煤氣化裝置儀表選型分析

汪戰(zhàn)豪

摘要：煤氣化技術(shù)的成熟應(yīng)用和功能的正常發(fā)揮都離不開使用恰當(dāng)類型的裝置儀表。文章在介紹煤氣化技術(shù)的基礎(chǔ)上，針對氧氣閥門、鎖渣閥、合成氣放空閥、黑水閥門以及測量煤漿流量的儀表等裝置儀表的選型展開了具體的技術(shù)分析。

關(guān)鍵詞：煤氣化裝置；儀表選型；煤氣化技術(shù)；氧氣閥門；鎖渣閥；合成氣放空閥 文獻標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TQ54 文章編號：1009-2374（2016）10-0060-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.10.029

1 煤氣化技術(shù)簡介

該技術(shù)的應(yīng)用原理是把預(yù)先經(jīng)過處理的煤放進氣化爐等反應(yīng)容器中，在適當(dāng)?shù)臏囟纫约皦毫Νh(huán)境下經(jīng)空氣或者氧氣等氧化劑的作用，借助于移動床、攜帶床、硫化床等專業(yè)器具的流動方式，經(jīng)過一系列的化學(xué)反應(yīng)后生成一氧化碳等目標(biāo)氣體，從而制得初步的水煤氣產(chǎn)品，然后以脫硫和脫碳等精處理手段進一步獲得相對更加純凈的一氧化碳精制氣體產(chǎn)品。氣化反應(yīng)是在高溫高壓條件下完成的，反應(yīng)生成物中沒有焦油、酚水和萘等，碳元素的轉(zhuǎn)化率極高，具有綠色環(huán)保的優(yōu)點，成為工業(yè)生產(chǎn)中主流的生產(chǎn)方式。本文以該種氣化技術(shù)為例分析煤氣化裝置儀表的選型問題，該技術(shù)的工業(yè)生產(chǎn)流程如圖1所示：

圖1 煤氣化生產(chǎn)工藝流程

經(jīng)過高壓處理從空分工段輸送進來的氧氣與制備煤漿工段制成的水煤漿在流通調(diào)節(jié)閥與流通切斷閥的控制下，以特定比例經(jīng)燒嘴進入到發(fā)生反應(yīng)的氣化爐設(shè)備內(nèi)，把爐內(nèi)的反應(yīng)條件調(diào)控在氣壓6.5MPa、溫度1300℃，經(jīng)過一定時間的充分反應(yīng)后獲得一氧化碳、氫氣、二氧化碳和少量的甲烷、硫化氫以及微量的氨氣、甲酸等相互摻雜的混合氣體。粗制的混合氣體經(jīng)過分離器、洗滌塔的逐步凈化作用后，即進入到后續(xù)的脫硫脫碳工段。留存于氣化爐內(nèi)的液態(tài)和固態(tài)相混合的煤渣經(jīng)過破渣機反復(fù)破碎，再由鎖斗重復(fù)性加壓、泄壓后，促使氣化爐內(nèi)煤渣循環(huán)排出，同時渣池上部相對澄清的黑水也進入后續(xù)的渣水處理單元。

2 儀表的選型

2.1 氧氣閥門

氧氣閥門是針對氧氣輸送管網(wǎng)所設(shè)計的專用特殊閥

門，根據(jù)功能和作用不同可分為調(diào)節(jié)閥、切斷閥和放空閥。

經(jīng)過壓縮處理的氧氣在輸送時如若遇到鐵屑、油脂或者小粒型的燃燒物（有機纖維、煤粉或者碳粒）等異物存在時，其隨氣流運動的過程中與閥體或者管壁發(fā)生碰撞、摩擦即會產(chǎn)生一定的熱量，當(dāng)熱量積聚到一定程度就會導(dǎo)致閥門或者管道發(fā)生燃燒甚至爆炸。

按照行業(yè)相關(guān)規(guī)范規(guī)定，選擇氧氣的介質(zhì)材料要把單位體積內(nèi)的氧氣含量、壓力、介質(zhì)材料的沖擊流速以及反應(yīng)環(huán)境的溫度等綜合起來考慮。按照應(yīng)用場合以及生產(chǎn)工況不同，介質(zhì)流速分成沖擊型和非沖擊型。當(dāng)介質(zhì)流速屬于非沖擊型時，并且溫度低于某種材料具體的適用溫度時，如果實際流速位于非沖擊允許流速的曲線范圍內(nèi)，則相應(yīng)的材料具有良好的可選擇性；同樣的，當(dāng)介質(zhì)流速屬于沖擊型時，并且溫度低于某種材料具體的適用溫度時，如果實際流速位于沖擊允許流速的曲線范圍內(nèi)，該材料也具有良好的可選擇性。

