文丘里節(jié)流裝置在水煤漿氣化工藝中的應(yīng)用

侯旭

(華陸工程科技有限責(zé)任公司，陜西 西安 710065)

文丘里節(jié)流裝置在水煤漿氣化工藝中的應(yīng)用

侯旭

(華陸工程科技有限責(zé)任公司，陜西 西安 710065)

針對水煤漿氣化工藝對煤漿循環(huán)管線性能的要求，研制了一種新型節(jié)流裝置，采用特殊材質(zhì)與新型文丘里喉部結(jié)構(gòu)。重點(diǎn)介紹了煤漿循環(huán)管道系統(tǒng)工藝過程和管道設(shè)計(jì)、節(jié)流裝置的選型設(shè)計(jì)、節(jié)流裝置的結(jié)構(gòu)組成、工作原理及工程實(shí)踐效果。實(shí)際應(yīng)用表明:該創(chuàng)新的文丘里節(jié)流裝置性能穩(wěn)定可靠，滿足了煤漿回流管道降壓需要，延長了裝置檢修周期，同時(shí)降低了設(shè)備的采購成本。

文丘里節(jié)流裝置 水煤漿 循環(huán)管路系統(tǒng) 喉部結(jié)構(gòu)

8.7 MPa水煤漿氣化技術(shù)在中國得到大規(guī)模運(yùn)用，工藝原理為原煤經(jīng)煤漿制備系統(tǒng)制備為水煤漿，經(jīng)煤漿給料泵送入氣化爐，與來自空分工段的氧氣充分燃燒后形成粗煤氣，粗煤氣經(jīng)炭洗塔洗滌后送至變換系統(tǒng)進(jìn)行氣體組分調(diào)整，為下游裝置提供工藝氣。該工藝過程與傳統(tǒng)的6.5 MPa氣化技術(shù)相比，原料消耗降低約3%，投資費(fèi)用降低約15%，能耗降低約40%，裝置能效轉(zhuǎn)化率提高約9%，實(shí)現(xiàn)了煤基生產(chǎn)技術(shù)高效利用和資源清潔轉(zhuǎn)化生產(chǎn)。由于系統(tǒng)壓力高，系統(tǒng)煤處理量大，該水煤漿氣化工藝對系統(tǒng)設(shè)計(jì)、設(shè)備及管道選材要求苛刻。根據(jù)工藝要求，裝置設(shè)置煤漿循環(huán)管路系統(tǒng)，為氣化爐烘爐點(diǎn)火準(zhǔn)備與停車提供可靠的硬件保障。新型節(jié)流裝置是保障煤漿循環(huán)系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行，成功實(shí)現(xiàn)減壓過程的關(guān)鍵設(shè)備。

1 煤漿循環(huán)管道系統(tǒng)工藝過程與管道設(shè)計(jì)

水煤漿氣化工藝過程主要由煤漿制備與氣化兩部分組成，煤漿循環(huán)管路系統(tǒng)在氣化工藝過程中處于上游位置。由磨煤機(jī)出口槽泵來的煤漿進(jìn)入煤漿槽，煤漿槽有一定的高度，提供高壓煤漿泵所需的入口壓頭。當(dāng)氣化爐處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，高壓煤漿泵將來自煤漿槽的煤漿加壓后，經(jīng)煤漿切斷閥進(jìn)入工藝燒嘴。當(dāng)氣化爐處于烘爐狀態(tài)時(shí)，煤漿出自高壓煤漿泵后，經(jīng)回流管線重新進(jìn)入煤漿槽。高壓煤漿泵配備變頻電機(jī)，使得煤漿循環(huán)管路壓力可調(diào)，以滿足氣化爐烘爐及正常運(yùn)行需要。煤漿循環(huán)管線流程如圖1所示。

