碎煤加壓氣化渣鎖閥問(wèn)題分析及技術(shù)改進(jìn)的探索

陳夢(mèng)陽(yáng)

(潤(rùn)和科華催化劑(上海)有限公司,上海 201313)

碎煤加壓氣化技術(shù)最早是由魯奇公司開(kāi)發(fā)出來(lái)并應(yīng)用在煤化工項(xiàng)目中,具有氧耗低、蒸汽耗量少、廢水量小、煤種適應(yīng)性強(qiáng)、氣化效率高等優(yōu)點(diǎn)。目前,該技術(shù)的主要代表有四代魯奇爐、賽鼎爐、BGL、煤科爐等。從國(guó)內(nèi)現(xiàn)有裝置運(yùn)行情況看,碎煤加壓氣化爐單次開(kāi)車運(yùn)行天數(shù)及穩(wěn)定性相對(duì)于粉煤氣化、水煤漿氣化還稍顯差距。制約其穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素之一是渣鎖閥頻繁故障、壽命短。閥門故障檢修時(shí)需要停爐、挖爐,技術(shù)難度大、耗時(shí)久。

本文通過(guò)對(duì)碎煤加壓氣化渣鎖閥的問(wèn)題進(jìn)行分析和總結(jié),結(jié)合水煤漿氣化、粉煤氣化上渣鎖閥成功應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn),探索性地提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。

1 碎煤加壓氣化渣鎖系統(tǒng)工況特點(diǎn)

渣鎖系統(tǒng)主要由渣鎖斗、渣鎖上錐閥、渣鎖下錐閥等組成(見(jiàn)圖1)。集渣時(shí)渣鎖上錐閥打開(kāi),渣鎖斗與汽化爐壓力保持一致,壓力值為4.0MPa(g);排渣時(shí)渣鎖上錐閥關(guān)閉、鎖斗泄至常壓,然后打開(kāi)渣鎖下錐閥排渣。液態(tài)熔渣從氣化爐送至激冷室,并在其中冷萃爆裂粒徑約3mm的固態(tài)渣,之后經(jīng)過(guò)渣鎖斗排至渣池。此外,渣鎖設(shè)置一套復(fù)雜的順控程序,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集渣、渣鎖閥泄漏測(cè)試、泄壓、排渣、沖洗及充壓等步驟。

圖1 碎煤加壓氣化煤渣鎖示意

渣鎖上、下錐閥工況有以下特點(diǎn):①渣水混合物流速高,劇烈沖刷其閥桿、閥芯及閥座;②渣水混合物含有H2S、CO2等酸性物,腐蝕性強(qiáng);③渣鎖閥集成渣鎖斗內(nèi)部,結(jié)構(gòu)復(fù)雜。渣水易結(jié)垢、滲透力強(qiáng),灰渣容易堆積在搖臂活動(dòng)處、閥座組件內(nèi)部;④排渣頻次高、渣鎖閥開(kāi)關(guān)頻繁。

2 氣化爐渣鎖閥的問(wèn)題分析

從圖1可知,渣鎖上、下錐閥均由閥桿、閥頭、搖臂、搖臂軸及液壓缸組成。位于鎖斗壁外的液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)搖臂及搖臂軸,帶動(dòng)閥桿上下移動(dòng),最終實(shí)現(xiàn)渣鎖閥的開(kāi)關(guān)。鎖斗內(nèi)還設(shè)置導(dǎo)向套及其固定支架,將閥桿置于導(dǎo)向套內(nèi),以保證閥桿垂直移動(dòng)而水平方向不偏離。從圖1可以看出,閥結(jié)構(gòu)復(fù)雜、活動(dòng)部件多,易磨損卡塞、維修難度大。閥門需內(nèi)件沖洗、閥門泄漏測(cè)試,順控程序也相對(duì)繁瑣。

(1)閥搖臂貫穿渣鎖斗,貫穿口密封困難。通常采用石墨填料加注潤(rùn)滑油的方式對(duì)搖臂貫穿口進(jìn)行密封。但實(shí)際運(yùn)行時(shí)發(fā)現(xiàn),鎖斗內(nèi)外壓差大、搖臂的頻繁動(dòng)作使貫穿處的密封填料持續(xù)磨損,導(dǎo)致頻繁泄漏;處理泄漏時(shí)氣化爐需降負(fù)荷,嚴(yán)重時(shí)迫使氣化爐停車。填料泄漏嚴(yán)重制約著氣化爐的穩(wěn)定、高負(fù)荷運(yùn)行。

