

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圖3　鎖渣閥和沖水閥布置

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   3.1.1　閥門概況

   鎖渣閥和沖水閥是氣化裝置最重要的閥門。每臺(tái)氣化爐有3臺(tái)鎖渣閥：氣化爐下部渣口與鎖渣罐相連的管道上有2臺(tái)（上面1臺(tái)常開，以備下面的鎖渣閥故障時(shí)使用）；鎖渣罐排放口1臺(tái)。每臺(tái)氣化爐側(cè)面各有1臺(tái)沖水閥。

   鎖渣閥和沖水閥參與排渣過程控制，必須經(jīng)過高溫、高壓和灰渣的直接磨損。開關(guān)頻繁，要求在高壓差下雙向密封，閥門結(jié)構(gòu)和材料要求高。為了節(jié)約能源，還設(shè)置了黑水循環(huán)系統(tǒng)，其工藝條件與鎖渣閥基本相似。但由于開關(guān)次數(shù)少，差壓變化小，硬化處理要求不如鎖渣閥嚴(yán)格。

   3.1.2　工藝介質(zhì)條件

   煤氣化后排放渣時(shí)，閥門通過流體含有一定渣量的熱水，固體含量約為20%。渣水混合物中渣的粒度和分布:粒度為3~5cm渣體占渣水體積的1%，粒度為1~2cm渣體占渣水體積的5%。cm的渣體占渣水體積的10%，粒度0.5～0.9cm渣水占渣水體積的20%，粒度小于0.5cm渣體占渣水體積的64%，最大粒度為50%mm。

   3.1.3　鎖渣閥和沖水閥技術(shù)要求

   鎖渣閥和沖水閥是雙向旋轉(zhuǎn)全截面開關(guān)球閥，集軸球、球芯和球桿于一體。

   氣化爐渣收集在充水鎖渣罐中，定期隔離排空，控制閥按一定頻率全開全關(guān)，化學(xué)、機(jī)械腐蝕強(qiáng)。

   鎖渣罐入口閥經(jīng)常打開，出口閥和沖洗水入口閥經(jīng)常關(guān)閉，鎖渣罐入口和出口閥垂直，沖洗閥水平。

   閥門應(yīng)提供能夠順利排渣的設(shè)計(jì)，至少循環(huán)105次。閥門需要正向和反向雙向密封，下游壓力是大氣壓下的最大壓差。在排渣過程中，上鎖渣閥應(yīng)能夠承受閥后壓力變化的影響。

   閥門為高溫鎖渣閥結(jié)構(gòu)，在沖擊、腐蝕內(nèi)部部件的金屬和保護(hù)涂層在沖擊、腐蝕和磨損下的最佳可用性。碳鋼閥體和閥蓋的整個(gè)金屬層在鑄造、鍛造和加工閥體的運(yùn)行狀態(tài)下具有一定的腐蝕裕度。

   鎖渣閥球體采用耐高溫和熱沖擊設(shè)計(jì)，高壓球基采用不銹鋼316L。堆焊球體表面NICKELBORON（>1mm），或高溫等離子噴涂硬化處理，表面處理層應(yīng)牢固附著，使用過程中不得脫落。球體通道也是高溫鎖渣結(jié)構(gòu)，閥體通道焊接不銹鋼層。硬合金必須堆放在閥球的嘴唇上。閥門內(nèi)部流路設(shè)計(jì)應(yīng)適用于磨損狀態(tài)。

   閥座為抗固體顆粒設(shè)計(jì)，閥座基材為316L。表面處理層應(yīng)附著牢固，不得脫落，具有防渣堵塞彈簧結(jié)構(gòu)，不得采用多圈彈簧結(jié)構(gòu)形式。密封彈簧不易被灰渣堵塞，易于清洗，密封彈簧和閥軸/軸承區(qū)應(yīng)避免顆粒堵塞，需要考慮波紋管密封甚至更好的密封方法，不接受沖洗結(jié)構(gòu)的使用。