煤漿循環(huán)管路系統(tǒng)主要環(huán)節(jié)為煤漿介質(zhì)起始煤漿槽，經(jīng)高壓煤漿泵送至燒嘴煤漿上游切斷閥，當(dāng)燒嘴煤漿上游切斷閥關(guān)閉且煤漿回流切斷閥打開，煤漿進(jìn)入回流管路，經(jīng)文丘里節(jié)流裝置降壓后再次進(jìn)入煤漿槽，完成回流循環(huán)。高壓煤漿泵出口正常工作壓力為11.2 MPa，最大流量144 m3/h，正常流量120 m3/h，最小流量60 m3/h。當(dāng)氣化爐處于烘爐預(yù)備點(diǎn)火狀態(tài)時(shí)，高壓煤漿泵出口壓力約為1.8 MPa，煤漿經(jīng)過文丘里節(jié)流裝置后，最終壓力降低至0.4 MPa。氣化爐正常運(yùn)行狀態(tài)煤漿管線壓力為11.2～11.8 MPa，為預(yù)防煤漿回流切斷閥的故障或錯(cuò)誤開啟，自高壓煤漿泵出口，經(jīng)煤漿回流切斷閥至節(jié)流裝置上游管路及配套閥門、儀表設(shè)備壓力等級均為CLASS900，以文丘里節(jié)流裝置為界，下游管路選用CLASS150壓力等級，管道壁厚降為SCH80。煤漿管線材質(zhì)均為20號鋼，全線選用4D彎通及厚壁管，減少煤漿對管材的磨損，盡可能延長管線使用壽命。

圖1 煤漿循環(huán)管線流程

2 節(jié)流裝置選型設(shè)計(jì)

當(dāng)文丘里節(jié)流裝置安裝于管道時(shí)，其上、下游將產(chǎn)生壓力差，根據(jù)伯努利方程，得到流量基本方程式:

(1)

式中:qm——流體質(zhì)量流量；ε——流體經(jīng)過節(jié)流裝置后的流束膨脹系數(shù)，液體ε=1 ；c——流出系數(shù)；β——環(huán)形孔的等效孔徑與管道內(nèi)徑的比值；D——管道內(nèi)徑；Δp——上、下游差壓值；ρ1——上游側(cè)流體密度。

節(jié)流裝置選型計(jì)算時(shí)，可利用工藝要求的節(jié)流裝置的Δp計(jì)算出節(jié)流裝置管道內(nèi)徑和喉部內(nèi)徑的比值，然后決定喉部內(nèi)徑尺寸。

煤漿介質(zhì)對節(jié)流裝置的沖刷破壞力極強(qiáng)，傳統(tǒng)孔板具備節(jié)流效果好、質(zhì)量輕、成本低的優(yōu)點(diǎn)，但孔板的耐沖刷性能遠(yuǎn)不及文丘里節(jié)流裝置。在實(shí)踐中，通過對比試驗(yàn)證明，相同工況下，材質(zhì)為316SS的孔板，在工藝裝置試車期間，正常工作壽命小于48 h，且節(jié)流效果在正常工況下以指數(shù)形式迅速衰減。在停車后取出孔板對其進(jìn)行觀察，孔板上游面呈現(xiàn)明顯喇叭口狀，下游面呈現(xiàn)不規(guī)則圓形，已失去原設(shè)計(jì)節(jié)流能力。

經(jīng)試驗(yàn)結(jié)果證明，孔板節(jié)流元件不適用于8.7 MPa氣化工藝煤漿循環(huán)管線的工況，無法在節(jié)流效果與沖刷損耗之間取得較好的平衡。雖然楔式與矩形節(jié)流元件均可用于煤漿介質(zhì)工況，但上述2種節(jié)流元件流道的平滑度均不及文丘里節(jié)流元件，最終在多種形式的節(jié)流元件中，考慮選用文丘里節(jié)流元件，希望在節(jié)流效果與沖刷損耗之間取得較好的平衡，最大限度延長節(jié)流元件的使用壽命。

3 結(jié)構(gòu)組成

在確定文丘里節(jié)流元件選型與喉部開孔尺寸后，為最大限度抵御煤漿介質(zhì)對文丘里節(jié)流裝置的沖刷磨蝕，使用創(chuàng)新喉部結(jié)構(gòu)與特殊材質(zhì)，以達(dá)到預(yù)期效果。文丘里上、下游縮徑段材質(zhì)選用20G配合碳化鎢噴涂技術(shù)，增強(qiáng)了元件接觸介質(zhì)部分表面硬度。