(2)閥內(nèi)件易沖蝕、卡塞損壞,維修困難。渣水流速高,會(huì)對(duì)其閥桿、閥芯及閥座表面產(chǎn)生劇烈地沖刷;渣鎖斗內(nèi)的交變壓力,會(huì)使閥頭、閥座表面出現(xiàn)閃蒸;H2S等酸性物會(huì)使閥內(nèi)件產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。以上工況會(huì)導(dǎo)致閥頭、閥座密面遭破壞,使密封性能無(wú)法滿足生產(chǎn)要求,導(dǎo)致停爐。渣鎖斗空間狹小,維修人員進(jìn)入鎖斗內(nèi)維修困難大。人員進(jìn)入鎖斗內(nèi)部,可能因操作不當(dāng)導(dǎo)致中毒或窒息,安全風(fēng)險(xiǎn)大。

(3)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可能導(dǎo)致閥門供油不及時(shí)、閥動(dòng)作變慢、甚至不滿足渣鎖順控的時(shí)間要求。碎煤加壓氣化爐需備爐,即單套工程項(xiàng)目至少建設(shè)2臺(tái)氣化爐。多臺(tái)渣鎖閥和煤鎖閥共用一套液壓系統(tǒng)。各液壓閥分散布置在不同的框架樓層,導(dǎo)致油站至閥門的分支管線長(zhǎng)短不一。分支管線距油站過(guò)長(zhǎng),將影響液壓油的流動(dòng)性。液壓油也受氣溫影響較大,冬季氣溫低,油的黏度變大,流通性變差;夏季氣溫高,油溫升高,液壓油極易老化、變質(zhì)。以上因素均會(huì)影響液壓系統(tǒng)的可靠性,可能導(dǎo)致渣鎖閥門動(dòng)作、時(shí)間不達(dá)標(biāo)。

3 渣鎖閥技術(shù)改進(jìn)的探索

目前,國(guó)內(nèi)煤化工行業(yè)應(yīng)用比較成功、具有代表性的加壓氣化技術(shù)是水煤漿氣化工藝和粉煤氣化工藝。兩種氣化工藝渣鎖閥的設(shè)計(jì)基本相同,均設(shè)置3臺(tái)渣鎖閥:2臺(tái)安裝在渣鎖斗進(jìn)口,1臺(tái)用于程控集渣、1臺(tái)用于安全聯(lián)鎖;還有1臺(tái)安裝在渣鎖斗出口,用于向渣池排渣。渣鎖閥一般采用高溫全通徑耐磨球閥,雙向金屬硬密封,氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)。從結(jié)構(gòu)形式來(lái)看,有兩片式、三片式及中分式,其中兩片式結(jié)構(gòu)因其啟閉無(wú)沖突、扭矩低、密封面有自清潔結(jié)構(gòu)、泄漏點(diǎn)少、價(jià)格相對(duì)便宜等優(yōu)點(diǎn)受到了廣泛的應(yīng)用。

根據(jù)章節(jié)2的分析,針對(duì)渣鎖閥現(xiàn)存問(wèn)題,結(jié)合其他氣化工藝現(xiàn)有渣鎖閥設(shè)置特點(diǎn),筆者試探性地提出以下技術(shù)改進(jìn)措施。

(1)渣鎖閥完全設(shè)置在渣鎖斗外部,則可以很好地解決原渣鎖閥維修困難、貫穿口填料泄漏的問(wèn)題。改進(jìn)后的渣鎖閥設(shè)計(jì)方案見(jiàn)圖2。氣化爐激冷室與渣鎖斗獨(dú)立設(shè)置,中間采用管道相接。渣鎖上閥安裝在管道上,將激冷室和渣鎖斗完全隔離。渣鎖斗排渣時(shí),激冷室與渣鎖斗壓差達(dá)4.0MPa、管道管徑也比較大,為保證激冷室與渣鎖斗嚴(yán)密隔離,渣鎖上閥設(shè)置為雙閥,分別為渣鎖上閥和渣鎖安全閥。為了獲取足夠的安裝空間,雙閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)呈180°方向安裝。渣鎖下閥設(shè)置在排渣管線上,設(shè)置渣鎖下閥單閥。

圖2 改進(jìn)后的渣鎖示意

本方案除取消原渣鎖閥泄漏測(cè)試外,原有渣鎖順控程序保持不變。由于在渣鎖斗與激冷室之間設(shè)置了管道及閥門,在集渣排渣時(shí),閥門快速啟閉可能造成管道因交變的溫度、壓力產(chǎn)生的振動(dòng)和應(yīng)力疲勞,進(jìn)而導(dǎo)致設(shè)備失穩(wěn)、管線破裂。因此,激冷室、渣鎖斗及相應(yīng)管道不能全部采用剛性連接 。首先,渣鎖斗的支撐采用彈簧支架支撐,渣鎖斗保持有吸納一定位移量的能力;其次,渣鎖斗與渣池之間的管道做相應(yīng)的柔性處理,如加裝膨脹節(jié)或金屬軟管等;最后,可以適當(dāng)縮小鎖渣閥及相應(yīng)排渣管道直徑,例如鎖渣閥設(shè)置為DN300,可有效消除排渣時(shí)管道振動(dòng)問(wèn)題。本方案借鑒于粉煤加壓氣化的渣鎖技術(shù),目前國(guó)內(nèi)已有多套運(yùn)行裝置,渣鎖系統(tǒng)運(yùn)行良好。

