淺析煤氣化裝置儀表選型

黃俊華，胡同印

（北京華福工程有限公司，北京 100016）

1 煤氣化工藝簡(jiǎn)介

煤氣化工藝技術(shù)分為：固定床氣化技術(shù)、流化床氣化技術(shù)、氣流床氣化技術(shù)3大類(lèi)，各種氣化技術(shù)均有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)。其中氣流床加壓氣化技術(shù)大都以純氧作為氣化劑，在高溫高壓下完成氣化過(guò)程，碳轉(zhuǎn)化率高，不產(chǎn)生焦油、萘和酚水等，是一種環(huán)境友好型的氣化技術(shù)，也是目前主流的工藝方案。

本文將以氣流床氣化技術(shù)的工況為例，探討煤氣化裝置關(guān)鍵儀表的選型。

工藝流程簡(jiǎn)圖如圖1所示。

來(lái)自空分工段的高壓氧氣經(jīng)過(guò)流量調(diào)節(jié)閥和切斷閥與來(lái)自煤漿制備工段的水煤漿，按一定的比例，通過(guò)燒嘴進(jìn)入氣化爐，在6.5MPaG、13000℃下進(jìn)行反應(yīng)生成CO、H2、CO2和少量CH4、H2S、COS及微量的NH3、HCOOH等氣化氣。

在氣化爐中水煤漿與氧發(fā)生的主要反應(yīng)如下：

粗合成氣經(jīng)過(guò)旋風(fēng)分離器和洗滌塔進(jìn)行進(jìn)一步凈化，進(jìn)入下游工段。而氣化爐里的固、液相雜質(zhì)進(jìn)入破渣機(jī)破碎，經(jīng)由鎖斗反復(fù)地加壓和泄壓，循環(huán)實(shí)現(xiàn)氣化爐的排渣過(guò)程。進(jìn)入渣池較澄清的上部黑水送入渣水處理工段。

2 儀表選型

2.1 氧閥

為氧氣管網(wǎng)特殊設(shè)計(jì)的專(zhuān)用閥門(mén)稱(chēng)為氧閥，氧閥分為氧氣調(diào)節(jié)閥、氧氣切斷閥以及氧氣放開(kāi)閥。

圖1 煤氣化工藝流程簡(jiǎn)圖Fig.1 Gasifi cation process fl ow diagram

表1 碳鋼、不銹鋼沖擊流速曲線等式表Table 1 Carbon steel, stainless steel impact velocity curve equation sheet

表2 常用材質(zhì)免除壓力和最小厚度表Table 2 Commonly used material free of pressure and minimum thickness table

氧的化學(xué)性質(zhì)非常活潑，是強(qiáng)烈的氧化劑和助燃劑，它除了與金、銀及惰性氣體氦、氖、氬、氪、氙等在一般情況下不發(fā)生反應(yīng)外，與其它物質(zhì)均能發(fā)生氧化反應(yīng)。氧經(jīng)壓縮后，在輸送的過(guò)程中，如有油脂、氧化鐵屑或小粒燃燒物（煤粉、炭?；蛴袡C(jī)纖維）存在，隨著氣流運(yùn)動(dòng)與管壁或機(jī)體發(fā)生磨擦、撞擊，會(huì)產(chǎn)生大量磨擦熱，可能導(dǎo)致管道或設(shè)備燃燒、爆炸。

燃燒的3個(gè)要素包括：氧化劑、可燃物和點(diǎn)火能量。由于氧氣本身就是氧化劑，因此只能通過(guò)控制點(diǎn)火能量和選擇適當(dāng)材料提高可燃物燃點(diǎn)的方法來(lái)避免燃燒的發(fā)生。

根據(jù)EIGA-IGC 13-12[1]規(guī)定，氧氣介質(zhì)的材料選擇需根據(jù)氧氣體積含量、免除壓力、介質(zhì)沖擊流速以及溫度來(lái)決定。根據(jù)工況及應(yīng)用場(chǎng)合的不同，流速又分為沖擊流速和非沖擊流速。在非沖擊流速下，對(duì)應(yīng)某種材料適用溫度以下，非沖擊流速不超過(guò)非沖擊流速曲線的流速，那么可以使用相應(yīng)材料；同理，在沖擊流速下，對(duì)應(yīng)材料適用溫度以下，沖擊流速不超過(guò)沖擊流速曲線的流速，那么，可以使用相應(yīng)材料。