   球閥必須具有閥腔自動(dòng)卸壓功能。當(dāng)閥門關(guān)閉時(shí)，當(dāng)閥腔內(nèi)壓力高于關(guān)閉壓力時(shí)，可自動(dòng)卸壓至低壓側(cè)。考慮閥桿的設(shè)計(jì)強(qiáng)度：當(dāng)球因某種原因卡住時(shí)，氣源壓力升至0.7MPa（G），閥桿不會(huì)斷裂或變形。閥門填料應(yīng)適用于規(guī)定的最大壓力和溫度。填料箱應(yīng)配備外部可調(diào)裝置，以便在運(yùn)行過程中進(jìn)行調(diào)整。閥鑄件必須固體溶解并消除應(yīng)力。螺栓和螺母必須是鍛件和材料
不低于316L材質(zhì)。

   3.2　氧氣調(diào)節(jié)閥和切斷閥

   3.2.1　氧氣閥門的分布

   氣化裝置氧氣管道閥包括氧氣總管流量調(diào)節(jié)閥，直接安裝在氧氣管道上，直接安裝在各氣化爐氧氣支管流量調(diào)節(jié)閥、支管氧氣聯(lián)鎖雙切斷閥、支管氧氣排氣閥和氧氣排氣管道調(diào)節(jié)閥上。此外，高壓氮?dú)獯祾唛y、高壓氮?dú)饩彌_閥、中央管道氮?dú)獯祾唛y和氧氣管道相連。水煤漿管道和氧氣管道上還有氮?dú)獯祾唛y。

   由氣化爐安全聯(lián)鎖系統(tǒng)控制的氧氣切斷閥和相關(guān)高壓氮?dú)馇袛嚅y，通過駕駛程序打開或關(guān)閉相關(guān)切斷閥。停車或故障時(shí)，自動(dòng)切斷進(jìn)氣化爐氧氣管道，清空，然后用高壓氮?dú)馇逑春捅Ｗo(hù)氧氣管道。氧氣管道閥門布置如圖4所示。

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圖4　氧氣管線閥門布置

   3.2.2　氧氣管線調(diào)節(jié)閥和切斷閥技術(shù)要求

   軟密封氧氣閥應(yīng)符合防火標(biāo)準(zhǔn)API 2607最新版本要求；氧氣閥需要整體法蘭，所有閥門都有RJ密封面法蘭；閥門在運(yùn)輸和安裝過程中進(jìn)行禁油處理，閥門明顯用藍(lán)色標(biāo)記：禁油；所有球閥必須全直徑和雙向金屬密封。為減少安全風(fēng)險(xiǎn)，氧氣流量控制在較低值，流量不能經(jīng)?？焖僮兓?。氧氣流量限制應(yīng)參照壓縮氣體協(xié)會(huì)手冊(cè)（CGA）G24.(最新版)，GEMS 211D6和IGC Doc13/02/E氧氣管道系統(tǒng)的規(guī)定；所有與氧氣接觸的部件，包括至少316個(gè)氧氣閥閥體L閥桿、閥芯、閥座的材料應(yīng)為INCONELL。具體規(guī)定不得低于工藝包要求；所有閥門必須滿足要求；TA2LUFT泄漏標(biāo)準(zhǔn)。

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   3.3　合成氣出口切斷閥和調(diào)節(jié)閥

   三偏心金屬密封調(diào)節(jié)蝶閥控制洗滌塔改變單元的合成氣流，與氣化裝置工藝氣體的正常輸送和改變單元的正常生產(chǎn)有關(guān)；氣化裝置洗滌塔頂部的合成氣去火炬系統(tǒng)，三偏心金屬密封切斷蝶閥，與氣化裝置的開啟和停止以及裝置正常運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)壓力的穩(wěn)定性有關(guān)。具體布局如圖5所示。

