控制煤化工調節閥

                            上海申弘閥門有限公司

之前介紹三級減壓閥串聯，現在介紹控制煤化工調節閥隨著煤化工項目在全國各地的建設和開車，煤化工在國民經濟中的地位也越來越突出。由于煤化工工藝的特殊性，在生產過程中所使用的各類控制閥關乎著生產的平穩和安全，在煤化工項目中起著至關重要的作用。筆者根據多年的實踐經驗，對煤化工各個裝置區的各類關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，經過化學加工，使煤轉化為氣體、液體、固體燃料以及化學品，并生產出各種化工產品的工業。煤化工包括煤的一次化學加工、二次化學加工和深度化學加工，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。根據生產工藝與產品的不同主要分為煤焦化、煤電石、煤氣化和煤液化4條主要生產鏈。其中，煤焦化、煤電石、煤氣化中的合成氨等屬于傳統煤化工，而煤氣化制醇醚燃料，煤液化、煤氣化制烯烴等則屬于現代新型煤化工領域。目前已成功地開發出對煤種適應性廣、氣化壓力高、生產能力大、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、流體數值模擬和涂層等技術的基礎上，利用改進的調節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對閥門沖蝕的影響因素，提出了煤化工用閥耐沖蝕結構設計方法;開發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、具有自主知識產權的耐沖蝕結構的黑水控制閥、灰水調節閥、煤粉輸送壓力控制閥等系列產品，產品使用壽命由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于進口閥，可*替代進口。項目組申請發明7項、實用新型6項。   在煤化工系統中高壓閃蒸罐、真空閃蒸罐及高閃罐頂分離器等系統設備上的閥門使用工況苛刻，流體介質主要為高溫的黑水、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，并且閥門前后壓差大。在節流口，流體介質混雜著硬質顆粒高速流動，具有強大的動能，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，同時有阻塞流發生，高速流體產生閃蒸或空化。介質在閥腔內的聚泡爆裂過程，會釋放很大的能量，對閥體內部及節流元件等零件產生強力破壞，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。傳統的工藝管線上主要采用進口的結構形式為偏心旋轉調節閥，其結構耐腐蝕、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，而國內產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成本。為此研制開發了文丘里黑水調節閥

 
控制煤化工調節閥據悉，公司生產的煤化工控制閥產品已廣泛應用于神華煤制油、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，現場運行穩定，調節性能優良，獲得了用戶的一致認可，取得2億多元的生產訂單。此前，煤化工用關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，

煤化工現階段的主要產業鏈
    產業鏈1：煤制烯烴
    產業鏈2：煤制油
    產業鏈3：碳一化工（主要是甲醇）下游精細化工產品，以醋酸、甲胺及DMF、BDO、DMAC、DMC為代表
    產業鏈4：傳統的合成氨及焦化

煤化工工藝分類

煤化工閥門應用場合
    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
    3）廢水處理系統
    4）排渣系統

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

上海申弘閥門有限公司生產相關的產品有：減壓閥(氣體減壓閥煤化工行業用閥現狀
    1）煤化工裝置關鍵閥門基本依靠進口，由于進口閥門價格昂貴，使用壽命短，導致頻繁停車，再加上制造廠遠離中國，售后服務不及時，成為煤化工裝置正常運行的“瓶頸”。
    2）以現在的煤化工裝置為例，每運行3-6個月，就需停車檢修。關鍵控制閥沖刷、腐蝕嚴重，不能長周期穩定運行，是制約裝置正常運行的“卡脖子”設備。
一、鍋爐裝置區
煤化工項目的鍋爐給水壓力16Mpa，鍋爐出產的蒸汽基本為9.8Mpa、540℃，大部分用于拖動透平汽輪機，其余部分經過多次減壓后供生產使用。所以鍋爐裝置區，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℃)，對閥體及其內件沖刷極大，閥門選型不當極易產生振動。閥芯結構可用籠式套筒。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。閥門本體材質通常為WC6或CF8M，閥內件材質304或316，閥桿材質可選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。執行機構可選用電動或氣動薄膜式執行機構，考慮到控制安全的需要，要求事故狀態下閥門保持開度。
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基本可以滿足生產要求。對于9.8Mpa減1.0Mpa的閥門目前世界范圍內*還是CCI迷宮式套筒減壓閥，雖然多數廠家也可制造生產此種閥門而且有一定的使用業績，但是關鍵核心技術還在套筒的結構和制造工業。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，但這種結構帶來很大的問題，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。

