水煤漿氣化工藝中的儀表選型

婁承

(中國(guó)天辰工程有限公司，天津 300400)

1 GE德士古水煤漿氣化工藝流程

德士古水煤漿氣化工藝流程簡(jiǎn)介如下： 將原料煤、水及添加劑等輸送至研磨機(jī)研磨成水煤漿，由高壓煤漿泵送入氣化爐燒嘴。來(lái)自空分裝置的氧氣在氣化爐內(nèi)加溫加壓后發(fā)生部分氧化反應(yīng)，氣化爐膛內(nèi)溫度達(dá)1 350～1 400 ℃。離開(kāi)氣化爐的粗合成氣和熔渣進(jìn)入激冷室，粗合成氣經(jīng)第一次洗滌并被水淬冷后，溫度降低與水及蒸汽形成飽和合成氣后出氣化爐；氣體經(jīng)文丘里洗滌器、碳洗塔洗滌除塵冷卻后送至變換工段。氣化爐、洗滌塔等排出的黑水經(jīng)四級(jí)閃蒸后送往澄清槽處理或循環(huán)利用。氣化爐反應(yīng)中生成的熔渣經(jīng)水浴分離后，由撈渣機(jī)從渣池?fù)瞥龊笱b車(chē)外運(yùn)。

水煤漿、氧氣、合成氣及黑水等是水煤漿氣化工藝流程中的關(guān)鍵工藝介質(zhì)，針對(duì)這些工藝介質(zhì)的特殊儀表選型方案逐一展開(kāi)介紹。

2 水煤漿流量計(jì)與切斷閥的選型

2.1 水煤漿電磁流量計(jì)

水煤漿是非牛頓流體，由于其特殊的物理特性，固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)55%～65%，動(dòng)力黏度在0.7～3.0 Pa·s，流速只有不到1 m/s，同時(shí)具有一定的腐蝕性。要求流量計(jì)具有抗沖刷性，低流速抗干擾性及抗腐蝕性，所以需要采用專(zhuān)用的煤漿電磁流量計(jì)測(cè)量流量。水煤漿電磁流量計(jì)特點(diǎn)：

1)通常采用抗沖刷襯里，材質(zhì)如耐磨ETFE或PFA，也有采用聚氨酯襯里的。

2)采用低噪音或雙頻勵(lì)磁電極，材質(zhì)如哈氏合金C加陶瓷。

3)采用分體式變送器，具有濾波降噪功能。

4)需要有良好的接地裝置，可選內(nèi)置接地和外置接地環(huán)兩種，外置接地環(huán)還可以起到保護(hù)襯里翻邊的作用。

2.2 水煤漿氣動(dòng)切斷球閥

水煤漿切斷球閥通常采用固定球型式，閥體材質(zhì)采用碳鋼WCB，其下游切斷閥接近爐頭位置，需考慮回火425 ℃高溫要求，材質(zhì)采用碳鋼WC6或WC9，可要求基材進(jìn)行NACE處理，閥芯閥座采用SS316加STELLITE6或碳化鎢(WC)硬化處理，閥芯采用刮刀設(shè)計(jì)，閥桿采用防噴出結(jié)構(gòu)，材質(zhì)為17-4PH加熱處理，閥座后彈簧材質(zhì)為INCONEL750，開(kāi)關(guān)行程時(shí)間均要求小于5 s，選用彈簧復(fù)位氣缸式執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在出廠前根據(jù)配管要求旋轉(zhuǎn)一定的角度。

GE工藝包目前通常要求在水煤漿主管線及回流管線上均設(shè)置上、下游兩道切斷閥，4臺(tái)煤漿閥均為參與開(kāi)車(chē)順控及安全聯(lián)鎖的重要切斷閥，所以對(duì)閥門(mén)的泄漏等級(jí)要求較高，一般推薦TSO，V級(jí)雙向密封，但根據(jù)煤漿閥的切斷特性，同時(shí)要求閥門(mén)能達(dá)到API598雙向零泄漏密封等級(jí)。

3 氧氣流量測(cè)量與控制閥的選型

3.1 氧氣流量測(cè)量元件

主管氧氣流量測(cè)量通常采用文丘里流量計(jì)，管線上設(shè)置溫壓補(bǔ)償，整體材質(zhì)為INCONEL625，可采用焊接或法蘭連接方式，采用均壓環(huán)式的3對(duì)取壓口進(jìn)行“2003”聯(lián)鎖，由于管道存在振動(dòng)，故建議取壓口與導(dǎo)壓管之間采用焊接的連接形式。

中心氧管線流量測(cè)量通常采用標(biāo)準(zhǔn)孔板，孔板及取壓法蘭材質(zhì)為INCONEL625。主氧管線爐頭處通常設(shè)置1臺(tái)限流孔板，由于限流孔板離爐頭較近，易受高溫影響變形，故要求孔板具有足夠的厚度以保證其強(qiáng)度。

