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水煤漿氣化裝置閥門(mén)設(shè)計(jì)和選型
 
 
信息來(lái)源:原創(chuàng)  發(fā)布人:zjcz  發(fā)布時(shí)間:[2016-5-26]
 

水煤漿氣化技術(shù)是世界上最先進(jìn)的氣流床煤氣化技術(shù)之一,將為中國(guó)煤化工行業(yè)煤炭液化、整體煤氣化聯(lián)循環(huán)發(fā)電(IGCC)、煤基多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展提供關(guān)鍵技術(shù),將大大推動(dòng)中國(guó)煤化工技術(shù)的發(fā)展,推進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步,在生產(chǎn)操作控制過(guò)程中,控制閥起著十分重要的作用,針對(duì)氣化高溫、高壓、易燃易爆、反應(yīng)劇烈、爐渣沖刷等特殊工況,選擇合適的、高質(zhì)量的氧氣、煤漿、爐渣控制閥門(mén)用于生產(chǎn)操作、聯(lián)鎖控制過(guò)程中,達(dá)到安全、穩(wěn)定控制溫度、壓力、流量工藝操作條件。
   氣化爐內(nèi)的燃燒壓力4.0~6.3MPa,溫度1100~1300℃,是一個(gè)高溫高壓燃燒罐,是高度危險(xiǎn)的裝置,一旦發(fā)生意外事故,后果不堪設(shè)想,所以它的安全可靠是第一位;其次,為維護(hù)正常的燃燒狀態(tài),要求噴入的水煤漿流量和混入的氧氣流量必須匹配,否則有可能煤粉燃燒不完全或產(chǎn)生無(wú)用氣體,氧氣過(guò)量時(shí)有可能發(fā)生爆炸,因此要求自控系統(tǒng)的控制精度高、穩(wěn)定性好;第三,氣化爐是連續(xù)工作的裝置,必須有相當(dāng)長(zhǎng)的使用周期。由于氣化爐裝置以上特點(diǎn),相應(yīng)地對(duì)它的附屬設(shè)備和相關(guān)控制儀表業(yè)提出了很多技術(shù)要求,控制閥直接控制生產(chǎn)介質(zhì),必須具有特殊結(jié)構(gòu)適合氣化工況使用,對(duì)幾個(gè)典型的控制閥介紹如下。
1、氧氣切斷閥氧氣流量控制閥
   氣化爐內(nèi)高壓高速地燃燒,大量的氧氣進(jìn)入,為保證正常的燃燒狀態(tài),確保氣化爐的安全,必須嚴(yán)格調(diào)節(jié)控制氧氣的流量,快速無(wú)泄漏的地切斷氧氣,由于對(duì)調(diào)節(jié)和切斷2個(gè)功能的要求都很高,所以通常用3個(gè)控制閥來(lái)完成,即氧氣流量控制閥、氧氣切斷閥、氧氣放空閥,統(tǒng)稱(chēng)氧氣閥。與一般工業(yè)過(guò)程控制閥相比,對(duì)氣化爐用氧氣閥有幾個(gè)特殊要求:
高壓差:氧氣切斷閥的關(guān)閉壓差最高,達(dá)5.0~7.0MPa,如此高的壓差條件下同時(shí)要求其泄漏等級(jí)達(dá)到VI級(jí),一般控制閥室很難達(dá)到的,只有用O形切斷閥。由于高壓差作用,球體承受的側(cè)向推力,大大減小球體表面與閥座之間的摩擦力矩。氧氣流量控制閥主要是精確地調(diào)節(jié)流量,要求它具有良好的流量特性;其次是關(guān)閉時(shí)的切斷性能,泄漏等級(jí)為VI級(jí),所以一般選用套筒型控制閥。
   材料:高壓氧氣在閥內(nèi)高速流動(dòng),可能與零件發(fā)生摩擦,產(chǎn)生熱量,如碰到碳鋼制造;應(yīng)用鎳基合金(Inconel 合金)或超低碳的奧氏體不銹鋼(如316L,304L),結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工況的差異,閥體材質(zhì)選用MONEL材質(zhì),閥芯、閥座材質(zhì)選用MONEL400/ALLY6號(hào)材質(zhì),為避免閥桿長(zhǎng)期處于一個(gè)開(kāi)度不變而垢死,閥桿選用K500材質(zhì)。
