關(guān)于水煤漿氣化黑水調(diào)節(jié)閥延長使用時(shí)間的研究

王鵬山，李忠勇

(陜西長青能源化工有限公司， 陜西寶雞 721400)

陜西長青能源化工有限公司的60萬t/a甲醇項(xiàng)目氣化裝置采用德士古水煤漿加壓氣化技術(shù)，氣化爐設(shè)計(jì)運(yùn)行壓力為6.5 MPa，單爐投煤質(zhì)量流量為1 700 t/d,氣化爐采用2開1備的運(yùn)行模式，每臺(tái)氣化爐對應(yīng)1套渣水閃蒸系統(tǒng)。在運(yùn)行過程中，氣化渣水工段經(jīng)常出現(xiàn)氣化爐排黑調(diào)節(jié)閥閥體及底部堵板、洗滌塔排黑調(diào)節(jié)閥閥體及底部堵板磨穿，因此需要對黑水調(diào)節(jié)閥進(jìn)行一系列改造，以延長其使用時(shí)間。

1 黑水調(diào)節(jié)閥應(yīng)用工況

1.1 調(diào)節(jié)閥功能簡介

在化工生產(chǎn)自動(dòng)化控制過程中，調(diào)節(jié)閥用于調(diào)節(jié)控制相應(yīng)介質(zhì)的流量、液位、溫度、壓力等工藝參數(shù)，通過改變閥門開度，實(shí)現(xiàn)對介質(zhì)壓力、液位、溫度和流量等參數(shù)的控制。

1.2 黑水調(diào)節(jié)閥的應(yīng)用工藝

氣化爐激冷室黑水(壓力為6.0 MPa、溫度為243 ℃)通過液位調(diào)節(jié)閥(LV1401)減壓、洗滌塔底部黑水(壓力為6.0 MPa、溫度為240 ℃)經(jīng)過流量調(diào)節(jié)閥(FV1401)減壓后進(jìn)入高壓閃蒸罐(V1401)進(jìn)行第1次閃蒸，壓力減至0.75 MPa；高壓閃蒸罐底部黑水利用壓差進(jìn)入低壓閃蒸罐(V1403)進(jìn)行第2次閃蒸，低壓閃蒸罐壓力控制在0.12 MPa；之后進(jìn)入第一真空閃蒸罐進(jìn)行第3次閃蒸，黑水壓力由0.12 MPa降至-0.07 MPa，再進(jìn)入第二真空閃蒸罐進(jìn)行第4次閃蒸，黑水壓力降至-0.08 MPa；第二真空閃蒸罐的底部黑水經(jīng)沉降槽給料泵加壓后送入沉降槽進(jìn)行分離，分離后的灰水進(jìn)入灰水槽系統(tǒng)回收利用，底部的渣水經(jīng)真空過濾機(jī)處理后濾餅外送處理。黑水系統(tǒng)流程圖見圖1。

圖1 黑水系統(tǒng)流程圖

1.3 黑水調(diào)節(jié)閥運(yùn)行工況

氣化爐黑水調(diào)節(jié)閥，即液位調(diào)節(jié)閥LV1401運(yùn)行工藝參數(shù)見表1。

表1 氣化爐黑水調(diào)節(jié)閥運(yùn)行工藝參數(shù)

洗滌塔黑水調(diào)節(jié)閥，即流量調(diào)節(jié)閥FV1401運(yùn)行工藝參數(shù)見表2。

表2 洗滌塔黑水調(diào)節(jié)閥運(yùn)行工藝參數(shù)