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圖5　水洗塔關(guān)鍵閥門示意

   水洗塔出口合成氣有兩個(gè)分支，一個(gè)分支是開停車時(shí)將合成氣排空到火炬，系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)保證壓力穩(wěn)定。在這個(gè)分支中，設(shè)計(jì)了一個(gè)三偏心切斷蝶閥；另一個(gè)分支是開車后將合成氣送到下游的變換裝置。在這個(gè)分支中，設(shè)計(jì)了一個(gè)三偏心調(diào)節(jié)閥(具有切斷功能)來調(diào)節(jié)合成氣壓力，并根據(jù)需要切斷下游系統(tǒng)。它是手動(dòng)閥，但由聯(lián)鎖系統(tǒng)控制，用于隔離和切斷。

   合成氣體含有分散的固體顆粒。閥門內(nèi)部應(yīng)小于6個(gè)固體顆粒mm內(nèi)件上的孔最小為6mm，防止分散的固體顆粒堵塞閥門入口通道。此外，合成氣中含有濕氣H2S，與材料接觸的閥門、內(nèi)部和所有部件應(yīng)遵守NACEMR0175選用。

   閥門型式為三偏心高壓金屬密封蝶閥，閥體材料316L；閥門采用整體法蘭，便于拆卸和維護(hù)；閥門泄漏水平與美國(guó)相對(duì)應(yīng)ANSI B16.104的Class Ⅴ等級(jí)，不能低于Ⅳ等級(jí)，僅正向滿足密封要求；閥芯閥座材料為316SS噴涂足夠厚度的涂層(斯泰來，Ni2Bo等)，并確保涂層不會(huì)脫落；所有閥門通道，包括閥門嘴唇，都應(yīng)噴涂硬化，以確保涂層不會(huì)脫落；閥門設(shè)計(jì)的超壓范圍大于其最大工作壓力的150%；調(diào)節(jié)閥的可調(diào)比一般不小于50∶1。

   3.4　合成氣壓力調(diào)節(jié)閥技術(shù)規(guī)格

   在駕駛和停車（故障緊急停車或計(jì)劃停車）時(shí)，氣化爐的壓力由調(diào)節(jié)閥自動(dòng)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)閥位于水洗塔頂部合成氣出口排空火炬的管道上。圖5中，水洗塔關(guān)鍵閥的工作壓力和溫度較高，排放氣體含有更多的碳或灰渣顆粒。當(dāng)氣化爐壓力通過其調(diào)節(jié)時(shí)，調(diào)節(jié)閥的氣體流量非常高，高速氣流的氣體腐蝕和灰渣顆粒的磨損非常嚴(yán)重。正常運(yùn)行后，閥門從幾乎完全開到慢慢關(guān)閉
關(guān)閉，兩端壓差逐漸增大，全關(guān)達(dá)到最大壓差，即洗滌塔操作壓力，此時(shí)要求不能泄漏，因此閥門有嚴(yán)格的技術(shù)要求。

   壓力調(diào)節(jié)閥的技術(shù)要求如下：洗滌塔的壓力調(diào)節(jié)是根據(jù)設(shè)計(jì)條件中規(guī)定的流來確定流通能力是的。一般來說，所需的最大循環(huán)能力應(yīng)能夠滿足整個(gè)裝置產(chǎn)生的合成氣體排放量的50%。閥門的最小循環(huán)能力是根據(jù)工藝包中規(guī)定的正常操作/設(shè)計(jì)條件的50%，作為合成氣閥的最小流量。啟動(dòng)后，由于合成氣通過95%~100%的閥門，整個(gè)系統(tǒng)的壓力立即上升。這種壓力是穩(wěn)定的洗滌塔壓力，通常是0.7～1.4MPa。

   當(dāng)氣化爐停止時(shí)，壓力閥應(yīng)通過壓力調(diào)節(jié)器關(guān)閉，無論是自動(dòng)還是手動(dòng)。然后操作人員緩慢降低氣化爐的壓力，因此需要打開壓力閥以平衡不同的壓差。

   當(dāng)下游裝置準(zhǔn)備接收合成氣時(shí)，壓力調(diào)節(jié)閥應(yīng)克服差壓，緩慢關(guān)閉。洗滌塔壓力切斷閥也同時(shí)關(guān)閉。