氧氣流量變送器膜片選擇時(shí)，應(yīng)避免硫、氯的腐蝕，膜片應(yīng)選用MONEL材質(zhì)。

3.2 氧氣控制閥選型

氧氣主管上設(shè)置的控制閥有氧氣主管流量控制閥、遙控閥及主管上下游切斷閥。氧氣放空管上設(shè)置的控制閥有放空管流量控制閥、放空管切斷閥。中心氧管線上設(shè)置的控制閥有流量控制閥。此外還有隔離高壓氮?dú)獾牡?、緩沖及吹掃閥等。

這些控制閥均參與開(kāi)停車(chē)順控、泄壓吹掃順控等重要安全聯(lián)鎖，通常設(shè)置互為備用的雙電磁閥控制，并通過(guò)限位開(kāi)關(guān)2個(gè)關(guān)位和閥位變送器反饋信號(hào)組成“2003”聯(lián)鎖控制。

對(duì)于高壓氧氣，氧氣控制閥以及管線的材質(zhì)一直是比較關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題，歐洲工業(yè)氣體協(xié)會(huì)EIGA在其氧氣管道系統(tǒng)規(guī)定上不斷地調(diào)整常用材質(zhì)INCONEL625，INCONEL600以及MONEL 400，MONEL K500的豁免壓力，尤其INCONEL625和INCONEL600的豁免壓力在歐洲氧氣管道系統(tǒng)規(guī)范IGC DOC 13/02/E—2002和歐洲氧氣管道系統(tǒng)規(guī)范IGC DOC 13/12/E—2012上更是進(jìn)行了一次相當(dāng)于對(duì)調(diào)的調(diào)整，對(duì)于最小厚度3.18 mm時(shí)，INCONEL625的豁免壓力降到了6.9 MPa，而INCONEL600的豁免壓力卻提升到了8.7 MPa。但由于INCONEL625具有良好的耐高溫性及耐腐蝕性，該工藝包還是推薦INCONEL625作為首選，并聲明通過(guò)GE的測(cè)試，INCONEL625在厚度為6.35 mm時(shí)，其耐壓特性會(huì)提升至11.7 MPa，并將其測(cè)試結(jié)果提交EIGA。

為避免控制閥出現(xiàn)過(guò)多的沖擊工況，閥體口徑應(yīng)盡量與管道保持一致，閥內(nèi)件材質(zhì)的選擇一般有兩種，早期為INCONEL625堆焊STELLITE6，由于STELLITE6的豁免壓力較低，只有3.44 MPa，該堆焊方式理論上講存在降低閥內(nèi)件整體豁免壓力的可能，目前不宜推薦，后期改為INCONEL625噴涂鎳基合金，符合規(guī)范要求，但能做的供貨商不多且造價(jià)較高。還有一種為滿(mǎn)足豁免壓力采用的新的方式，閥體還是采用INCONEL625，閥內(nèi)件采用MONEL K500，理由是K500擁有超高豁免壓力，當(dāng)厚度0.762 mm時(shí)，豁免壓力為20.68 MPa的同時(shí)，還具有高溫下的耐壓特性保證強(qiáng)度，不會(huì)像MONEL 400在高溫下耐壓能力驟降，需提高整體壓力等級(jí)才能滿(mǎn)足要求，需提醒制造商考慮MONEL K500與INCONEL625兩種材質(zhì)的膨脹系數(shù)以避免出現(xiàn)閥內(nèi)件卡塞現(xiàn)象。

關(guān)于控制閥的結(jié)構(gòu)，氧氣控制閥應(yīng)盡量首選低進(jìn)高出的閥體結(jié)構(gòu)，按照ASTM G88的要求，氧氣介質(zhì)先進(jìn)入閥腔再節(jié)流，可減小介質(zhì)對(duì)閥體流道的沖擊，不易形成湍流。

此外，閥門(mén)前后直管段還需遵循GB16912—2008《深度冷凍法生產(chǎn)氧氣及相關(guān)氣體安全技術(shù)規(guī)范》及歐洲氧氣管道系統(tǒng)規(guī)范IGC DOC 13/12/E—2012，尤其閥后直管段宜為5D～8D，建議值為1.5 m。

4 爐膛及爐壁的溫度測(cè)量?jī)x表選型

4.1 氣化爐高溫?zé)犭娕?/h3>

氣化爐高溫?zé)犭娕嫉氖褂脡勖饕Q于套管的設(shè)計(jì)及材質(zhì)的選擇，通常為進(jìn)口碳化硅內(nèi)襯納米陶瓷管，且管內(nèi)進(jìn)行填充密封形成一個(gè)實(shí)體腔，避免氣體對(duì)偶絲的腐蝕和還原。

