气化炉锁渣阀在水煤浆加压气化装置上的应用与国产化

伊拉克哈斯

1  概   述
   锁渣阀，也称之为锁斗阀，一般采用气动两位开关球阀，是液态排渣的水煤浆、多元料浆（以下统称水煤浆）和干煤粉气流床加压气化装置上最重要的阀门。每台气化炉设置3台锁渣阀，气化炉激冷室或破渣机下部与锁斗相连的管道上，即锁斗入口侧有2台：XV08、XV09锁渣阀，通常称为上锁渣阀，其中，XV09锁渣阀受程序控制，大约每30min开关一次，而XV08锁渣阀常开、在线备用，以备XV09锁渣阀出现泄漏等故障随时投用。当气化炉激冷室液位低，引起气化炉保安系统联锁动作时，XV08也联锁关闭，以防气化炉工艺气窜入锁斗系统，造成不良后果。锁斗排放口有1台：XV10锁渣阀，通常称为下锁渣阀，该阀的下口与大气相通。锁渣阀参加气化炉的排渣程序控制，受高温、高压灰渣的直接磨蚀，开关频繁，要求在高压差情况下，实现双向密封。
   锁渣阀使用位置关键，技术要求高，造价昂贵，颇受业内人土关注。

2  水煤浆加压气化排渣系统分析
2.1  工艺流程简介

   水煤浆加压气化工艺排渣系统流程示于图1。气化炉内气化压力通常在2.7MPa～8.5MPa，而渣池通大气，要使炉内的灰渣排到渣池，必须将介质的压力减至常压。当XV09锁渣阀打开、XV10锁渣阀关闭时，锁斗与气化炉处于一个系统，压力相等，此时可以将气化炉内的黑水收集到锁斗；相反，当XV09锁渣阀关闭，而XV10锁渣阀打开时，锁斗与渣池处于同一系统，压力相等，此时可以将锁斗内的黑水排入渣池。

2.2  锁渣阀使用工况

2.2.1  阀门所通过的介质
   某操作压力6.5MPa、日投煤量750t的水煤浆气化装置，锁渣阀所通过的夹带灰渣约270℃的黑水：正常排渣时为10578kg／h，最大为13700kg／h，渣水混合，其中渣占50％，渣的粒度一般为：3mm～50mm。黑水介质中含有水、Cl－、H2S、MgO、Fe2O3、SiO2、Al2O3等成分，过程具有化学腐蚀和机械磨蚀。
2.2.2  开关频率
   排渣周期即阀门开关频率大约为30min一次。
2.3  阀门使用要求
2.3.1 要求使用开关球阀，应按非阻塞流开关设计，最小100000次承受压力和温度循环操作。
2.3.2 阀门要求双向密封，在正向和反向的双向流动方向，在下游压力为大气压下的最大差压时，达ANSI B16.104 Classv级密封要求。
2.3.3  应考虑在介质冲击、腐蚀和磨蚀下，阀内件和流道的材料有最好的可用性。
2.3.4  阀门设汁的超压范围大于其最大工作压力的150％。
2.3.5 要求快速动作，从“全通→全关”或“全关→全通”的动作时间为3s～8s，并确保阀门动作到位。

3  进口锁渣阀在国内水煤浆加压气化装置上的应用

3.1  进口锁渣阀的使用业绩
   由于锁渣阀技术要求高，使用位置关键，锁渣阀本身若出现问题，会引起气化炉停车。我国早期采用水煤浆加压气化技术的单位，大都选用了进口品牌，已经投产的水煤浆加压气化装置上使用的进口锁渣阀情况见表1。