技術優勢
    1.相對于傳統的表面涂層工藝，研發出高參數控制閥用“WESCO(復相增韌超硬顆粒)”新材料體系，具有更優的基體結合力和耐磨性；

     2.以制約煤氣化爐長時間持續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學模型的建立，為高參數控制閥奠定理論研究基礎；
     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對閥門沖蝕的影響因素、提出高參數控制閥耐沖蝕結構設計方法；
     4.通過沖蝕模擬實驗，實現了適應具體工況條件下基體材料、涂層材料、工藝方法的優化選擇；
     5.研究選擇合理的涂層工藝方法，打破國外的關鍵技術壁壘，實現*的自有技術。
二、空分裝置區
空分裝置區基本為低溫閥、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，材質一般選擇Inconel625或Menel500以上。由于閥體及內件均采用此種特材，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，需要執行機構輸出較大的力量，往往執行機構非常大，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、分子篩純化系統用的三桿閥
根據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，轉動軸*偏離中心，類似一種機械人手臂式的結構。動作時，閥板先沿介質流向反方向移動，使閥板與閥座分開，然后翻轉閥板，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常苛刻，同時又與氣化爐的形式有很大關系。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
煤漿做原料的控制系統，煤漿作為輸送和流量調節設備，閥門起到控制煤漿的循環和切斷。根據煤漿的特點，為球閥，雙向硬密封固定球，內件可選316及以上材質，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較為復雜，而且由于煤粉產生的磨損效果較為嚴重，當然根據9大類閥門的特點，球閥依然是，雙向硬密封固定球，內件可選316及以上材質，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、閥座蝶型彈簧材質上的選擇，建議選擇高速鋼如：SKH-23；3、閥門安裝時應對執行機構安裝支架或吊架避免執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行機構的影響，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行機構的密封的問題。
2、鎖渣閥
與上面煤粉系統選擇的球閥一致，不再重復。

    2 技術參數

    公稱通徑 變徑進口10in（250mm）

             出口28in（700mm）等

    公稱壓力 ANSI900LB

    工作介質 黑水、渣水、灰水等

    流量特性 等百分比

    泄漏等級 ANSIB104IV

    可調比 50

    內件材料 特殊碳化鎢整體燒結

    工作溫度 200-425°C

    3 型式選擇

    煤化工系統原工藝選擇偏心旋轉調節閥，雖然能夠滿足工藝要求，但是偏心旋轉調節閥的結構型式決定其耐沖刷能力差。傳統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，套筒閥將是的閥門，但是由于介質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節閥，既有傳統單座閥的優點，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，設計了特殊種類的文丘里黑水調節閥。

    4 結構性能

    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，并決定著閥門的結構及性能。閥體設計成腰鼓型，并且對閥座和導向套采用了改進后的安裝方式。其優點為①閥體分為上下兩腔，導向套安裝在上下腔隔離面上，從而使導向套大幅下移，解決了高進低出單座閥閥芯的穩定性，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計平衡孔，在導向套上設計平衡槽，不僅達到套筒閥壓力平衡的作用，同時也能使閥芯與導向套實現自清潔，避免閥芯、導向套刮傷和卡塞等問題。③閥體上腔介質不直接流過，僅通過平衡孔對流，不僅介質顆粒減少，而且在靠近上閥蓋與閥體的上腔空間，會形成介質死區，顆粒介質無法流入填料函內，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，并且下腔設有倒流翼，防止渦流對閥芯及內件的沖蝕。

圖1 黑水調節閥

    4.2 閥芯、閥桿、導向套

    閥芯是調節流量的關鍵件，也是沖蝕嚴重的零件之一，對閥芯結構及材料的選擇決定了閥門的性能。而導向套的設計，對閥芯穩定性、調節性及運動性都起決定作用。導向套安裝在上下腔隔離面上，使導向面下移穩定閥芯，克服了傳統文丘里角閥高進低出時的高頻振動、噪聲及調節性能不好問題。在導向套內孔設有凹槽，與隔離面上的孔形成壓力平衡效果。導向套的內孔及暴露在流道區的外圓都經過表面硬化處理，保證內孔的耐磨性能、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象發生。在閥芯上設有螺旋導槽，與導向套的凹槽形成刮刀效應，避免了閥芯與導向套間隙沖入顆粒卡塞和刮傷。同時與隔離面的孔形成流動平衡，帶走槽內顆粒，實現自清潔功能。

    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閥座安裝*不同，其優點是在現場只需將變徑法蘭拆下，即可對閥門進行在線維護。煤化工系統中流體介質對閥芯、閥座及介質出口部位的沖刷和腐蝕特別嚴重，此設計保證了閥門關鍵節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后鑲嵌至不銹鋼基材上，在調節過程中閥芯、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的沖蝕。鑲嵌式結構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孔均采用噴涂碳化鎢，保證了閥座組件的整體性能。

    介質在流經閥座時有阻塞流發生，高速流體產生閃蒸、空化，介質在閥腔內的聚泡爆裂過程，會釋放很大的能量，對閥體內部及節流元件等零件產生強力破壞，形成氣蝕。而文丘里基座的設計，減少了壓力恢復時氣泡的數量，降低了氣蝕破壞，使氣蝕盡可能發生在擴散段內，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、合成及后續其他裝置
甲醇合成及后續其他裝置閥門選型基本遵循了閥門選用的基本要求，根據工藝的特點，需要注意和關注的1、溫度，低溫閥門材料選型注意使用304L或316L；2、腐蝕介質如含硫化氫的，除316L外可高選317L或雙相鋼材質；3、對于含毒性大或有強刺激的介質可選用波紋管密封型式；4、氣體法生產聚丙烯，需要高頻閥門，開關次數多，目前只有少數幾家產品業績較好，選型中需要注意。 文丘里黑水調節閥已成功應用在煤化工工藝系統上，它改變了傳統調節閥閥座與閥體的安裝方式，實現了在線安裝和維修等。與傳統的調節閥理念有著非常大的創新，解決了煤化工系統閥門耐高腐蝕、耐高沖刷和耐高溫的難題，保證了煤化工工藝系統的需要，節約了生產成本。文丘里黑水調節閥在其他苛刻工況領域也將有廣泛的應用前景，并會產生良好的經濟效益和社會效益。
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、偏心旋轉閥9三通閥。根據閥門自身的特點，根據工藝不同的要求和介質的特點進行選擇，優化。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，執行機構、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。本產品相關論文：鋼廠熱臟煤氣蝶閥