儀表閥門的主要屬性是節(jié)流件，因此把閥門部位的流速全部定義成沖擊流速。以設(shè)計溫度為150℃的碳鋼為例，其沖擊允許流速曲線的外包范圍限值為30m/s，當(dāng)被施加的壓力值處于0.3～1.5MPa的絕壓區(qū)間時，如果實際流速不大于30m/s就能把碳鋼當(dāng)作對應(yīng)的氧氣介質(zhì)材料。如果實際流速超出了沖擊允許流速曲線的界限，就要考慮使用恰當(dāng)?shù)幕砻獠牧霞右哉{(diào)控。

案例分析：某煤氣化生產(chǎn)工藝包中選用的調(diào)節(jié)氧氣閥，特定體積內(nèi)氧氣含量占比為99%，調(diào)控壓力達到了8.7MPa，氧氣輸送管道中氧氣實際流速為6.3m/s，氧氣溫度為30℃。在可供選擇的各種類型材料中鎳合金最為適宜，優(yōu)先考慮閥座和閥芯的控制條件，選用MONEL K-500規(guī)格的鎳合金材料并輔助以必要的硬化處理，閥桿選擇具有更高強度的INCONEL X-750規(guī)格的鎳合金材質(zhì)，閥門主體選用MONEL K-500規(guī)格的鎳合金材料，氧氣調(diào)節(jié)閥最好選用鍛造的閥體、閥座、閥芯和閥桿。這里需要加以強調(diào)的是選用MONEL類型的鎳合金材料時，因材質(zhì)內(nèi)部含有一定量的銅元素，閥門在長期使用時會出現(xiàn)顏色變紅或者加深變黑的情況，這是由于銅被氧化所致。

從氣化爐回火與防火需求出發(fā)，填料材質(zhì)的選取以安全型的石墨為宜。切斷閥門的密封等級應(yīng)當(dāng)滿足于雙向型的五級密封，調(diào)節(jié)閥門按照實際工況需求控制在四級即可滿足要求。閥門口徑選擇必須以流經(jīng)閥體的氣體流速為主要控制內(nèi)容進行詳細(xì)計算和恰當(dāng)選擇。氧氣放空閥必須考慮降噪措施，降噪板的材質(zhì)必須和閥門的材質(zhì)保持一致。閥門的選型必須考慮防靜電措施，重視氧氣在閥腔中的流速，閥門的硬化處理。不論是何種類型的氧氣閥門均須經(jīng)過脫脂、脫油以及脫水處理，西方技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中的油脂控制標(biāo)準(zhǔn)為：當(dāng)壓力為3000KPa時，最大含量不得超過500mg/m2。為達到更好的使用效果，必須對閥門預(yù)先實施防火和鈍化處理，確保其內(nèi)部沒有毛刺和凹凸、內(nèi)壁光滑，選型時優(yōu)先選用啟閉過程中沒有鋒利切面、流道簡化的閥型。

2.2 鎖渣閥

該種閥門主要包括鎖斗的入口及出口閥門、排渣閥門等。鎖斗部位的工序主要有減壓和泄壓、渣體排出、加壓以及渣體收集等環(huán)節(jié)，鎖斗控制功能主要通過鎖渣閥實現(xiàn)，所以鎖渣閥質(zhì)量優(yōu)劣直接關(guān)乎鎖斗運作的正常與否。鎖渣閥介質(zhì)以黑水為主，間或會有灰水摻雜其中，其口徑最大可達400mm，內(nèi)部壓力等級相當(dāng)高，為使氣化爐的內(nèi)部反應(yīng)壓力處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，就要對鎖渣閥實施雙向封閉的嚴(yán)格處理。由此出發(fā)可以優(yōu)先考慮使用固定式的全通徑球閥，在保障雙向密封性能良好的前提下也能符合介質(zhì)流體流通的需求。固定式全通徑球閥采用專用的儲氣罐和雙作用型的氣缸，全面保障了結(jié)構(gòu)運作的可靠性。閥體可以選擇雙相不銹鋼鍛造閥體，閥座和閥芯可以選擇F316并加以硬化處理，由于介質(zhì)內(nèi)含有硫元素，閥門材質(zhì)的選擇應(yīng)該兼顧對該問題的考慮。鎖斗順控要求閥門實際動作的執(zhí)行時間必須符合一定要求，該動作時間因工藝包類型的不同而呈現(xiàn)一定的差異性，但通常不超過8s。

2.3 合成氣放空閥

合成氣放空閥位于洗滌塔頂部的管線出口和火炬之間，當(dāng)系統(tǒng)處于開車工況時采用的調(diào)節(jié)形式為分程式調(diào)節(jié)；當(dāng)流量偏小時則換做小閥調(diào)節(jié)的形式；當(dāng)下游發(fā)生故障而出現(xiàn)擁堵或者氣化爐存在憋壓等不良狀況時，須換成雙閥調(diào)節(jié)的形式以保證管網(wǎng)壓力平穩(wěn)。