由于儀表閥門(mén)屬于節(jié)流件，所以儀表閥門(mén)處的流速均定義為沖擊流速。以150℃設(shè)計(jì)溫度以下的碳鋼和200℃設(shè)計(jì)溫度以下的不銹鋼為例，其沖擊流速等式見(jiàn)表1。

當(dāng)流速超越?jīng)_擊曲線流速的工況，就應(yīng)該考慮使用豁免材料。常用材質(zhì)免除壓力和最小厚度見(jiàn)表2。

值得注意的是，在EIGA-IGC13-12與EIGA-IGC 13-02中對(duì)于各種材質(zhì)的豁免壓力及壁厚做出了很多修改，例如將Inconel600（厚度：不規(guī)定）的豁免壓力由6.9Mpa（1000psig）修改為Inconel600（厚度：3.18mm（0.125”））的豁免壓力8.61Mpa（1250psig）；將Inconel625（厚度：3.18mm（0.125”））的豁免壓力由8.7Mpa（1250psig）修改為Inconel625（厚度：3.18mm（0.125”））的豁免壓力6.9Mpa（1000psig）。由于EIGAIGC13-02[2]近10年的應(yīng)用期，使得國(guó)內(nèi)許多設(shè)計(jì)壓力低于8.7Mpa的工況都選擇的Inconel625，因此有許多成功開(kāi)車(chē)和運(yùn)行的業(yè)績(jī)；然而依據(jù)新的標(biāo)準(zhǔn)8.7Mpa的工況Inconel625不再適用，而Inconel600在國(guó)內(nèi)已開(kāi)車(chē)投用的項(xiàng)目中應(yīng)用相對(duì)較少。因此，在某些壓力8.7Mpa左右，閥芯節(jié)流處沖擊流速很快的場(chǎng)合設(shè)計(jì)者宜考慮使用豁免壓力更高的蒙乃爾材質(zhì)，確保氧氣管道的安全。但是由于Monel的硬度比Inconel軟，在高壓力時(shí)需要考慮提高磅級(jí)以適應(yīng)要求。

圖2 合成氣放空分程控制簡(jiǎn)圖Fig.2 Synthesis gas venting process control diagram

以某煤氣化工藝包，以氧氣調(diào)節(jié)閥為例：氧氣體積含量為99.6%，操作壓力高達(dá)8.7MpaG，管道流速為6.3m/s，溫度為30℃。由表1及表2可知，在當(dāng)前工況只能在鎳合金材料里選擇，綜合考慮閥芯、閥座選擇MonelK-500并進(jìn)行硬化處理，閥桿選擇強(qiáng)度更好的InconelX-750，閥體選擇MonelK-500。需要注意的是如果選擇Monel合金，由于其含有銅元素，在長(zhǎng)期使用的過(guò)程中，可能會(huì)出現(xiàn)氧化，出現(xiàn)閥體顏色加深變黑或者變紅的現(xiàn)象。

出于對(duì)氣化爐回火和防火的考慮，選用專(zhuān)用石墨填料。氧氣切閥的密封等級(jí)必須滿足Ⅵ級(jí)雙向密封，而氧調(diào)閥根據(jù)工況一般滿足Ⅳ級(jí)即可。閥門(mén)的口徑必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的計(jì)算，因?yàn)殚y門(mén)口徑的大小與流經(jīng)閥芯的流體流速息息相關(guān)。

值得注意的是所有氧閥都必須進(jìn)行脫水、脫油和脫脂處理，歐洲標(biāo)準(zhǔn)中允許最大的油脂含量在壓力為30bar的情況下為500mg/m2。閥門(mén)需進(jìn)行防火及氧用（鈍化）處理，保證內(nèi)壁光滑、無(wú)毛刺。閥門(mén)選型本身應(yīng)選擇流道簡(jiǎn)單，開(kāi)、關(guān)閥門(mén)時(shí)無(wú)鋒利切面的閥型。

2.2 黑水閥

把細(xì)顆粒狀懸浮物（煤渣等顆粒）含量較高，還含有酸性氣體的介質(zhì)稱(chēng)為黑水；懸浮物經(jīng)沉降后顆粒物較少的介質(zhì)稱(chēng)為灰水。黑水對(duì)閥門(mén)及節(jié)流裝置沖蝕嚴(yán)重，且容易在節(jié)流處堵塞閥門(mén)及管道，因?yàn)楹兴嵝詺怏w，還具有一定的腐蝕性。