本方案的優(yōu)點(diǎn)如下:①避免渣鎖斗貫穿口的存在、取消相關(guān)密封措施,杜絕了原有設(shè)計(jì)的填料泄漏風(fēng)險(xiǎn);②渣鎖閥位于渣鎖斗外部,空間充足、檢修難度降低,同時(shí)安全性提高,規(guī)避了因人員進(jìn)入渣鎖斗內(nèi)部檢修而導(dǎo)致中毒或窒息的風(fēng)險(xiǎn);③渣鎖閥選用全通徑球閥,密封性能高、閥門流道通暢、渣水不易堆積,渣鎖順控中閥門泄漏測(cè)試步驟取消,精簡(jiǎn)了順控程序。

(2)原渣鎖上、下錐閥機(jī)械活動(dòng)部件直接與渣接觸,容易被細(xì)渣卡死;閥頭、閥桿都暴露在渣水閃蒸環(huán)境中。改進(jìn)后的渣鎖上、下閥選用通道圓整平滑的全通徑固定球閥,其設(shè)計(jì)特點(diǎn)如下:①閥體采用兩片式結(jié)構(gòu),閥桿與球體選擇一體式結(jié)構(gòu)。渣鎖閥開(kāi)關(guān)動(dòng)作比較頻繁,閥桿、球體一體式結(jié)構(gòu)可避免閥桿與球體產(chǎn)生松動(dòng)甚至脫離的現(xiàn)象,能消除連接誤差,同時(shí)也足以保證球體與閥體的同心度;②閥桿與軸套硬化處理。煤渣為3mm的固體顆粒,其中夾雜著細(xì)小渣粒。閥桿及軸套基材選用高強(qiáng)度的17-4PH,并進(jìn)行固溶處理,增加接觸面的硬度。即使有少量的細(xì)微渣粒進(jìn)入其中,也能被碾壓粉碎,從而達(dá)到保護(hù)閥桿的目的;③球體及閥座基材采用F316不銹鋼,并在球體表面、流體通道及球體O形口邊緣噴涂碳化鎢,閥座上噴焊熔接鎳基合金(如Ni60),將密封面的硬度提升到HRC68～72,以抵抗渣水及煤渣對(duì)閥內(nèi)件的磨蝕、沖刷;④閥座設(shè)置自清潔刮刀設(shè)計(jì)。閥門動(dòng)作時(shí),刮刀環(huán)將沉積在球體表面的煤渣顆粒清除,在保持球體無(wú)黏附與劃傷的情況,減少泄漏可能性,提高了閥門的使用壽命;⑤閥座采用雙向金屬硬密封,等級(jí)Ⅵ,確保閥門的密封性能。

(3)選擇氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)代替原渣鎖閥液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)。氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)供氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、反應(yīng)迅速,不受溫度等因素影響,并且各閥門氣源相對(duì)獨(dú)立、相互干擾小。氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)如下:①執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣缸選用雙作用氣缸。渣鎖閥口徑DN400、最大關(guān)閉壓差為4.6MPa,需要力矩比較大。選用雙作用撥叉式執(zhí)行器可以很好地滿足啟閉渣鎖閥大力矩的要求,同時(shí)執(zhí)行器的尺寸與重量都在可接受的范圍,便于現(xiàn)場(chǎng)施工;②執(zhí)行機(jī)構(gòu)均配置獨(dú)立的氣源儲(chǔ)罐。渣鎖閥啟閉時(shí)間要求8～10s,瞬時(shí)耗氣量較大,易引起氣源波動(dòng),造成附近閥門供氣不足而無(wú)法正常工作;渣鎖閥遇到斷氣或斷電等緊急情況時(shí)應(yīng)該處于預(yù)先設(shè)定的安全狀態(tài)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)配置氣源儲(chǔ)罐可以克服此情況的發(fā)生?？諝鈨?chǔ)罐最小容積應(yīng)滿足在415kPa(g)儀表空氣壓力下,渣鎖閥全行程從開(kāi)到關(guān)和從關(guān)到開(kāi)各2次的儲(chǔ)氣量。

4 結(jié)語(yǔ)

渣鎖閥是氣化爐的核心部件,該閥一旦發(fā)生故障,將可能導(dǎo)致氣化爐停爐,影響生產(chǎn)的正常運(yùn)行。運(yùn)用上述技術(shù)方案,可有效地解決渣鎖閥故障率高的難題,進(jìn)而保障氣化爐穩(wěn)定可靠的運(yùn)行。碎煤加壓氣化渣鎖及渣鎖閥屬于專利設(shè)備,設(shè)備投資費(fèi)用高。方案改進(jìn)后,渣鎖斗與渣鎖閥不再是集成專利設(shè)備,完全可以實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化,無(wú)論是前期投資費(fèi)用還是后期維護(hù)成本,都將大幅度降低。