   閥門需要減噪閥芯。開口不得小于6mm，避免閥門剛打開時(shí)堵塞。閥門應(yīng)有一個(gè)集成的法蘭，便于移動(dòng)和維護(hù)。

   管道敷設(shè)和閥門安裝應(yīng)考慮防止洗滌塔合成氣體的蒸汽冷凝。如果發(fā)生冷凝，控制閥將被灰粉堵塞。閥門采用硬密封凸輪撓度閥或抗沖刷單座套筒低噪聲閥。氣化爐壓力調(diào)節(jié)閥芯閥座材料為硬化不銹鋼，閥門泄漏水平不低于美國(guó)ANSI B16.104的Class Ⅳ等級(jí)。調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)按工藝包計(jì)算，采用氣缸活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

   雖然閥門屬于調(diào)節(jié)閥，但在后續(xù)駕駛階段，從開到關(guān)，穩(wěn)定后，基本處于全關(guān)狀態(tài)。無法選擇一般調(diào)節(jié)閥的正常和最大開度概念。因此，在與管道保持一致直徑的基礎(chǔ)上，選擇最大開度CV值的調(diào)節(jié)閥。

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   3.5　黑水調(diào)節(jié)閥

   在氣化裝置中，從氣化爐底部到氣化高溫?zé)崴髟O(shè)置1個(gè)黑水液位調(diào)節(jié)閥，從洗滌塔底部到高溫?zé)崴髟O(shè)置2個(gè)黑水調(diào)節(jié)閥，如圖6所示。

   這些調(diào)節(jié)閥工作溫度高，壓降大，灰渣含量最高。它們應(yīng)能夠承受閥門壓降引起的高流速，以及閃蒸溶解氣的氣蝕、水的蒸發(fā)和煤灰顆粒引起的腐蝕和磨損。特別是在第一級(jí)閃蒸中，黑水直接從高壓通過閃蒸閥降至中低壓。由于閃蒸產(chǎn)生大量的工藝蒸汽，材料流過閃蒸閥的節(jié)流元件的速度非常高，導(dǎo)致磨損嚴(yán)重。過去，第一級(jí)閃蒸閥被分解為兩個(gè)連續(xù)的減壓調(diào)節(jié)閥，從而將每個(gè)閥門的前后壓差降低50%。每個(gè)閥門閃蒸后的工藝蒸汽量相應(yīng)降低，閃蒸閥的磨損情況發(fā)生了很大變化。黑水調(diào)節(jié)閥推薦為角閥，閥芯閥座材料要求硬合金（WC）堆焊或更好的金屬硬化工藝，出口配有錐形管，以防止閃蒸損壞閥門。

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圖6　黑水調(diào)節(jié)閥布置

   氣化裝置閥門選擇是石油化工裝置安全生產(chǎn)、降低惡性事故的保障，是一個(gè)熱門研究課題。通常在裝置中，設(shè)計(jì)的閥門應(yīng)該滿足工藝過程的操作需求，這是控制方案得以成立的必須條件。

   4　結(jié)束語

   為了實(shí)現(xiàn)水煤漿氣化生產(chǎn)裝置的自動(dòng)化，在設(shè)計(jì)過程中，不僅要考慮合理的控制方案，還要選擇正確的實(shí)施方法。根據(jù)工作條件和工藝數(shù)據(jù)，正確選擇現(xiàn)場(chǎng)儀器，不僅要遵循各種標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范等指導(dǎo)文件，還要參考類似設(shè)備的選擇、項(xiàng)目的具體經(jīng)濟(jì)運(yùn)行條件和以往設(shè)備的使用經(jīng)驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)儀器作為控制系統(tǒng)，是不可分割的一部分。實(shí)踐證明，這些閥門可以滿足高循環(huán)頻率、頻率、嚴(yán)格的金屬密封等級(jí)要求，克服大量顆粒介質(zhì)造成的極度磨損，也可以克服高壓差，嚴(yán)重清洗，防止?fàn)t渣排放過程中溫差變化。保證氣化裝置的安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)、滿、優(yōu)良操作。

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