工藝要求:凡接觸氧氣的零件必須除水、除油,確保干凈清潔。因高壓氧氣在閥內(nèi)流速為20~30m/s,若碰到毛刺、凹槽、凸肩等發(fā)生高速摩擦,因此流道內(nèi)壁和閥內(nèi)件的幾何形狀應(yīng)圓滑過(guò)渡,表面光滑,所以在設(shè)計(jì)、加工、裝配、試驗(yàn)、運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié),都制定嚴(yán)格的工藝規(guī)程,確保達(dá)到預(yù)定技術(shù)要求。因此,氧氣閥的特殊要求在于材料和加工。
由于高壓氧氣的易爆特性,氧氣閥本身是一個(gè)易爆的危險(xiǎn)裝置;為確保安全,在選用氧氣閥的公稱(chēng)壓力時(shí)要提高2個(gè)壓力等級(jí),如氣化爐的壓力為6.3MPa,那么閥門(mén)的公稱(chēng)壓力要求選PN160(ANSIClass900)。
2、煤漿切斷閥和煤漿灰水控制閥
   水煤漿是液相和固體粉末二相的混合介質(zhì),在閥芯與閥座之間形成的環(huán)形節(jié)流口形很高的流速。它面臨著3個(gè)問(wèn)題,煤漿在閥門(mén)的節(jié)流口達(dá)到相當(dāng)高的流速,由于煤漿有一定硬度,因此其沖蝕的破壞力很大;
煤漿也會(huì)淤積、堵塞閥腔,所以要求閥內(nèi)流道通暢無(wú)死角;煤漿很細(xì),能滲入閥芯導(dǎo)向間隙,可能導(dǎo)致閥芯卡死。
   煤漿有一定的附著粘結(jié)力,在閥芯閥座的密封面上形成積垢,影響閥門(mén)全關(guān)時(shí)的泄露等級(jí),所以要求控制閥能自動(dòng)清除這些積垢。
所以對(duì)灰水閥也有3個(gè)特殊要求:耐沖蝕、防堵塞、自清洗;宜畮缀鯖](méi)有腐蝕性,所以閥體、閥蓋可用碳鋼材料,閥芯、閥座等基本材料用一般的奧氏體不銹鋼,其表面熱敷一層耐沖蝕的硬質(zhì)合金即可;灰水形成的積垢,其附著力小于結(jié)焦層,所以不必配用大力矩的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
根據(jù)以上情況,灰水控制閥一般選用耐沖蝕型偏心旋轉(zhuǎn)控制閥,這種閥的閥體內(nèi)腔近似一個(gè)圓筒,通暢無(wú)死角,煤灰無(wú)法在其中囤積。其閥芯作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),在二側(cè)的導(dǎo)套間隙中,灰渣很難滲入內(nèi)部,即使形成積垢,因附著力不強(qiáng),閥芯旋轉(zhuǎn)時(shí)容易被擠碎;另外,閥芯關(guān)閉時(shí),當(dāng)它碰到閥座密封面后,由于結(jié)構(gòu)的原因、閥芯與閥座有一個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng),能把密封面上的積垢磨碎掉,所以有自清洗功能。選用這種控制閥還有一個(gè)重要原因,它體積小、質(zhì)量輕,安裝方便;同口徑的閥,其質(zhì)量只有角形控制閥的三分之一左右,加上閥體、閥蓋等零件可用碳鋼,價(jià)格也便宜很多。由于氣化爐中煤漿燃燒速率與其他系統(tǒng)的反應(yīng)速率有關(guān),還與供氧、冷卻等相關(guān),為保持穩(wěn)定的燃燒狀態(tài),它不斷地調(diào)節(jié)煤漿的流量,因此要求相當(dāng)高的調(diào)節(jié)精度,通常選用等百分比流量特性。
3、鎖渣閥
   鎖渣閥工藝介質(zhì)為渣水,含渣量20%,有腐蝕性、揮發(fā)性;沖洗水閥介質(zhì)為灰水;動(dòng)作頻率每小時(shí)開(kāi)關(guān)4次。選用球閥,閥體采用碳鋼加流道堆焊Stellite(斯特立)合金;閥桿應(yīng)采用防噴桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),材質(zhì)1Cr13鍛件,鍍Ni,P;閥球采用固定球,密封面及流道口堆焊Stillite合金,閥球唇口堆焊斯特立合金厚度不低于12mm,球整體噴涂或堆焊硬質(zhì)合金;閥座為316堆焊Stellite合金,堆焊層加工后不小于1mm,閥座后彈簧材質(zhì)為Inconel750,閥座后須有防砂結(jié)構(gòu),防止灰渣進(jìn)入彈簧后造成彈簧失靈,閥腔有自動(dòng)卸壓功能,當(dāng)閥門(mén)關(guān)閉后,閥腔內(nèi)壓力高于關(guān)閉壓力時(shí),能自動(dòng)卸壓至壓力低的一側(cè)。填料采用柔性石墨(帶潤(rùn)滑)。硬度要求為閥坐HRC52-54,閥球HRC58-62。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇具有足夠的裕量,開(kāi)關(guān)次數(shù)為100萬(wàn)次無(wú)故障;采用雙缸雙作用電液執(zhí)行機(jī)構(gòu),力矩大,安全性高,帶有力矩保護(hù)功能,閥桿也不會(huì)被扭斷或變形。鎖渣閥選用雙向硬密封球閥、閥球與閥座硬化處理、三段式固定球結(jié)構(gòu),浮動(dòng)閥座,確保了氣化定時(shí)排渣、安全聯(lián)鎖運(yùn)行。
