瓦斯蓄熱氧化工藝熱能調(diào)控裝備分析與探討

張 濤

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室，重慶 400037； 2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037)

一直以來，煤礦低濃度瓦斯和乏風(fēng)瓦斯因其較低的甲烷含量而未能得到有效利用和重視，絕大部分被直排進入大氣，造成資源浪費和環(huán)境污染。近年來，以中煤科工集團重慶研究院有限公司為代表的一些企業(yè)開發(fā)的低濃度瓦斯蓄熱氧化井筒加熱工藝成功地解決了這一問題，該工藝利用煤礦井下抽采瓦斯和乏風(fēng)瓦斯為原料，經(jīng)過蓄熱氧化裝置和熱交換裝置將甲烷釋放的熱量提取并加以利用[1-3]。瓦斯蓄熱氧化是目前煤礦乏風(fēng)及低濃度瓦斯利用的主要技術(shù)手段，合理的熱能調(diào)控技術(shù)及措施是提高蓄熱氧化利用經(jīng)濟性和安全性的先決條件，而熱能調(diào)控的核心裝備是高溫調(diào)節(jié)閥。筆者重點針對瓦斯蓄熱氧化工藝熱能調(diào)控的特殊性能要求，從材料和結(jié)構(gòu)兩個方面對瓦斯蓄熱氧化工藝熱能調(diào)控核心設(shè)備高溫閥門進行分析與探討，并對實際使用過程中的效果進行分析。

1 高溫閥門的作用及性能要求

在瓦斯蓄熱氧化工藝中，一般將高溫閥門設(shè)置在蓄熱氧化裝置后端、用能設(shè)備前端的高溫?zé)煔夤艿郎?，這部分高溫?zé)煔庵饕煽諝夂图淄榉磻?yīng)生成的二氧化碳、水蒸氣組成，溫度高達800～1 000 ℃。由于工藝后端用能設(shè)備大多處于并聯(lián)狀態(tài)，互不干擾，故每個用能設(shè)備前端均有一個高溫閥門用來調(diào)節(jié)進入該設(shè)備的煙氣量，以實現(xiàn)熱能的系統(tǒng)調(diào)控。

在整個蓄熱氧化系統(tǒng)運行過程中，高溫閥門主要有兩個作用：

1)維持設(shè)備穩(wěn)定運行，實現(xiàn)系統(tǒng)熱能調(diào)控功能，提高經(jīng)濟性。蓄熱氧化裝置的爐溫穩(wěn)定性直接影響工藝的正常運行，提取的煙氣流量直接影響后端的熱量供應(yīng)，而穩(wěn)定的爐溫和煙氣流量很大程度上取決于工藝中的熱能調(diào)控系統(tǒng)，工藝中熱能調(diào)控系統(tǒng)主要由溫度傳感器和高溫調(diào)節(jié)閥組成，熱能調(diào)控主要依靠高溫?zé)煔夤艿郎细邷亻y門調(diào)節(jié)來實現(xiàn)[4-7]。

2)當(dāng)后端某些用能設(shè)備出現(xiàn)故障且系統(tǒng)不能停機時，高溫閥門可阻止過量煙氣進入后端換熱器或鍋爐等設(shè)備，避免換熱設(shè)備干燒，提高安全性。

因此，高溫閥門是低濃度瓦斯蓄熱氧化井筒加熱工藝中的關(guān)鍵裝備，此類高溫閥門在材料和結(jié)構(gòu)等方面與一般閥門有著巨大差異[8-11]，實際使用過程中不僅要滿足高溫條件下閥體內(nèi)件形變極小、啟閉調(diào)節(jié)順暢的性能要求，同時，還要保證較低的泄漏量，泄漏等級需達到Ⅲ級。

