煤化工用金屬密封球閥的選型及應(yīng)用
1、概述
煤化工是將煤通過熱加工和催化加工轉(zhuǎn)化為各種燃料和化工產(chǎn)品的過程。煤化工及煤制油項(xiàng)目首先要進(jìn)行煤氣化，在高溫下將煤、焦炭等固體燃料與氣化劑反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為氣體產(chǎn)物和殘?jiān)�。煤氣化所用的氣化劑主要為蒸汽、高壓高純度氧氣及其混合氣體，氣化反應(yīng)包括了一系列均相與非均相化學(xué)反應(yīng)。所得氣體產(chǎn)物因所用原料煤質(zhì)、氣化劑的種類和氣化過程不同而具有不同的組成，可分為煤氣、半水煤氣及水煤氣等。在煤化工產(chǎn)業(yè)的煤制油、煤制烯烴及大型煤化成套系統(tǒng)中，金屬密封耐磨球閥作為一種耐磨損的管路系統(tǒng)截?cái)嗉傲髁靠刂频牟考玫搅藰O為廣泛的應(yīng)用。
2、煤制油工藝過程
煤制油工藝是以煤炭為原料，通過化學(xué)加工方法將固態(tài)的煤轉(zhuǎn)化合成為液態(tài)的石油燃料產(chǎn)品，其工藝可分為直接液化和間接液化。
2.1、直接液化
直接液化是先將煤炭磨成煤粉與溶劑配制成油煤漿，然后在高溫、高壓下將煤中復(fù)雜的有機(jī)高分子結(jié)構(gòu)直接轉(zhuǎn)換為較低分子液體燃料。在精制后制得優(yōu)質(zhì)的油品，其工藝過程見圖1。直接液化油回收率高，可達(dá)63%～68%，煤消耗量小，生產(chǎn)1t液化油，需消耗洗精煤約2.4t。餾分油以汽、柴油為主，目標(biāo)產(chǎn)品的選擇性相對(duì)較高。油煤漿進(jìn)料，設(shè)備體積小，投資和運(yùn)行費(fèi)用低。
圖1 供氫溶劑直接液化煤制油(埃克森法)流程
直接液化的反應(yīng)條件相對(duì)較苛刻。液化壓力、溫度要求過高，液化壓力為17.0～30.0MPa，溫度為430～470℃。出液化反應(yīng)器的產(chǎn)物組成較復(fù)雜，液、固兩相混合物由于粘度較高，分離相對(duì)困難。氫耗量大，一般在6%～10%。
2.2、間接液化
間接液化是將煤炭在高溫下氣化，轉(zhuǎn)化為合成氣(CO和H2)，再經(jīng)過費(fèi)-托合成可制得優(yōu)質(zhì)燃料(汽油、柴油和航空燃料)和化工原料。合成條件較溫和，反應(yīng)壓力2.0～3.0MPa，反應(yīng)溫度低于350℃。轉(zhuǎn)化率高，如SASOL公司SAS工藝采用熔鐵催化劑，合成氣的一次通過轉(zhuǎn)化率達(dá)到60%。
由于煤基間接液化反應(yīng)物均為氣相，所以其工藝設(shè)備體積龐大，投資和運(yùn)行費(fèi)用高。間接液化全部需要依賴于煤的氣化，其煤耗量大且合成副產(chǎn)物較多，目標(biāo)產(chǎn)品的選擇性相對(duì)較低。
3、閥門特性要求
3.1、工況條件
煤制油、油改煤及煤氣化等煤化工系統(tǒng)處于介質(zhì)(煤渣)高硬度、高壓力及高溫度的工況，閥門應(yīng)具有耐磨、耐沖刷、防結(jié)垢、防結(jié)疤及快速切斷等功能。閥門口徑大(一般為DN300～DN450)、啟閉頻繁且速度快(30min動(dòng)作一次，5～10s/次)，要求閥門密封性能好，可靠性高。目前，特級(jí)耐磨球閥已廣泛用于德士古爐煤化工和煤制油行業(yè)，其介質(zhì)水煤漿中包含58%～67%的煤粉固體。黑水系統(tǒng)及灰漿系統(tǒng)中含有大量渣漿等特硬固體顆粒，在閥門腔體內(nèi)沉積、堵塞或結(jié)垢，難于清除(表1)。