2 黑水調(diào)節(jié)閥運(yùn)行中存在的問題

氣化爐和洗滌塔底部的含固體顆粒的黑水排至高壓閃蒸罐，在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，流動(dòng)狀態(tài)為滯流，對管道的磨損和沖刷較小，當(dāng)壓力突然降低時(shí)，流速加劇，磨損和沖刷較為嚴(yán)重(流動(dòng)狀態(tài)為湍流)。氣化爐和洗滌塔黑水進(jìn)入高壓閃蒸罐前經(jīng)過調(diào)節(jié)閥進(jìn)行降壓，調(diào)節(jié)閥底部緩沖罐易發(fā)生泄漏，泄漏后存在很大風(fēng)險(xiǎn)，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1)因?yàn)楹谒疁囟雀撸孤┖笕菀讓z修人員燙傷；(2)黑水中溶解有一氧化碳、硫化氫、氫氣等易燃?xì)怏w，在動(dòng)火作業(yè)時(shí)可能發(fā)生爆炸事故；(3)黑水中含有灰渣，發(fā)生泄漏后造成現(xiàn)場環(huán)境衛(wèi)生差；(4)處理漏點(diǎn)時(shí)需降低系統(tǒng)壓力，氣化爐切氣火炬排放，造成原材料浪費(fèi)。

造成調(diào)節(jié)閥泄漏的原因主要有：

(1) 黑水通過調(diào)節(jié)閥經(jīng)過兩個(gè)階段：一是閃蒸階段，即當(dāng)壓力為6.2 MPa的黑水流經(jīng)調(diào)節(jié)閥通道時(shí)，流速突然急劇增加，當(dāng)閥后壓力達(dá)到黑水所在情況下的飽和蒸汽壓力時(shí)，部分高溫黑水汽化成氣體，產(chǎn)生氣泡，形成氣液兩相共存現(xiàn)象；二是氣泡爆破階段，即當(dāng)閥門中液體的下游壓力又升回來，且高于飽和蒸汽壓力時(shí)，升高的壓力壓縮氣泡,使之突然破裂。在爆破過程中飽和氣泡不再存在,而是迅速爆破變回液態(tài)。由于氣泡的體積大多比相同的液體體積大，所以氣泡的爆破是從大體積向小體積的轉(zhuǎn)變。汽蝕過程中氣泡破裂時(shí)所有的能量集中在破裂點(diǎn)上,產(chǎn)生幾千牛頓的沖擊力,大大超過了大部分金屬材料的疲勞破壞極限[1]。

(2) 二次閃蒸階段，即當(dāng)壓力為6.2 MPa的黑水流經(jīng)調(diào)節(jié)閥通道時(shí)，流速突然急劇增加，黑水中含有固體灰顆粒流速也急速增加，高速運(yùn)動(dòng)的細(xì)顆粒對閥后管線及底部堵板沖刷作用力大，夾雜在黑水中的硬質(zhì)顆粒以切削、犁溝和刺入的方式對閥內(nèi)件進(jìn)行高速?zèng)_刷形成沖蝕，極硬的閥瓣和閥座也會(huì)在很短時(shí)間內(nèi)遭到?jīng)_刷破壞，造成閥座、閥后管線及堵板極易發(fā)生泄漏[2]。

3 處理措施

3.1 黑水調(diào)節(jié)閥筒體三通處磨損處理措施

黑水經(jīng)過黑水調(diào)節(jié)閥通道后，流速急劇增加，加劇了對黑水調(diào)節(jié)閥筒體的沖刷，在兩相流的作用下，黑水調(diào)節(jié)閥筒體三通處磨損最為嚴(yán)重。針對以上情況，在氣化裝置單系統(tǒng)停車檢修期間，在黑水調(diào)節(jié)閥筒體三通處堆焊鋼板，進(jìn)行加厚處理，從而增加使用周期；在調(diào)節(jié)閥后筒體內(nèi)部增加耐磨襯里，減緩黑水對調(diào)節(jié)閥筒體的沖刷，從而整體延長了調(diào)節(jié)閥筒體的使用壽命；為減少氣液兩相流對三通處的沖刷，在調(diào)節(jié)閥閥芯擴(kuò)散頭處增加導(dǎo)流管(見圖2)，導(dǎo)流管采用材質(zhì)為incoloy825的不銹鋼板卷制而成，其直徑與調(diào)節(jié)閥擴(kuò)散頭直徑一致，長度位于三通底部管線300 mm處。黑水經(jīng)過調(diào)節(jié)閥后進(jìn)入導(dǎo)流管，因?qū)Я鞴苤睆捷^小，黑水在導(dǎo)流管內(nèi)汽化部分較少，出導(dǎo)流管的氣液兩相流進(jìn)入水中，產(chǎn)生的爆裂氣泡在水中阻力較大，大大減小了氣泡爆裂對管道的直接沖擊，從而延長了三通的使用壽命。研究過程中將導(dǎo)流管底部設(shè)計(jì)為鋸齒狀，便于出導(dǎo)流管的氣體分布均勻，防止了出導(dǎo)流管的物料對外部三通某一位置的集中沖刷。在對調(diào)節(jié)閥改造使用后，1 a內(nèi)三通位置未發(fā)生過泄漏，運(yùn)行效果良好。