2 閥門材質(zhì)及結(jié)構(gòu)分析

2.1 閥門材質(zhì)分析

高溫閥門特殊的使用條件使其在材料的選擇上比較復(fù)雜，不僅要比較材料本身的性能，而且針對閥門的主體和內(nèi)件材料也要做不同的選擇和處理。

1)材料的性能。一般而言，高溫條件下，鋼材的力學(xué)性能會發(fā)生明顯變化：當(dāng)溫度超過400 ℃時，鋼材硬度隨溫度的升高而下降，塑性指標隨溫度的升高而上升。當(dāng)溫度超過450 ℃時，鋼材會發(fā)生蠕變，蠕變與溫度、應(yīng)力的關(guān)系為：若溫度不變，則應(yīng)力蠕變速度較大；若應(yīng)力不變，則溫度越高蠕變速度越大[12]。高溫閥門設(shè)計中，確定許用應(yīng)力是選擇材料的關(guān)鍵，為了經(jīng)濟性，只需確定一個應(yīng)力值，使得在閥門的使用壽命內(nèi)，材料蠕變不至于發(fā)生斷裂或者發(fā)生影響運動件相對運動的形變即可；另外，在長期的高溫載荷作用下，鋼材會發(fā)生斷裂，材料的斷裂應(yīng)力隨溫度的升高而減小，也隨時間的增加而減小。因此，設(shè)計時需比較材料的蠕變性能和斷裂性能，選擇其中較低的許用應(yīng)力。

2)主體材料優(yōu)選。高溫閥門特殊的使用條件決定了其主體材質(zhì)需要具備良好的熔接性，對沖擊具有良好的吸收性能，回火脆性傾向較小等，常見的材料有優(yōu)質(zhì)碳素鋼、不銹鋼及高溫合金鋼。優(yōu)質(zhì)碳素鋼在425 ℃溫度下長期工作時，其碳化物有轉(zhuǎn)化成石墨的可能，因此其工作溫度不宜超過 425 ℃。馬氏體不銹鋼在400～550 ℃長期工作時有可能產(chǎn)生回火脆性；奧氏體不銹鋼使用溫度超過525 ℃時，其碳含量(質(zhì)量分數(shù))應(yīng)大于0.04%，否則其強度會顯著下降[13]。高溫合金鋼中金屬的熔點越高，合金的耐熱溫度就越高，尤其是鎳基合金鋼在高溫條件下能保持足夠的強度和抗氧化性，經(jīng)過處理，其使用溫度可達到1 000～1 100 ℃。綜合比較，選擇牌號為K403的鎳基沉淀硬化型等晶鑄造高溫合金鋼作為閥門的主體材料，該合金鋼常用于燃氣鍋爐導(dǎo)向葉片、閥門等零件。

3)內(nèi)件材料優(yōu)選。由于閥體和閥芯的散熱條件不同，以及閥體的線膨脹和閥座的徑向膨脹不同，所以為防止擦傷和卡死，在高溫條件下閥門零件間的工作間隙應(yīng)該增大，而間隙的增大量由材料的線膨脹系數(shù)、使用溫度和應(yīng)力決定。此外，內(nèi)件的擦傷和磨損問題也需要重點考慮。高溫閥門內(nèi)件母體通常采用316不銹鋼，其具有良好的耐熱性和耐氧化性，同時，在其表面堆焊鎢鉻鈷硬質(zhì)合金或噴焊陶瓷，以提高閥內(nèi)件的硬度、耐磨損及耐氣蝕性能。

2.2 密封結(jié)構(gòu)分析

相比于普通閥門，高溫閥門的特殊結(jié)構(gòu)主要體現(xiàn)在中部密封結(jié)構(gòu)、密封副設(shè)計、上密封結(jié)構(gòu)和螺栓連接設(shè)計。

1)中部密封結(jié)構(gòu)：常見的密封結(jié)構(gòu)大致可分為強制密封和伍德密封。強制密封的原理是擰緊中法蘭螺栓，使其對密封墊片施加壓力并對預(yù)緊墊片產(chǎn)生壓縮，使得密封面上的微小縫隙被有效填滿從而達到密封效果，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1—閥蓋；2—墊片；3—閥體。

伍德密封的原理是在升壓操作前先擰緊牽制螺栓，使浮動蓋上移二使閥蓋和彈性楔形墊之間形成旋緊密封，當(dāng)流體介質(zhì)施加壓力時，閥蓋將會有向上移動趨勢，此時牽制螺栓卸載，閥蓋和楔形墊之間的密封比壓隨介質(zhì)壓力升高而增大，最終達到良好的密封性[14-17]，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1—支撐環(huán)；2—四開環(huán)；3—閥蓋。