根據(jù)孔板磨蝕試樣可知，隨著文丘里管段的收縮，文丘里喉部上游收縮段與喉部平行段拐點(diǎn)處將是煤漿流體與原件的集中磨蝕區(qū)。圖2，圖3分別為文丘里喉部外包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和文丘里喉部套管設(shè)計(jì)，文丘里喉部結(jié)構(gòu)采用特殊鑲嵌工藝，使用碳化鎢硬質(zhì)合金套管，并將該套管結(jié)構(gòu)向上游延長，形成收縮喇叭口結(jié)構(gòu)，并對收縮段與喉部平行段拐點(diǎn)角度進(jìn)行優(yōu)化，使用喉部外包結(jié)構(gòu)配合上、下游收縮段，將套管整體平滑鑲嵌于文丘里喉部內(nèi)層，即煤漿與節(jié)流裝置磨蝕最為劇烈的區(qū)域?yàn)檎w碳化鎢硬質(zhì)合金材質(zhì)。文丘里節(jié)流元件成品結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖2 文丘里喉部外包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4 結(jié)束語

8.7 MPa氣化工藝技術(shù)在某項(xiàng)目的大規(guī)模運(yùn)用在國內(nèi)尚屬首次，儀表、管道設(shè)備等主要專業(yè)的工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)來自此前6.5 MPa氣化項(xiàng)目。在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，某些在6.5 MPa氣化項(xiàng)目中可順利運(yùn)行的方案，而在8.7 MPa氣化項(xiàng)目中并不適用。例如6.5 MPa氣化工藝煤漿循環(huán)管路的節(jié)流元件選用不銹鋼孔板，即可順利運(yùn)行。8.7 MPa氣化裝置共計(jì)6臺(tái)氣化爐，原設(shè)計(jì)共計(jì)6套煤漿循環(huán)管路系統(tǒng)，每套系統(tǒng)每年更換一次該節(jié)流元件，通過使用創(chuàng)新的文丘里節(jié)流元件，自2014年11月運(yùn)行以來，煤漿循環(huán)管路系統(tǒng)節(jié)流元件從未更換，其實(shí)際工作壽命已遠(yuǎn)超原設(shè)計(jì)壽命。

圖3 文丘里喉部套管設(shè)計(jì)

圖4 文丘里節(jié)流元件成品側(cè)視示意

經(jīng)過近3a的實(shí)際應(yīng)用，體現(xiàn)了該新型文丘里節(jié)流元件的優(yōu)勢:6套煤漿循環(huán)管路節(jié)流元件運(yùn)行平穩(wěn)，完全解決了試車初期煤漿循環(huán)管路的降壓難題；煤漿循環(huán)管路的平穩(wěn)運(yùn)行，為氣化爐點(diǎn)火操作與停爐操作提供可靠保障；有利于延長裝置檢修周期；該節(jié)流元件自身結(jié)構(gòu)簡單，成本可控，壽命較長，無額外能耗，使用簡便，相比各種形式的減壓控制閥有巨大成本優(yōu)勢。

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ApplicationofVenturiThrottlingDeviceinWater-coalSlurryGasification

Hou Xu

(Hualu Engineering & Technology Co.Ltd., Xi’an,710065, China)

s：Focusing on requirement of circulation pipe performance for water-coal slurry gasification, a new Venturi throttling device has been developed with a special material and novel Venturi laryngeal structure.Process and pipe design for water-coal slurry circulation pipeline system, type selection design, structure composition, working principles, practice effect of throttling device are stressed.The practical application indicates the new Venturi throttling device runs stably and reliably.The requirement of depressurization for reflux line of water-coal slurry is met.Overhaul period of devices is prolonged.Equipment procurement costs is reduced.

Venturi throttling device; water-coal slurry; circulation pipe system；laryngeal structure

稿件收到日期：2017-09-22，修改稿收到日期2017-10-08。

侯旭(1983—)，男，陜西耀州人，2008年畢業(yè)于西安石油大學(xué)測控技術(shù)與儀器專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)就職于華陸工程科技有限責(zé)任公司，從事總承包項(xiàng)目工程采購工作，任采購經(jīng)理。

TH814

B

1007-7324(2017)06-0021-03