合成氣放空閥的介質(zhì)是經(jīng)氣化爐反應(yīng)后生成的粗制煤氣在經(jīng)過分離器、洗滌塔凈化以后的混合氣體，其具體的操作溫度為240℃，壓力約為6.4MPa，最大壓降可達6MPa，經(jīng)理論計算，閥門極易出現(xiàn)氣流受阻塞的工況。為應(yīng)對這種情況考慮使用Globe閥門，同樣對閥座和閥芯實施硬化加固處理，填料材質(zhì)選用石墨，閥門蓋選擇散熱型?？紤]較大壓差的存在，閥門芯選擇平衡套筒的形式，這樣一來就可以把閥門的執(zhí)行結(jié)構(gòu)大小適當(dāng)減小，減少閥門的投資。由于粗煤氣中含有煤灰必須注意套筒流道開孔不能過小，導(dǎo)致堵塞。另外，迷宮形式的閥芯對于降低閃蒸危害作用十分良好，并且閥門的有效使用壽命也能被顯著延長，還附帶有優(yōu)良的降噪功能。如果選用閥門不具備降噪功能，則需在閥門后端增設(shè)降噪裝置。

2.4 黑水閥門

黑水指的是介質(zhì)成分內(nèi)煤渣等細(xì)顆粒型的懸浮物占比很高，同時含有大量酸性氣體的水；經(jīng)過沉降后顆粒懸浮物質(zhì)顯著減少，則介質(zhì)種類可劃歸成灰水。不論是閥門還是節(jié)流的裝置受黑水的沖擊腐蝕作用十分嚴(yán)重，并且也容易造成閥門和管道的堵塞，其成分中的酸性氣體也具有較強的腐蝕作用。

從圖1中可以看出，煤氣化生產(chǎn)流程中黑水閥門的集中部位是氣化爐黑水的出口、分離器、洗滌塔黑水出口管線以及渣池處理環(huán)節(jié)。高流速、高壓差氣流介質(zhì)會對閥門產(chǎn)生長期持久的磨蝕，還會伴隨有空化、閃蒸以及阻流的情況。比如在渣水處理環(huán)節(jié)，氣化爐中流出的黑水進入閃蒸高壓罐以前，由于壓力從6.58MPa驟降至1.8MPa，閃蒸狀況的出現(xiàn)是必然的。常規(guī)形式的單座閥門相應(yīng)的流道比較復(fù)雜，雜質(zhì)容易在內(nèi)部囤積，黑水長期流經(jīng)會導(dǎo)致內(nèi)部構(gòu)件脫落或者損壞，也極易引發(fā)閥門卡死等故障。此外，出于抗閃蒸和空化作用的考慮，加之黑水的腐蝕性和易堵性，單座閥門在選用時會盡量避免使用多級降壓或者迷宮籠式的閥芯，最適宜的應(yīng)該是角閥，閥芯、閥座和閥門整個出口流道整體做碳化鎢硬化處理，將閥門出口設(shè)計成喇叭口式的擴型管，對該工況具有良好的適用性。

2.5 測量煤漿流量的儀表

煤漿具有流動性，其伴隨的就有沖擊腐蝕性和易沉淀性，所以對煤漿流量進行測量就不能使用渦街、孔板等節(jié)流原件，通常所用的測量手法是借助于電磁式流量計對煤漿實施瞬時流量的量測，通過煤漿送料泵的實際運轉(zhuǎn)速率計算對應(yīng)的煤漿流量。

水煤漿工況的特點是壓力大（最高可達10MPa）、流速小、濃度大、摻雜有金屬顆粒、磨蝕性、導(dǎo)電率高等，所以即使使用電磁式的流量計，其要求相較于通常使用的電磁流量計而言也相對比較高。首先，流量計必須有良好的高壓耐受性，能經(jīng)受長期持續(xù)的流體擠壓及沖刷作用，與PFA材質(zhì)相比，ETFE具有更好的耐磨性和抗壓性，是該工況下的理想型素材；其次，電極材料選用哈氏合金外襯陶瓷為宜；最后，需要著重強調(diào)的是超高壓力條件下的工況要求，這是由于能夠生產(chǎn)用于超高壓環(huán)境下的電磁式流量計只有很少一部分廠商有生產(chǎn)能力。電磁式的流量計在安裝時可以是水平式的，也可以是垂直式的，無論哪種形式，統(tǒng)一的控制標(biāo)準(zhǔn)都是管道內(nèi)必須保證被介質(zhì)填充滿。

參考文獻

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（責(zé)任編輯：蔣建華）