由于強制密封常見于中溫、中壓及中小口徑系列閥門中，故在此高溫條件下選擇伍德密封結(jié)構(gòu)來保障閥門良好的密封性。

2)密封副設(shè)計：在閥體和密封環(huán)接觸點，通過堆焊硬質(zhì)合金來提高密封結(jié)構(gòu)的硬度。密封環(huán)設(shè)計成外圓柱面樣式，并留置2條環(huán)狀溝槽，保證內(nèi)堆面角度為26°，浮動閥蓋對面角度為28°，使二者以線接觸形式貼合，提高密封效果。另外，密封環(huán)表面硬度小于閥體和閥蓋密封接觸位置硬度，以滿足塑性形變和強度要求。閥瓣和閥座密封面進行司太立堆焊處理，保證密封表面強度，提高其表面抗擦傷能力。

3)上密封結(jié)構(gòu)：采用整體堆焊形式處理，避免采用分體上密封座螺紋連接可能因上密封座和閥蓋熱膨脹不同帶來的螺紋容易松動的問題，直接將上密封座點焊在閥蓋上。

4)高溫螺栓連接：由于螺栓也長期在高溫狀態(tài)下工作，為避免螺栓被咬死，采用鎳基合金材料，并將螺紋設(shè)計成粗牙螺紋，適當(dāng)增加中徑間隙。

3 應(yīng)用效果

通過研究設(shè)計制造的2臺高溫閥門，在陽煤五礦小南莊瓦斯蓄熱氧化井筒加熱項目實際應(yīng)用過程中表現(xiàn)穩(wěn)定，經(jīng)過2個供暖季的運行僅出現(xiàn)1次卡頓故障報警，并在下一個啟閉周期時自動恢復(fù)正常，應(yīng)用表明其故障率極低。

同時，通過閥門后端的流量計監(jiān)測結(jié)果顯示，當(dāng)高溫閥門處于完全關(guān)閉狀態(tài)時，允許通過流量為 2 500 m3/h(標準狀況下)的閥門泄漏量保持在2 m3/h(標準狀況下)以下，泄漏率在千分之一以下；允許通過流量為15 000 m3/h(標準狀況下)的閥門泄漏量保持在10 m3/h(標準狀況下)以下，泄漏率在千分之一以下。泄漏等級達到Ⅲ級要求，提高了整個工藝系統(tǒng)的安全性。

在使用高溫閥門的熱能調(diào)控系統(tǒng)調(diào)控下，陽煤五礦小南莊瓦斯蓄熱氧化井筒加熱項目中的主要用能點——井筒進風(fēng)的溫度隨時間的變化情況如圖3所示。

圖3 井筒進風(fēng)溫度變化圖

從圖3中可以看出，當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生較大變化時，井筒進風(fēng)溫度基本保持在15 ℃或10 ℃左右，能維持一個較小的波動水平，這說明使用高溫閥門的熱能調(diào)控系統(tǒng)起到了較好的調(diào)控作用，同時也保證了整個蓄熱氧化裝置的平穩(wěn)運行，為后端提供了穩(wěn)定的熱量輸出，提高了整個工藝的經(jīng)濟性。

4 結(jié)語

高溫閥門是低濃度瓦斯蓄熱氧化井筒加熱工藝中熱能調(diào)控的核心部件，通過對其材料、結(jié)構(gòu)和加工工藝的分析和探討，選用合適的材料和工藝設(shè)計制造的高溫閥門基本滿足低濃度瓦斯蓄熱氧化井筒加熱工藝的要求。在陽煤五礦小南莊瓦斯蓄熱氧化井筒加熱項目等實際應(yīng)用過程中，高溫閥門工作狀態(tài)穩(wěn)定，故障率低、泄漏量小，保證了工藝裝置的平穩(wěn)運行，提高了工藝的安全性和經(jīng)濟性，為該環(huán)保工藝的推廣應(yīng)用提供了有力的技術(shù)支持。