   由表1可知，国内引进的进口锁渣阀品牌主要有4家，即：芬兰Neles、德国Perrin、美国Argus和美国Mogas，其中芬兰Neles锁渣阀业绩最多。
3.2  进口锁渣阀的使用情况
3.2.1  Neles锁渣阀
   鲁南化肥厂是我国最早引进Texaco水煤浆加压气化技术的企业，采用的Neles锁渣阀为硬密封气动球阀，在最多动作25000次损坏后，由重庆白市驿锻造阀门研究所进行了维修，修复后的锁渣阀动作次数超过了35000次。
   上海焦化有限公司、兖矿国泰化工有限公司采用的Neles锁渣阀质量较好，没出现大的问题，就是使用时间长，需修复被磨损的密封面。
   由于煤中灰分20％左右，灰熔融性温度高，渣量大，黑水温度高，淮化使用的Neles锁渣阀经常出现因在黑水冲刷下密封面损坏、阀门内漏以及开关故障，导致气化炉单炉停车检修，锁渣阀的平均寿命12000次。
   Neles给渭化供货的锁渣阀的结构形式为：单阀座、固定球、硬密封气动球阀，而阀座的背压弹簧采用了波纹管。在开车初期，渭化出现的锁渣阀问题较多：多次由于XV09阀内漏，锁斗无法卸压排渣，被迫停车；由于XV10密封不好，导致锁斗充不上压，而不能正常收集炉渣。检查发现，阀门密封面损伤，有划痕，波纹管弹簧损坏逐次严重。分析认为，锁斗充压时，XV09阀承受过大反向压力，导致波纹管弹簧损坏，具体表现为弹簧在过大推力下，发生塑性变形，弹簧弹性力减弱，使得单座阀的阀座与球面之间无足够的密封力，最终导致密封面关不严、严重泄漏，密封面损坏。这是由于当时没有细致考虑6.5MPa气化压力下，锁渣阀所处的工艺条件。渭化采取的补救措施是：更换密封垫，在波纹管间隙增设伸缩限位用的卡环，增加压紧弹簧，防止波纹管受到大的推力后发生塑性变形，改变运行方式，减少反向压力。采取以上措施后，运行情况有所好转。
    Neles供给华鲁恒升化工股份有限公司（简称华鲁恒升）的6.5MPa水煤浆气化装置用锁渣阀，吸取了在渭化的教训，采取了一些新的保证措施，其主要结构特点是：固定球、双阀座；阀杆与阀球一体化设计、加工；硬密封，采用刮削式、面密封阀座结构，阀座采用环形弹簧加载；球体表面、阀座和弹簧表面喷焊（W／Cr）C，阀体和阀球内腔用420不锈钢作内衬。应该说，Neles的这种结构和配置有创新性，在当时属于比较好的结构。2005年9月，气化炉B因XV10锁渣阀问题停炉，经检查发现阀球密封面被冲刷出深40mm、宽50mm的坑，阀座密封面也被冲刷出几处凹陷，表面覆层脱落，弹簧也因变形而失效，弹簧簧丝之间局部有炉渣颗粒，造成阀门严重内漏，导致气化炉无法继续运行。华鲁恒升委托重庆白市驿锻造阀门研究所对该阀进行了修复：阀球焊补，密封面重新喷涂，更换损坏的弹簧，但用了不长时间，密封面覆层仍有局部脱落。后来，几台气化炉的XV09、XV10、XV08锁渣阀陆续出现问题，和上述气化炉B上的XV10阀损坏情况类似，华鲁恒升又委托上海弘盛特种阀门有限公司（简称上海弘盛）进行了维修，经华鲁恒升技术人员与上海弘盛的阀门专家一起探讨，上海弘盛维修时，将密封面喷的碳化钨厚度增加，而背压弹簧，上海弘盛则采用了具有自主知识产权的技术——环形弹簧包覆氟橡胶，累计使用时间明显延长。
3.2.2  其他品牌进口锁渣阀
   Perrin锁渣阀结构特点为：单阀座、固定球，阀球、阀杆两体式靠四方连接传递动力；硬密封，阀座采用若干个柱形弹簧（成一圈布置）加载；冲洗水设计为选项：Perrin的意见是阀门在每次开关过程中，都进行冲洗，可以达到最优的效果，但这样会使锁渣阀的配管复杂化，浩良河化肥厂、南化公司都选择了这一选项；阀球可设计为V型切口，这样可使球阀在小开度时的物料顺畅地进入下游管道。2007年1月～4月，南化公司陆续发现气化炉A、气化炉B上使用的Perrin锁渣阀阀杆有裂纹并有部分材料脱落，阀球、阀座局部被冲刷出豁口；2007年5月，南京惠生公司发现气化炉B下锁渣阀出现泄漏，拆检后，确认阀球、阀座硬质合金层脱落。
   Argus锁渣阀结构特点为：固定球、双阀座，阀球、阀杆两体式靠花式销键连接传递动力；硬密封，阀座具有刮刀式边缘结构设计，采用碟形弹簧或柱形弹簧加载；阀体两侧设有吹扫口。金陵石化使用的Argus锁渣阀，出现过硬化层剥落现象。
   Mogas给南化公司提供的锁渣阀为浮动球，阀球与阀杆为两体式，下游阀座固定，上游阀座可移动，密封端为下游阀座，管道内介质的压力（上、下游压差）将球体推向下游阀座，使两者紧密接触，而上游阀座通过碟形弹簧与球体紧密接触。南化公司反映Mogas锁渣阀自投用到2007年7月31日运行基本平稳。其主要缺点是所需工作转矩大；浮动球阀的阀球、阀杆连接处，必须设计得有一定间隙，长时间或频繁动作后，存在间隙变大、打滑、滑脱的隐患，到时候可能会使阀球不能开关到位。