由圖1可知，煤氣化的黑水閥主要集中在氣化爐出口去渣水高壓閃蒸罐，旋風(fēng)分離器和洗滌塔出口的黑水管線以及渣水處理工段內(nèi)的黑水閥。

伴隨著高差壓、高流速，也加劇了介質(zhì)對(duì)閥體的磨蝕，同時(shí)也可能出現(xiàn)閃蒸、空化甚至阻塞流。例如渣水工況，氣化激冷室底部出來(lái)的黑水在進(jìn)高壓閃蒸罐之前，從6.58MPa（G）降到1.8MPa（G），必然發(fā)生閃蒸[3]。

常規(guī)單座閥流道復(fù)雜，容易囤積雜質(zhì)，導(dǎo)致閥門(mén)卡死，黑水工況下長(zhǎng)時(shí)間可能導(dǎo)致內(nèi)件損壞或者脫落。另外單座閥抗閃蒸、空化通常會(huì)選擇迷宮籠式或多級(jí)降壓式閥芯，因?yàn)楹谒锥滤圆贿m用于此工況。選擇角閥，閥內(nèi)件采用碳化鎢硬化，閥門(mén)出口采用喇叭口式擴(kuò)管，能較好適應(yīng)當(dāng)前工況。隨著國(guó)內(nèi)廠家在這一閥型上制造能力的提高，國(guó)產(chǎn)角閥已經(jīng)具備一定的水平，性價(jià)比更高，已經(jīng)有不少使用業(yè)績(jī)。

對(duì)于低壓閃蒸罐出口和真空閃蒸罐出口的黑水控制閥，因?yàn)閴翰钚。部蛇x用偏心旋轉(zhuǎn)閥，閥內(nèi)件均做噴涂碳化鎢或等同的硬化處理，即使在雜質(zhì)顆粒的高速?zèng)_刷下也能持久地工作。而且偏心旋轉(zhuǎn)閥流道與管道近似，流體阻力小，流通能力強(qiáng)，不會(huì)堵塞，適用于此種工況。

2.3 鎖渣閥

鎖渣閥是指排渣安全閥、鎖斗入口閥和鎖斗出口閥。

鎖斗的順序控制包括泄壓、排渣、充壓和集渣4個(gè)過(guò)程，鎖渣閥參與鎖斗的順控程序，因此它的優(yōu)劣關(guān)系到鎖斗的正常運(yùn)行和工藝生產(chǎn)的安全和穩(wěn)定。

鎖渣閥與黑水閥相似的是介質(zhì)都為黑水或者灰水，而不同的是鎖渣閥口徑達(dá)到DN400mm，壓力等級(jí)900LB，為了確保氣化爐內(nèi)的壓力穩(wěn)定，需要雙向密封。

全通徑固定球閥，既能滿足介質(zhì)流體的需求，又能達(dá)到雙向密封。雙作用氣缸，并配備儲(chǔ)氣罐，保證了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的正常工作。閥體選用WCB（流道襯套雙相鋼噴涂WC），閥芯、閥座選用316SS加硬化處理。閥門(mén)還須滿足NACE MR0175標(biāo)準(zhǔn)要求，因?yàn)榻橘|(zhì)中含硫。由于參與鎖斗順控，對(duì)閥門(mén)的動(dòng)作時(shí)間還有一定要求，根據(jù)工藝包不同而略有差異，一般小于8s。

2.4 合成氣放空閥

合成氣放空閥為洗滌塔頂部出口管線與火炬之間的兩個(gè)閥門(mén)，如圖2所示。采用分程調(diào)節(jié)，在開(kāi)車(chē)工況，小流量時(shí)可以用小閥調(diào)節(jié)；當(dāng)氣化爐憋壓或者下游故障堵塞的情況下，為了保證主管壓力穩(wěn)定，使用雙閥調(diào)節(jié)。

工況：介質(zhì)為氣化爐的粗煤氣經(jīng)過(guò)旋風(fēng)分離和洗滌塔洗滌后的相對(duì)潔凈的合成氣。操作溫度達(dá)到240℃，操作壓力接近6.4MpaG，壓降更是高達(dá)6Mpa。經(jīng)過(guò)計(jì)算，閥門(mén)出現(xiàn)阻塞流。

為了應(yīng)對(duì)上述工況，選擇GLOBE閥，閥芯和閥座進(jìn)行硬化處理，選用石墨填料，散熱型閥蓋。因?yàn)閴翰畲?，采用平衡式套筒閥芯，這樣可以減小閥門(mén)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的大小。迷宮式閥芯可以有效減小閃蒸的危害，延長(zhǎng)閥門(mén)的使用壽命，同時(shí)還能起到降噪的作用。如果閥門(mén)的降噪效果不明顯，還需要在閥后增加降噪板，減小噪聲污染。值得注意的是如果爐子的直徑大于32m時(shí)，GLOBE不再適宜。

