黑水調(diào)節(jié)閥選型與計(jì)算的探討

　　黑水調(diào)節(jié)閥是水煤漿氣化工藝關(guān)鍵閥門之一，其介質(zhì)具有很強(qiáng)的腐蝕性，且含有硬質(zhì)固體顆粒，由于閥門前后壓差大，將導(dǎo)致閃蒸現(xiàn)象發(fā)生，閥后出現(xiàn)高速的汽液固三相流體。若黑水調(diào)節(jié)閥的選型或計(jì)算不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致閥門不能滿足工藝過程的要求，將對(duì)氣化裝置的穩(wěn)定運(yùn)行造成影響。簡(jiǎn)要介紹了水煤漿氣化工藝黑水調(diào)節(jié)閥的應(yīng)用工況、選型、計(jì)算及其他特殊要求，以期為同類裝置提供一些參考。

　　水煤漿氣化工藝具有技術(shù)成熟、流程簡(jiǎn)單、過程控制安全可靠、原料適應(yīng)性強(qiáng)、碳轉(zhuǎn)化率高、粗合成氣質(zhì)量好、環(huán)保性能好、裝置建設(shè)投資低、建設(shè)周期短等特點(diǎn)。近年來，煤化工產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，水煤漿氣化工藝在煤制氫、煤制甲醇、煤制烯烴、煤制合成氨等工程中得到了廣泛應(yīng)用。氣化裝置通常為上游裝置或關(guān)鍵的工藝裝置，當(dāng)氣化裝置停車時(shí)，將導(dǎo)致下游裝置或與之配套的生產(chǎn)裝置中斷生產(chǎn)，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，氣化裝置的長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。根據(jù)多家企業(yè)的水煤漿氣化裝置運(yùn)行情況，除了耐火磚、工藝燒嘴等關(guān)鍵設(shè)備外，關(guān)鍵閥門也是影響氣化裝置長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素，特別是黑水調(diào)節(jié)閥。筆者將基于某項(xiàng)目中的水煤漿氣化工藝對(duì)黑水調(diào)節(jié)閥的選型與計(jì)算作一探討。

1、工藝流程簡(jiǎn)介

　　水煤漿氣化工藝中的氣化爐和洗滌塔在生產(chǎn)過程中將產(chǎn)生黑水，需要通過黑水閃蒸系統(tǒng)對(duì)黑水進(jìn)行處理，解析黑水中的酸性組分、回收熱量并提濃黑水，工藝流程如圖1所示。

圖1 黑水閃蒸系統(tǒng)流程示意

　　來自氣化爐和洗滌塔的黑水分別經(jīng)調(diào)節(jié)閥LV-01和FV-01減壓后進(jìn)入高壓閃蒸罐，閃蒸出的水汽以及大部分溶解的酸性氣組分經(jīng)冷卻、分離后送至下游單元進(jìn)一步處理。高壓閃蒸罐底的黑水經(jīng)調(diào)節(jié)閥LV-02減壓后進(jìn)入低壓閃蒸罐，閃蒸出的氣相進(jìn)入除氧器作為汽提用汽。低壓閃蒸罐底部的黑水經(jīng)調(diào)節(jié)閥LV-03減壓后進(jìn)入1號(hào)真空閃蒸罐，1號(hào)真空閃蒸罐底部的黑水經(jīng)調(diào)節(jié)閥LV-04減壓后進(jìn)入2號(hào)真空閃蒸罐。1號(hào)和2號(hào)真空閃蒸罐閃蒸出的水汽和氣相組分經(jīng)冷卻、分離后由真空泵系統(tǒng)排放。2號(hào)真空閃蒸罐底部的黑水經(jīng)沉降槽給料泵送至后續(xù)單元。

2、工況分析

　　以上工藝流程中采用了四級(jí)黑水閃蒸系統(tǒng)，共有5臺(tái)調(diào)節(jié)閥用于黑水減壓，該5臺(tái)調(diào)節(jié)閥通常稱為黑水調(diào)節(jié)閥。黑水中含有H2S，Cl等強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)，同時(shí)還含有氣化反應(yīng)產(chǎn)生的硬質(zhì)固體顆粒，固體顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最多能達(dá)到4%。黑水中的固體顆粒易發(fā)生沉積，且極易發(fā)生結(jié)垢現(xiàn)象，堵塞閥門流道和工藝管道。