4.2 氣化爐表面熱電偶

以1臺(tái)6.5 MPa德士古氣化爐為例，拱頂通常設(shè)9個(gè)溫區(qū)，變徑段設(shè)3個(gè)溫區(qū)，直筒段設(shè)18個(gè)溫區(qū)，并覆蓋高溫?zé)犭娕嘉恢眉绊敳糠ㄌm。每個(gè)溫區(qū)使用1支溫度等級(jí)CT2C的熱點(diǎn)探測(cè)器對(duì)其爐壁表面進(jìn)行熱點(diǎn)探測(cè)，每臺(tái)爐一般使用30支熱點(diǎn)探測(cè)器。同時(shí)，通過(guò)溫度采集系統(tǒng)將熱點(diǎn)探測(cè)器信號(hào)傳輸?shù)紻CS，可采用溫度輸入輸出模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。

4.3 間接測(cè)量法

一般還可以通過(guò)分析洗滌塔出口合成氣中CH4的含量來(lái)判斷爐溫。

5 合成氣放空控制閥的選型

5.1 合成氣放空控制閥

合成氣放空控制閥一般采用多級(jí)降噪的套筒閥及閥后出口加降噪板的配置方式，同時(shí)選用大小2種口徑的閥門(mén)通過(guò)分程調(diào)節(jié)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)車(chē)階段及緊急放空階段的多種工況。

合成氣放空調(diào)節(jié)閥應(yīng)用于高壓差6.5 MPa，同時(shí)又是高溫約240 ℃的場(chǎng)合，合成氣在開(kāi)車(chē)工況時(shí)容易含灰等固體顆粒，所以在閥門(mén)選型時(shí)需注意，閥體材質(zhì)通常為WC6，閥內(nèi)件材質(zhì)通常為SS316堆焊STELLITE6，降噪套筒開(kāi)孔一般不小于8 mm，可在合理噪音控制范圍內(nèi)，有效避免控制閥出現(xiàn)堵或卡的現(xiàn)象而影響開(kāi)車(chē)。由于管道高溫及振動(dòng)的影響，閥桿可選用散熱型或延長(zhǎng)型，閥門(mén)定位器可采用分體式或加儀表空氣吹掃的方式降溫。此外，大閥盡量選用足夠大的流通能力可有效優(yōu)化開(kāi)車(chē)控制。

近兩年，合成氣放空控制閥也有采用迷宮式調(diào)節(jié)球閥來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)及切斷兩種功能。

5.2 合成氣切斷閥

合成氣切斷閥通常采用三偏心蝶閥，一路用于切斷合成氣火炬放空，另一路用于切斷合成氣去變換單元。閥體材質(zhì)通常為WC6，由于蝶閥閥板不承壓，材質(zhì)可與閥體相同，應(yīng)注重閥座密封環(huán)的選型，最好采用全金屬密封環(huán)以增強(qiáng)耐磨損能力和使用壽命。

此外，需注意去變換單元的三偏心蝶閥可能存在雙向承壓的工況，泄漏等級(jí)應(yīng)考慮雙向密封要求，同時(shí)閥門(mén)所受壓差大，三偏心蝶閥是靠扭矩密封，應(yīng)考慮足夠扭矩的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

6 黑水流量測(cè)量及控制閥的選型

6.1 楔式流量計(jì)

氣化產(chǎn)生的渣水、黑水介質(zhì)，具有高溫，含固量高，不同粒徑的硬質(zhì)顆粒摻雜在高速流體中流動(dòng)，沖刷性強(qiáng)，富含硫及氯離子，腐蝕性強(qiáng)，停車(chē)后容易結(jié)垢等特點(diǎn)。

對(duì)于黑水流量的測(cè)量，通常采用楔式流量計(jì)，其楔塊采用噴涂WC碳化鎢或直接采用實(shí)體碳化鎢，硬度達(dá)到HRC70，具有良好的抗沖刷性能，選型時(shí)需注意楔塊的頂角角度，應(yīng)盡量大，最好控制在90°～120°，可有效避免介質(zhì)的沖刷而損壞測(cè)量管，如果介質(zhì)在測(cè)量管中流速超過(guò)4 m/s，建議測(cè)量管尤其是楔塊對(duì)面處做硬化處理涂層以增強(qiáng)其耐磨性，提升其使用壽命。

6.2 鎖渣閥

通常把鎖斗系統(tǒng)的鎖斗入口上、下游切斷閥，鎖斗出口切斷閥及沖洗水切斷閥該4臺(tái)閥門(mén)稱(chēng)作鎖渣閥，鎖渣閥的應(yīng)用工況除了耐高溫、耐磨損、耐腐蝕外，還有很重要的一點(diǎn)就是其高頻次開(kāi)關(guān)特性，大約每30 min開(kāi)關(guān)1次，同時(shí)鎖渣閥還參與氣化爐的安全聯(lián)鎖。