2.5 煤漿流量測(cè)量?jī)x表

由于流動(dòng)的煤漿對(duì)節(jié)流件的沖蝕比較嚴(yán)重以及易于沉淀的特性，因此煤漿流量的測(cè)量不能用孔板、渦街等使用節(jié)流元件的測(cè)量方法。通常使用電磁流量計(jì)來(lái)測(cè)量煤漿的瞬時(shí)流量，煤漿給料泵轉(zhuǎn)速來(lái)計(jì)算流量。

水煤漿的工況特點(diǎn)：壓力高（達(dá)到10MpaG）、流速低、漿料濃度大以及含金屬顆粒，有磨損性，導(dǎo)電率大于10μs/cm。因此煤漿電磁的要求要遠(yuǎn)高于一般電磁流量計(jì)。

首先煤漿電磁流量計(jì)要采用耐高壓、能經(jīng)受流體擠壓和沖刷的襯里材料，增強(qiáng)聚四氟乙烯（ETFE）耐磨性能高于四氟乙烯（PTFE）材料，同PFA相比既能同樣滿足負(fù)壓，又能更抗磨損、撕裂和腐蝕，是煤漿工況的理想材料。其次電極材料選用Hastelloy C。最后高壓力工況是需要特別關(guān)注的，因?yàn)楦邏簣?chǎng)合的電磁流量計(jì)只有少數(shù)廠商能夠提供。電磁流量計(jì)可以水平安裝，也可以垂直安裝，但必須保證管道充滿介質(zhì)。

2.6 高溫?zé)崤?/h3>

氣化爐高溫?zé)崤紝?zhuān)指氣化爐開(kāi)車(chē)后使用的測(cè)量爐膛溫度的3支熱電偶。

氣化爐爐內(nèi)反應(yīng)溫度高達(dá)1300℃，高溫?zé)崤嫉氖褂锰幱诟邷亍⒏邏?、高沖刷、強(qiáng)氧化-還原環(huán)境，這就對(duì)熱偶保護(hù)管的耐壓、材質(zhì)等提出了很高的要求。普通熱電偶已無(wú)法滿足測(cè)量需要。

高溫?zé)崤疾捎谩癇”型標(biāo)準(zhǔn)熱偶材料（鉑銠30-鉑銠6），可長(zhǎng)期在1600℃高溫環(huán)境下使用，短時(shí)可耐溫1800℃。熱偶保護(hù)套管采用二硅化鉬等金屬陶瓷材料制成[4]。

隨著氣化爐地長(zhǎng)期使用，爐壁襯里的厚度會(huì)隨著焦化沖刷逐漸變薄，內(nèi)壁向外擴(kuò)延。為了保證傳感器前端在內(nèi)壁處的最佳測(cè)量位置，熱偶的長(zhǎng)度可以根據(jù)爐內(nèi)耐火磚的沖刷程度進(jìn)行調(diào)整。具體長(zhǎng)度可以從熱偶孔處用帶直角鉤的工具鉤住爐磚內(nèi)壁進(jìn)行測(cè)量，即從爐磚內(nèi)壁至爐體熱偶法蘭外沿的長(zhǎng)度，為使熱偶避免直接沖刷，通常熱偶頂端自爐磚內(nèi)壁縮進(jìn)10~15mm。

熱偶法蘭采用15CrMo材料加工而成，在熱偶法蘭處采用耐高溫、高壓、高強(qiáng)度密封材料，防止熱偶套管斷裂后爐內(nèi)壓力外泄，或采用耐壓密封接線方式，耐壓等級(jí)同氣化爐。

3 結(jié)束語(yǔ)

在煤氣化項(xiàng)目中，自動(dòng)控制儀表性能的好壞直接關(guān)系到生產(chǎn)操作的安全和穩(wěn)定。本文根據(jù)已實(shí)施的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)工況分析了煤氣化裝置的儀表選型，并且已經(jīng)在現(xiàn)場(chǎng)得到了很好地應(yīng)用。為同行在此類(lèi)工況下的儀表選型上提供參考。

[1]EIGA Doc-13-12-Oxygen Pipeline and Piping Systems[Z].

[2]EIGA Doc-13-02-Oxygen Pipeline and Piping Systems[Z].

[3]陸德民,張振基,黃步余.石油化工自動(dòng)控制設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2000.

[4]石油化工自動(dòng)化儀表選型設(shè)計(jì)規(guī)范,SH 3005-1999[Z].中國(guó)石油化工集團(tuán)公司.