　　根據(jù)節(jié)流原理，流體在節(jié)流時(shí)流速增加而靜壓降低，在節(jié)流處后流束截面并不立即擴(kuò)大，而繼續(xù)縮小到某最小值，此處流速最大且靜壓最低，稱為縮流斷面�？s流斷面后隨著流通截面的擴(kuò)大，流體流速減慢，靜壓回升，稱為壓力恢復(fù)，而閥門入口壓力p1和出口壓力p2差p1-p2=Δp為不可恢復(fù)的壓力損失。縮流斷面處的壓力pvc為節(jié)流過程中最低的靜壓，如果該處的流速增加到足夠高，那么pvc將會(huì)降低到不大于閥門入口溫度下的流體飽和蒸汽壓pv，此時(shí)部分液體就會(huì)氣化成氣體或蒸汽，形成氣泡。流體流出節(jié)流區(qū)后，壓力回升，若壓力回升不超過入口溫度下的流體飽和蒸汽壓(p2≤pv)，如圖2所示，那么流體還將繼續(xù)汽化，在閥門出口形成汽液共存的現(xiàn)象，即兩相流，這種現(xiàn)象稱為閃蒸。

圖2 閃蒸工況調(diào)節(jié)閥的壓力變化趨勢(shì)

　　在黑水閃蒸系統(tǒng)中，黑水調(diào)節(jié)閥的主要作用是對(duì)閥門入口的黑水介質(zhì)進(jìn)行減壓，且黑水調(diào)節(jié)閥需承受較大的壓差。經(jīng)過減壓，黑水調(diào)節(jié)閥的出口壓力p2低于入口溫度下的介質(zhì)飽和蒸汽壓pv，形成閃蒸。通過黑水調(diào)節(jié)閥的閃蒸，解析黑水中的酸性組分、回收熱量并提濃黑水。正是由于發(fā)生了閃蒸現(xiàn)象，閥后部分黑水汽化成水蒸氣，閥后的流體體積急劇膨脹，較閥前的體積流量增加了數(shù)十倍甚至數(shù)百倍，形成了高速流動(dòng)的汽液固三相流。黑水液滴、硬質(zhì)固體顆粒高速?zèng)_刷閥內(nèi)件和閥后管道管件，對(duì)閥內(nèi)件和閥后管道管件造成嚴(yán)重的沖刷磨蝕破壞，同時(shí)產(chǎn)生噪音和劇烈的震動(dòng)。

3、閥門選型

　　通常在工程設(shè)計(jì)中遇到閃蒸工況，應(yīng)首選消除閃蒸�；�于工藝流程和管道布置的需要，黑水調(diào)節(jié)閥的閥前和閥后壓力無法調(diào)整，不能實(shí)現(xiàn)p2>pv。如果采用串聯(lián)調(diào)節(jié)閥或者在閥后增加限流孔板，可以提升上游調(diào)節(jié)閥的閥后壓力，消除上游調(diào)節(jié)閥的閃蒸，但是下游調(diào)節(jié)閥和下游限流孔板的閃蒸依然無法消除，這兩種方法只是轉(zhuǎn)移了閃蒸發(fā)生的位置;而且，根據(jù)工況分析，黑水調(diào)節(jié)閥并非單純的閃蒸，伴隨著壓力的降低，黑水中已溶解氣體的解析不可避免，下游調(diào)節(jié)閥和下游限流孔板的入口也將出現(xiàn)汽、液、固三相流，工況仍然十分惡劣，同時(shí)串聯(lián)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能也受到局限。因此，不推薦采用串聯(lián)的方法，建議仍由單個(gè)閥門實(shí)現(xiàn)減壓調(diào)節(jié)。

　　黑水調(diào)節(jié)閥的工況具有高壓差、閃蒸、入口為液體固體混合流體而出口為汽液固三相流體、出口高流速、含硬質(zhì)固體顆粒且易沉積和結(jié)垢等苛刻條件，因而應(yīng)選用具有自清潔功能的角閥。自清潔角閥的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下要求：

　　1)閥體流道采用流線型結(jié)構(gòu)，避免介質(zhì)流動(dòng)時(shí)形成急轉(zhuǎn)彎或滯流點(diǎn)，同時(shí)能有效控制閥門入口的流速，避免介質(zhì)對(duì)閥體和閥桿產(chǎn)生高速?zèng)_刷。