該工藝包目前開(kāi)始分析渣水中的硫、氯離子含量，并將鎖渣閥的閥體材質(zhì)提高至雙相鋼2205，甚至超級(jí)雙相鋼2507，同時(shí)對(duì)閥體、閥球流道及閥球唇口處進(jìn)行硬化處理以增強(qiáng)閥體的耐腐蝕性及耐沖刷性。

多數(shù)情況下，鎖渣閥及黑水球閥的閥座后彈簧材質(zhì)采用INCONEL750，這種材質(zhì)很硬，如果采用碳鋼閥體，彈簧腔內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間滲進(jìn)黑水后產(chǎn)生腐蝕，容易被很硬的彈簧磨損，閥體材質(zhì)的提高可有效避免問(wèn)題。

為節(jié)約成本，該閥也有采用閥體襯套或堆焊硬質(zhì)合金等成熟的制造工藝，以提高鎖渣閥的使用壽命。

鎖渣閥的閥球及閥座的硬化處理方式有很多種，通常有堆焊STELLITE、超音速火焰噴涂碳化鎢或碳化鉻(冷噴)及等離子堆焊等方式，每種方式都有自己的特點(diǎn)，后期加工及最終厚度也不太一樣，實(shí)際應(yīng)用效果相差不大。

由于渣水中的固體顆粒多且細(xì)小，容易滲透到閥軸間隙、閥座密封墊及閥腔內(nèi)等部位，造成卡塞導(dǎo)致閥門(mén)失靈，所以刮刀設(shè)計(jì)、導(dǎo)灰槽設(shè)計(jì)、蝶形彈簧，以及浮動(dòng)閥座等特殊設(shè)計(jì)可根據(jù)需要選型。

此外，通常要求鎖渣閥成套調(diào)速排氣閥，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況調(diào)整閥門(mén)開(kāi)關(guān)行程時(shí)間，并控制在5～8 s，以控制渣水對(duì)管道的沖擊力。

6.3 黑水角閥

黑水角閥主要用于黑水進(jìn)閃蒸罐的工況，該處容易出現(xiàn)閃蒸和氣蝕的工況。經(jīng)過(guò)流體動(dòng)力學(xué)的計(jì)算，閥體為流線型，無(wú)死區(qū)，材質(zhì)多為雙相鋼，閥芯采用實(shí)體碳化鎢，閥座采用嵌套碳化鎢，文丘里擴(kuò)散段采用整體STELLITE合金，整體構(gòu)造能有效避免閃蒸及氣蝕現(xiàn)象對(duì)閥體及閥內(nèi)件的磨損。角閥一般都會(huì)要求加機(jī)械限位以避免閥內(nèi)件碰撞的產(chǎn)生的損傷。角閥出口管道應(yīng)要求采用厚壁管，如條件允許最好進(jìn)行硬化處理，以避免被沖蝕。

7 其他需注意的儀表選型事項(xiàng)

7.1 氫氣壓力儀表

合成氣中含有一定量的氫氣，應(yīng)考慮氫脆現(xiàn)象的發(fā)生，最好采用鍍金膜片。

7.2 開(kāi)車(chē)工況的控制閥選型

氣化工藝中有一些控制閥在開(kāi)車(chē)工況和正常運(yùn)行工況存在較大差壓，如洗滌塔液位控制閥，正常運(yùn)行時(shí)流量大、壓差很小，偏心旋轉(zhuǎn)閥可調(diào)，但開(kāi)車(chē)工況中則存在大壓差的現(xiàn)象，所以該類(lèi)控制閥可采用窗口式的套筒閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。

7.3 分析儀表的選型

氣化洗滌塔出口合成氣分析有多種組合方案，如單表方案、色譜方案及質(zhì)譜方案。單表方案投資小，但后期維護(hù)量大；色譜方案投資偏高，性能可靠，后期維護(hù)量相對(duì)小，但分析周期相對(duì)長(zhǎng)；質(zhì)譜方案投資最高，性能先進(jìn)，后期維護(hù)量小，分析周期相對(duì)短很多，實(shí)時(shí)性和精度相對(duì)高。

8 結(jié)束語(yǔ)

氣化裝置是煤化工項(xiàng)目的核心，因此，首先要選用使用壽命長(zhǎng)、質(zhì)量及性能優(yōu)越、更安全可靠的儀表，同時(shí)更要緊跟自動(dòng)化儀表現(xiàn)代化科技發(fā)展的步伐，不斷從設(shè)計(jì)中優(yōu)化儀表選型，給最終用戶(hù)提供最優(yōu)的選型方案，能夠?yàn)闅饣b置的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供可靠的保證。