4、合成氣蝶閥
   氣化爐出口合成氣流量大,動(dòng)作快,泄漏等級(jí)要求高,因此使用蝶閥進(jìn)行流量控制,執(zhí)行機(jī)構(gòu)選用帶故障位置的電液執(zhí)行機(jī)構(gòu),力矩大,震動(dòng)小,正常使用壽命可達(dá)100萬(wàn)次;閥體、閥板、閥軸同心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),100%雙向氣VI級(jí)密封;無(wú)支架外型結(jié)構(gòu)緊湊,質(zhì)量輕,體積小。采用無(wú)銷(xiāo)連接,維護(hù)簡(jiǎn)單易行;無(wú)靠背設(shè)計(jì)保證了閥門(mén)安裝完畢后不增加扭矩。蝶閥為進(jìn)口高性能?chē)娡堪澹绕胀ò甯幽湍,壽命更長(zhǎng),流量特性?xún)?yōu)良。
   結(jié)合使用經(jīng)驗(yàn)選用三偏心蝶閥,三偏心蝶閥結(jié)構(gòu)特征為在雙偏心的閥桿軸心位置偏心的同時(shí)使蝶板密封面的圓錐型軸線(xiàn)偏斜于本體圓柱軸線(xiàn),經(jīng)過(guò)第三次偏心后蝶板的密封斷面不再是圓,而是橢圓,其密封面形狀也因此而不對(duì)稱(chēng),一邊傾斜于本體中心線(xiàn),另一邊則平行于本體中心線(xiàn)。第三次偏心的最大特點(diǎn)就是從根本上改變了密封構(gòu)造、不再是位置密封。而是扭力密封、即不是依靠閥座的彈性變形,而是完全用閥座的接觸面壓來(lái)達(dá)到密封效果,因此一舉解決了金屬閥座泄漏這一難題,并因接觸面壓與介質(zhì)壓力是成正比的、耐高壓高溫也迎刃而接。
5、黑水調(diào)節(jié)閥
   氣化爐燃燒生成的原料氣和煤灰從下部分別排出,經(jīng)噴淋水冷卻后,大部分煤灰沉入鎖斗后被排出;但冷卻水中仍含有相當(dāng)多的煤灰,所以從氣化爐排出的冷卻水俗稱(chēng)黑水,它經(jīng)控制閥調(diào)節(jié)后進(jìn)入下一道工藝,一般加熱到250℃左右,此時(shí)煤粉中很多化學(xué)成分開(kāi)始分解并與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng),形成多種腐蝕性極強(qiáng)的物質(zhì),因此控制閥的閥體、閥蓋和與熱煤漿接觸的所有零件必須采用抗腐蝕材料,特別是閥體、閥蓋,不能用一般的奧氏體不銹鋼,而是用鐵素體-奧氏體雙相結(jié)晶的不銹鋼,它不僅有極強(qiáng)的耐腐蝕性,而且它的機(jī)械強(qiáng)度比奧氏體不銹鋼高出一倍以上。 根據(jù)這項(xiàng)技術(shù)特性要求,在眾多的結(jié)構(gòu)型式中,角形控制閥比較符合要求,單座結(jié)構(gòu)的角形控制閥其閥芯用頂部導(dǎo)向結(jié)構(gòu),閥芯柄與導(dǎo)套之間有一定的間隙,雖然它處于主流束的上方,但是黑水不可避免地要滲入導(dǎo)向的間隙中,一旦停車(chē),就在間隙中形成結(jié)焦薄膜層,有很強(qiáng)的附著力;當(dāng)再啟動(dòng)時(shí),往往閥芯被卡死。為防止卡死,在閥芯的導(dǎo)向段設(shè)計(jì)鏟除結(jié)構(gòu),而且鏟下的結(jié)焦粉末能通過(guò)逃逸槽自行排出,就是說(shuō)這種控制閥同樣具有自清洗能力。因鏟除結(jié)焦需要很大的推力,因此經(jīng)常配用大推力的電液執(zhí)行機(jī)構(gòu),其推力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通的氣動(dòng)或電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu),推力可大于150kN。

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