(a) 改造前

3.2 黑水調(diào)節(jié)閥筒體底部堵板磨損處理措施

氣化爐和洗滌塔的黑水經(jīng)調(diào)節(jié)閥通道后，流速在筒體內(nèi)急劇增大，同時(shí)在黑水中大量固體顆粒的作用下，黑水直接噴在調(diào)節(jié)閥筒體底部堵板，從而造成黑水調(diào)節(jié)閥底部堵板磨損嚴(yán)重，曾在1周內(nèi)發(fā)生多次泄漏。針對高壓黑水對調(diào)節(jié)閥底部堵板的磨損現(xiàn)象，曾在調(diào)節(jié)閥底部堵板增加耐磨鐵塊，延緩了黑水對底部堵板的沖刷作用，卻不能保證長周期運(yùn)行；將黑水調(diào)節(jié)閥后筒體由3 m增加到8 m，由于閥后筒體較長，筒體下半部分基本為積渣，達(dá)到以渣抗沖刷的目的。經(jīng)調(diào)節(jié)閥的高速黑水噴入緩沖管，緩沖管內(nèi)的水和積渣大大減緩了黑水和固體顆粒的沖擊力，避免了對底部堵板的沖刷。改造后，運(yùn)行1 a以來未發(fā)生過底堵泄漏現(xiàn)象。

3.3 調(diào)節(jié)閥閥體內(nèi)腔磨損處理措施

閥體內(nèi)腔按角式流線形設(shè)計(jì)，且內(nèi)腔不同型面的過渡處盡量采用大圓弧設(shè)計(jì)，以避免滯留點(diǎn)和急轉(zhuǎn)彎造成的沖擊。對于流速高、腐蝕性強(qiáng)的黑水惡劣工況，閥體內(nèi)壁采用噴涂硬質(zhì)合金的硬化方式，以提高閥體耐蝕、耐沖刷能力。閥門公稱直徑及節(jié)流口規(guī)格應(yīng)盡量按照管道選型，避免閥腔及閥出口縮徑，以提高閥門的整體性能[3]。

3.4 調(diào)節(jié)閥閥座磨損處理措施

在閥座后流道的適當(dāng)距離內(nèi)襯整體燒結(jié)的硬質(zhì)合金，以減少介質(zhì)對管內(nèi)件的沖蝕和汽蝕破壞。硬質(zhì)合金應(yīng)采用整體燒結(jié)的碳化鎢，制造工藝采用冷等靜壓，以提高材料的致密度，增加晶粒間的黏合力，從而保證更好的硬度和強(qiáng)度[4]。

3.5 閥門的選型

黑水調(diào)節(jié)閥的閥桿直徑與桿長度之比比較大，易受介質(zhì)側(cè)面沖擊從而引起振動(dòng)，所以在設(shè)計(jì)允許的條件下，適當(dāng)增大閥桿直徑，以增強(qiáng)閥桿的穩(wěn)定性。對于氣化爐出口的黑水調(diào)節(jié)閥，應(yīng)適當(dāng)優(yōu)化選型，控制閥門正常工作時(shí)的開度在30%～80%，避免小開度工作，減少黑水中的介質(zhì)顆粒對閥瓣的異常沖擊。

4 結(jié)語

對氣化爐黑水調(diào)節(jié)閥和洗滌塔黑水調(diào)節(jié)閥進(jìn)行改造后，調(diào)節(jié)閥泄漏次數(shù)明顯減少，堵漏率下降，大大提高了渣水系統(tǒng)的運(yùn)行安全性，同時(shí)提高了氣化爐運(yùn)行周期，有效地提高了氣化爐效率。