　　2)閥腔內(nèi)無沉積死角，避免固體顆粒的沉積和堵塞。

　　3)閥芯、閥座采用碳化鎢材質(zhì)，以抵御含硬質(zhì)固體顆粒三相流體的高速?zèng)_刷。

　　4)具有可靠的碳化鎢閥芯連接結(jié)構(gòu)和工藝，避免出現(xiàn)閥芯斷裂或脫落。

　　5)增強(qiáng)型閥桿設(shè)計(jì)和穩(wěn)定的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，以承受高壓差和閃蒸產(chǎn)生的振動(dòng)，同時(shí)便于匹配大推力執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

　　6)自清洗導(dǎo)向設(shè)計(jì)，便于清除閥桿表面附著的固體顆粒和垢質(zhì)，防止固體顆粒進(jìn)入導(dǎo)向套管間隙而造成閥門卡澀，也避免填料函損壞而導(dǎo)致黑水泄漏。

　　7)閥門出口配碳化鎢材質(zhì)的文丘里擴(kuò)口延伸管，避免閃蒸后的高速三相流體沖蝕閥體、閥門出口法蘭、下游管道或管件，保證閥門長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

　　在進(jìn)行黑水調(diào)節(jié)閥選型時(shí)，還應(yīng)特別關(guān)注各部件材質(zhì)的選擇。閥體材質(zhì)的選擇應(yīng)充分考慮耐腐蝕性和耐磨蝕性，通常選用奧氏體不銹鋼或雙相鋼，由于各裝置原料煤的腐蝕成分差別較大，所選閥體材質(zhì)不應(yīng)低于工藝管道材質(zhì)。為抵御含硬質(zhì)固體顆粒三相流體造成的沖蝕，閥芯、閥座和文丘里擴(kuò)口延伸管通常選用碳化鎢材質(zhì)，碳化鎢具有較高的硬度和較好的耐磨蝕性，但同時(shí)也較脆，如閥芯和閥座發(fā)生撞擊容易導(dǎo)致碎裂，因而執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)具有可調(diào)整的機(jī)械限位。閥門安裝調(diào)試后應(yīng)立即設(shè)定最小機(jī)械限位，防止發(fā)生碰撞。閥門投用前應(yīng)確保上游的管道和容器設(shè)備內(nèi)無雜物，避免較大尺寸雜物在閥座處卡塞，導(dǎo)致閥芯和閥座發(fā)生間接撞擊。

　　國內(nèi)外多家閥門制造商都針對(duì)黑水閃蒸工況開發(fā)了專門的自清潔角閥，各品牌的自清潔角閥具有各自的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。近年來，國產(chǎn)品牌通過產(chǎn)品性價(jià)比的提升和快速的現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)響應(yīng)在黑水調(diào)節(jié)閥應(yīng)用領(lǐng)域取得了顯著的進(jìn)步。

5、其他問題

　　在工程設(shè)計(jì)中除了關(guān)注黑水調(diào)節(jié)閥的選型和計(jì)算外，還應(yīng)重視和管道設(shè)計(jì)的協(xié)同配合。黑水調(diào)節(jié)閥后汽液固三相流體的流速很高，管道設(shè)計(jì)中應(yīng)該采取合理的措施降低閥后管道或管件損壞的風(fēng)險(xiǎn)。例如，在閥后設(shè)置大口徑的緩沖罐，在高流速區(qū)域采用硬質(zhì)合金內(nèi)襯，在沖擊區(qū)域采用加厚耐磨材料等。由于黑水調(diào)節(jié)閥處于閃蒸工況，閥門和與之相連的管道系統(tǒng)震動(dòng)劇烈。閥門的氣源連接推薦采用金屬軟管，信號(hào)電纜應(yīng)預(yù)留伸縮裕量。同時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)管道支撐的設(shè)計(jì)，避免由于劇烈震動(dòng)損壞閃蒸罐的設(shè)備管口。

6、結(jié)束語

　　黑水調(diào)節(jié)閥作為水煤漿氣化工藝中工況最苛刻的調(diào)節(jié)閥，其運(yùn)行的可靠性直接關(guān)系到氣化裝置的長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行。工程設(shè)計(jì)中應(yīng)高度重視黑水調(diào)節(jié)閥的選型與計(jì)算，為氣化裝置的安、穩(wěn)、長(zhǎng)、滿、優(yōu)運(yùn)行打好基礎(chǔ)。