表1 煤化工用閥門特殊要求
3.2、閥門材料
Class600～1500的常溫(-29～200℃)耐磨球閥，閥體材料為ASTMA105碳鋼鍛制球閥，其球體選用ASTMA182F304。對(duì)于有強(qiáng)腐蝕工況時(shí)，閥體材料可采用奧氏體不銹鋼、雙相不銹鋼、Inconel625(HastelloyC-276)。Class2500的高溫(300～510℃)耐磨球閥閥體材料為A182F22或A182F347不銹鋼鍛鋼，球體選用Inconel718。閥桿采用沉淀硬化不銹鋼17-4PH(表2)或A638-660。
表2 17-4PH沉淀硬化不銹鋼和不銹鋼常溫力學(xué)性能比較
3.3、工藝技術(shù)
金屬密封耐磨球閥結(jié)構(gòu)適用于輸送黑水、渣水及水煤漿等含固體顆粒的介質(zhì)，閥門的球體和閥座用超音速噴涂(HVOF)JK117{(WC)/17Co}或閥座堆焊STL12#(D812)硬質(zhì)合金，大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)，應(yīng)采用數(shù)控研磨中心對(duì)球體和閥座實(shí)行高精度的研磨。閥桿有防止固體顆粒進(jìn)入填料函的金屬和填料雙密封結(jié)構(gòu)。閥座彈簧具有防止灰渣堵塞結(jié)構(gòu)。球閥在其一側(cè)為最大工作壓力，另一側(cè)為大氣壓的最大壓差工況下，完成啟閉并保證可靠密封，水壓試驗(yàn)的泄漏等級(jí)應(yīng)達(dá)到ANSI/FCI70-2的ClassⅤ級(jí)。
4、球閥性能分析
4.1、浮動(dòng)球(MOGAS產(chǎn)品)
美國(guó)MOGAS雙金屬閥座浮動(dòng)球球閥，為介質(zhì)出口端金屬密封，閥桿帶軸肩防飛出結(jié)構(gòu)，閥座設(shè)計(jì)為刮刀式。閥門具有自泄壓功能，符合抗靜電及防火要求，依據(jù)NACEMR-0103進(jìn)行防腐處理，并按需要配置閥門齒輪箱(圖2)。
1.閥桿2.閥桿導(dǎo)向環(huán)3.閥桿密封軸承4.填料防護(hù)環(huán)5.復(fù)合填料6.執(zhí)行器固裝支架7.填料壓蓋8.閥桿上的“T”標(biāo)志9.刻線
圖2 MOGAS耐磨球閥閥桿填料結(jié)構(gòu)
(1)通徑
采用ANSIB16.34標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。
(2)壓力等級(jí)
閥門的壓力等級(jí)符合訂貨規(guī)格及工藝管路等級(jí)要求，閥體壓力等級(jí)不低于法蘭等級(jí)。
(3)連接形式
球閥過程連接為法蘭連接或?qū)高B接，法蘭標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)ANSIB16.5，采用RF法蘭連接。對(duì)焊連接端部標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)ANSIB16.25。
(4)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度
采用ANSIB16.10標(biāo)準(zhǔn)確定閥的結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度。
(5)閥體、閥蓋
均選用鍛件ASTMA105、ASTMA82F22、A182F347，對(duì)于需要防硫化氫的閥門按照NACE要求進(jìn)行熱處理。
(6)球體、閥座