4  锁渣阀的国产化

4.1  国产化锁渣阀概况
   进口锁渣阀价格昂贵，制造周期长，零配件供应不及时，维修不方便，一旦发生故障，会造成单炉停车，对这种阀门急需国产化。一些采用水煤浆加压气化技术的煤化工企业对此进行了积极的探索，相应地，目前已经有上海弘盛特种阀门有限公司、浙江五洲阀门有限公司、重庆白市驿锻造阀门研究所和浙江超达阀门制造有限公司4个阀门厂家涉足了锁渣阀的国产化工作。
   2002年初，淮化使用重庆白市驿锻造阀门研究所生产的锁渣阀，以替换经常损坏的进口锁渣阀，与进口锁渣阀互为备用，该锁渣阀结构为固定球、硬密封、阀座采用蝶簧压紧，使用效果有所改善，但是仍不能尽如人意。2006年，淮化又从浙江超达阀门制造有限公司定做了2台锁渣阀，其结构为固定球、硬密封、阀座采用一圈柱簧压紧，阀球、阀杆呈两体机械连接，该锁渣阀刚投用时，因局部问题曾造成了单台气化炉系统停车，后又进行了维修、改造。
   2006年5月投产的山西丰喜肥业集团临猗分公司水煤浆气化装置，采用了上海耐莱斯?詹姆斯伯雷和浙江五洲阀门有限公司两家企业的锁渣阀。
   上海弘盛维修华鲁恒升的进口锁渣阀，局部采取了一些新的结构、材料，属于改进式维修，维修后的锁渣阀与原来相比，累计使用时间明显延长。由于修复需要一定周期，而这些阀门出现问题一般又比较集中，为了不影响生产，华鲁恒升又委托上海弘盛制造了3台备用锁渣阀。3台备用锁渣阀已先后投用1年零5个月～7个月，至今一直运行正常。2007年元月，华鲁恒升新投入运行的操作压力6.5MPa、日投煤量1500t的气化炉E全部采用了上海弘盛生产的锁渣阀，至今没出现问题。
4.2  上海弘盛为华鲁恒升供货的国产化锁渣阀特点
   上海弘盛在对进口锁渣阀改进式维修的基础上，博采了众家之长，局部又有所创新，形成了自己的国产化锁渣阀。其主要特点如下：
   （1）对分式、固定球、金属硬密封。
   （2）双阀座采用阀座阀前密封，两个阀座均能独立切断进口端流体，如此实现双阻断功能。
   （3）阀球、阀杆一体化设计，保证了球体的对中性，避免了频繁开关后的阀球、阀杆脱离。
   （4）独特的阀座弹簧结构：采用高温强度好、高温下耐腐蚀、抗氧化的Inconel AlloyX－750合金材料制作成环形弹簧，外包耐高温的氟橡胶（该公司取得的专利号：ZL200420082322.7），既避免了多个柱簧形式的受力变形不均匀现象，又克服了其他弹簧结构不可避免地被进入的灰渣卡死的情况。
   （5）阀座采用金属宽带自刮削式结构，可对阀球表面实现自清洁，防止灰渣堵塞在密封面上。
   （6）在对阀球、阀座等进行硬化处理时，考虑了硬化层既要具有一定硬度和韧性，又能涂敷一定厚度，同时考虑能采用合适的硬化工艺，保证表面覆层与基体材料的结合力等因素，采用了不锈钢表面喷焊镍基合金的方式，使阀门耐磨性、抗冲蚀和抗挤压能力更强。
   （7）配用大刚度、大力矩的执行机构。

5  结   语

   引进国外产品和技术后，在使用中应注意研究其优缺点，在对其维修、改进式维修中消化吸收，是一种切实可行的方式。有关单位采用国产化的锁渣阀，对相应进口产品或代用，或备用，有的国产化锁渣阀使用性能比进口产品还好，有效地保障了水煤浆加压气化装置的稳定运行。