球體為不銹鋼410SS，表面高速氧火焰噴涂碳化鉻合金(涂層耐溫815℃)，硬度64HRC以上，厚度不小于0.3mm。閥座為Inconel718合金，同樣采用噴涂碳化鉻合金硬化處理。表面高速氧火焰噴涂碳化鉻合金再熔融處理(耐溫815℃)，涂層耐磨不易脫落。球面硬度64HRC以上，厚度不小于0.3mm。球體與閥座手工配對(duì)研磨，密封檢驗(yàn)完全滿足API598標(biāo)準(zhǔn)要求。閥座鋒利的邊緣可對(duì)球體自刮擦自清潔，防止介質(zhì)進(jìn)入球體與閥座的密封面而造成內(nèi)漏和卡塞現(xiàn)象。
(7)碟簧
選用碟形結(jié)構(gòu)彈簧，材料為In-conel718。碟簧的主要作用是為閥座和球體施加一個(gè)預(yù)緊力，保證球體與閥座緊密結(jié)合。當(dāng)球體、閥座受到熱脹發(fā)生位移時(shí)可有效回縮，防止球體與閥座發(fā)生卡塞現(xiàn)象。碟簧后閥座腔倒角處理(角度經(jīng)流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算)，使固體顆粒不易堆積在閥座后面而影響閥座的有效退讓(圖3)。
1.球體 2.閥座 3.彈簧
圖3 耐磨球球體與閥座結(jié)構(gòu)
(8)閥桿
閥桿材料選用17-4PH或A638-660。閥桿設(shè)計(jì)為雙密封并有軸肩防飛出結(jié)構(gòu)，帶彈簧預(yù)緊的填料壓蓋結(jié)構(gòu)。閥桿設(shè)置有金屬密封軸承和填料雙重密封(圖4)。
圖4 MOGAS耐磨球閥填料及填料壓蓋結(jié)構(gòu)
(9)填料
由3個(gè)模壓成型組合純石墨環(huán)(Chesterton5300)和2個(gè)有Inconel合金絲編織成的石墨抗擠壓環(huán)(Chesterton1601)組成，能承受970℃的高溫。填料壓蓋帶有預(yù)載碟簧，填料壓蓋可持續(xù)壓緊填料不致發(fā)生外漏現(xiàn)象。
(10)泄漏等級(jí)
切斷閥的閥瓣和閥座采用金屬密封的雙向密封形式。金屬密封軸承表面硬化處理后手工配對(duì)研磨，為壓力密封設(shè)計(jì)，壓力越大，密封越緊，可防止固體顆粒進(jìn)入填料函。泄漏等級(jí)符合API598標(biāo)準(zhǔn)要求。
4.2、固定球(HARTMANN產(chǎn)品)
德國(guó)HARTMANN高壓固定球球球閥為金屬雙向密封，全通徑，雙流向，3片分體式結(jié)構(gòu)。密封等級(jí)為雙向ANSIClassⅥ級(jí)，閥體及承壓部件都采用鍛件。閥門依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)API6D，防火標(biāo)準(zhǔn)API607，同時(shí)符合TA-LUFT及USAEPA等標(biāo)準(zhǔn)。閥門為防吹出閥桿設(shè)計(jì)，防靜電設(shè)計(jì)。閥體材質(zhì)為DIN1.4470(相當(dāng)于2205系列雙相不銹鋼ASTMA8904A)，球體材料為DIN1.4462(相當(dāng)于2205系列雙相不銹鋼ASTMA182F51)。球體與閥座表面均噴涂有碳化鎢或碳化鉻，其硬度值達(dá)到62～68HRC。對(duì)焊端連接的閥門其對(duì)焊端坡口符合ASMEB16.25的規(guī)定。
(1)鍍層采用火焰噴涂與熱處理技術(shù)，在噴涂結(jié)束后，再對(duì)球體與閥座進(jìn)行二次處理，即高溫加熱處理，使得金屬材質(zhì)與鍍層材質(zhì)之間融合，減少不同材質(zhì)之間的隔閡，然后采用手工研磨的技術(shù)，使得球體與閥座的光潔度均衡，保證球體與閥座的表面緊密吻合。鍍層有效厚度為0.2～0.5mm。
(2)閥座后面設(shè)有彈簧組件，彈簧材質(zhì)為In-conelX750，且閥座前后墊片的密封使得彈簧內(nèi)腔為封閉式設(shè)計(jì)，介質(zhì)中的顆粒無(wú)法進(jìn)入到彈簧內(nèi)腔中。另外彈簧式的閥座設(shè)計(jì)，使閥座與球體之間緊密接觸，無(wú)縫隙，因此避免了顆粒介質(zhì)進(jìn)入閥座與球體之間，從而避免了閥座與球體表面的刮傷。閥座的獨(dú)特設(shè)計(jì)使得閥座與球體接觸部分實(shí)際上如刮削的作用，因此在實(shí)際操作中，對(duì)閥座與球體的接觸部分可以進(jìn)行刀刮的處理。
(3)閥門為全通徑，上、下游閥座對(duì)稱式設(shè)計(jì)，即閥門為雙向?qū)ΨQ式密封結(jié)構(gòu)，閥門無(wú)指定流向。因此在現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)，不存在流向問題。
(4)閥門的密封等級(jí)滿足ANSIClassⅥ的標(biāo)準(zhǔn)，完全符合技術(shù)要求。
(5)所有球閥都有上游、下游兩個(gè)閥座，閥座與閥體采用分離形式，便于閥座的更換維修。閥座密封面與球體密封面100%接觸。
(6)閥桿處采用雙密封的形式，絕對(duì)無(wú)外漏。在最大壓差下，閥桿的最小橫截面能承受操作扭矩。設(shè)計(jì)還考慮了足夠的安全裕量和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的最大輸出扭矩。閥桿的最薄弱部分位于閥體之外。
(7)閥內(nèi)腔可自動(dòng)卸放壓力。防火設(shè)計(jì)，防靜電設(shè)計(jì)與防吹出閥桿設(shè)計(jì)。
(8)閥門額定的壓力-溫度等級(jí)滿足ASMEB16.34的規(guī)定。
(9)閥體和球體等所有接液部件滿足NACEMR-0103和NACEMR-0175的要求。閥體腐蝕裕量不小于6mm。
(10)閥門與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的堅(jiān)固支架是閥門長(zhǎng)期動(dòng)作性能可靠的保證。
4.3、選型
浮動(dòng)球球閥與固定球球閥的選型原則見表3。
表3 球閥浮動(dòng)球與固定球選型原則
5、結(jié)語(yǔ)
煤制油工藝過程中同時(shí)存在氣-液-固三相混合物介質(zhì)，對(duì)閥門提出高溫、高壓、耐磨、耐腐蝕、耐沖刷、抗熱循壞和零泄漏等要求。作為全通徑、大流量、低流阻、開關(guān)方便等優(yōu)點(diǎn)的金屬密封耐磨球閥將獲得快速發(fā)展，將逐步從低壓、常溫到高壓、高溫，促進(jìn)了球閥應(yīng)用范圍的擴(kuò)大和發(fā)展。浮動(dòng)球與固定球耐磨球閥各有特點(diǎn)，各種選型原則只是在一般情況下的應(yīng)用原則。隨著閥門生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，浮動(dòng)球球閥將可用于高壓力工況，固定球球閥也可以用于含固體顆粒介質(zhì)工況。高溫高壓金屬密封耐磨球閥在煤化工產(chǎn)業(yè)的煤制油、煤制烯烴及大型煤化成套系統(tǒng)中的推廣應(yīng)用，可替代進(jìn)口的同類產(chǎn)品，提升我國(guó)高溫高壓耐磨球閥的技術(shù)水平，有效降低企業(yè)的設(shè)備采購(gòu)成本。
