GSP气化炉激冷水系统阀门的使用与技术改造

特瑞

    1 GSP气化技术介绍

    神华宁煤集团煤基烯烃项目气化装置中采用德国西门子GSP气化炉，是GSP干煤粉加压气化技术在世界上的首次工业化应用。GSP工艺技术是20世纪70年代末由原民主德国开发并投入商业化运行的大中型气流床煤气化技术，采用干粉进料、纯氧气化、液态排渣、粗合成气激冷工艺流程。该流程包括干粉煤的加压计量输送系统（即输煤系统）、气化与激冷、气体除尘冷却（即气体净化系统）、黑水处理等单元。

    在GSP气化工艺中，载气输送过来的加压干煤粉、氧气及少量蒸汽（对不同的煤种有不同的要求）通过组合喷嘴，进入到气化炉中反应，生成合成气。气化炉包括气化室和激冷室。

    西门子GSP气化炉的操作压力为2.5MPa（g）～4.0MPa（g），根据煤粉的灰熔融特性，气化操作温度控制在1350℃～1 750℃。高温气体与液态渣一起离开气化室，向下流动，直接进入激冷室，被喷射的高压激冷水冷却，液态渣在激冷室底部水浴中成为颗粒状，定期从排渣锁斗中排入渣池，并通过捞渣机，装车运出。激冷水系统主要为气化炉激冷室提供循环水，通过调节阀，调节到激冷室的水流量而控制激冷室温度，若激冷水流量无法调节，则影响结渣效果，甚至烧毁激冷室；因此激冷水阀的稳定运行对气化炉至关重要，一旦阀门出现故障，气化炉就必须停止运行。

    2 激冷水系统阀门使用情况

    神华宁煤集团煤基烯烃项目气化装置激冷水系统配置了3台SAMSON生产的双相钢调节阀，结构形式为V-Port形式，2台4寸（约133mm）的，1台2寸（约67mm）的。

    气化装置2010年10月开始试车，2011年4月开始投运，但是整个系统投运不到3d，就因为激冷水阀被冲刷无法调节流量而停车，拆检后发现阀内件受到严重冲蚀，有1台阀门的阀芯甚至已冲蚀殆尽。

    当时为了继续开车，紧急联系国内金属表面硬化处理专业厂家，对该批阀的内件采用激光熔覆与微弧火花技术进行了修复。修复后阀门抗冲刷能力虽然比原阀强，但仅经过7d～10d，仍被冲刷磨损，阀内件受到严重冲蚀，部分阀门阀体也出现磨损情况。

    之后，公司又组织技术人员与国内阀门厂家对该批阀的结构做了技术分析和改造：首先将阀芯形式由原来的V-Port式改为多流道笼式（套筒阀），阀座采用笼式结构；其次材质选用了不锈钢、耐热钢中硬度最高的440C材质（硬度可达到HRC58）。经过技改，该批阀回装后效果良好，可连续运行1个月，但仍未达到预期效果，该系统阀门仍是制约气化炉长周期稳定运行的隐患。

    组织专家及原阀门厂家再次攻关分析，认为介质中颗粒太大，而双相钢不耐硬质颗粒的冲刷，判断SAMSON的Globe阀不适合此工况，建议阀内件选用硬度较大的材料，结构采用偏心旋转阀。根据建议，对该批阀的结构做了改造：结构采用偏心旋转阀，阀体材质选用SCPH61+喷涂（铬钼钢+碳化钨），内件材质选用17-4PH+激光熔焊，但改造后连续运行18d，偏心旋转结构的阀又出现磨损现象，阀芯被冲蚀出很大缺口，阀座有明显的冲刷深槽，无法起到调节作用。

    3 激冷水阀易损原因分析

    由于该GSP气化炉是首次将实验数据工业化应用，部分系统的设计参数与实际工况有较大偏差，甚至严重影响生产稳定运行。按照西门子的原设计，激冷水系统中的颗粒度大小为0.1μm，质量浓度为0.1mg/L；后经西门子公司重新测算，激冷水系统中的颗粒度为1000μm，质量浓度为1000mg/L，是设计值的10000倍。

    造成调节阀易磨损的原因有以下几点：

    （1）内件结构：V-Port式具有分流、阀芯导向功能，阀门流向为低进高出，阀腔内易产生涡流现象，增加内件被冲刷的力度。

    （2）内件材质：采用双相钢，具有抗腐蚀功能，材质硬度不高、抗冲刷力弱、介质冲向阀芯部位呈锐角，易被冲刷。

    （3）介质中含有灰渣，从结构上没有做相应的防沉积设计，如果长期使用，是不可靠的。

    （4）工况恶劣：水中含灰渣多且颗粒度大，一般材质不能满足此工况。

    4 阀门改造

    4.1 材质选择

    激冷水阀易磨损、被冲刷的一个重要原因是阀门材质硬度不够，不耐磨，因此选取一种高硬度、耐冲刷的材质是解决易磨损的关键。

    金属材料（纯金或合金）的化学健大都是金属键，是由金属正离子和充满其间的电子云所组成，金属键没有方向性，因此金属有很好的塑性变形性能，但不耐磨。而作为非金属化合物的陶瓷来讲，其化学键是离子健和共价键，一般情况下，组成陶瓷材料的晶体离子半径小且离子电价高，配位数大，这种化学键结构有很强的方向性和很高的结合能，因此，陶瓷材料很难产生塑性变形。正是由于陶瓷具有这种类型化学键，使陶瓷材料具有好的耐热性能、高的硬度、优异的耐化学侵蚀能力。

    经过比较，最终将激冷水系统阀门的材质定为WC（碳化钨）与ZrO2结合的结构陶瓷材料，其典型的特性为：高硬度、低密度、耐高温、抗蠕变、耐磨损、耐腐蚀和化学稳定性好。

    4.2 结构选择

    考虑到Globe、套筒、偏心旋转结构都不耐冲刷且容易卡涩，结合所选陶瓷材料，选取了滑板阀，其结构示意图如图1。滑板阀是通过滑板来实现快速开关或调节的阀门，由中间的滑动滑板（阀芯）与两端的夹板（阀座）组成。执行机构通过连接轴，使滑板在流体垂直方向上产生位移，从而改变流通面积来实现开关或者调节功能。夹板外侧预紧弹簧使得滑板与两夹板紧密接触，不仅实现良好的密封，而且消除了固体介质进入阀腔的可能。这样的设计不仅可以保证阀门不会由于温度压力波动或物料堆积而卡涩，并且可以补偿阀芯的磨损，实现长周期运行。

图1 滑板阀结构示意图

    滑板阀有如下特点：

    （1）面密封：滑板与夹板之间的密封是面密封，相对线密封（如球阀等）而言，即使部分密封面受到损坏，周边的面可以继续起密封作用，所以阀门的使用寿命长。

    （2）自清洁：滑板与夹板之间的运动是剪切运动，所以黏接在滑板或阀座上的固体介质很容易被清洁。

    （3）摩擦小：剪切运动使得滑板与夹板面之间无直径大于密封面粗糙度和平整度的固体存在，而直径小于密封面粗糙度和平整度的尘埃与密封面之间的摩擦力都很小，磨损小，使用寿命长。

    （4）零泄漏：零泄漏主要是靠加工精度来保证的（滑板阀的滑板与夹板表面粗糙度和平整度都＜3μm），滑板阀的上下夹板背后都有弹簧系统，可以弥补摩擦的损失，所以滑板阀可以做到终身零泄漏。而且，由于直径小于密封面粗糙度和平整度的尘埃会进入密封面之间，这些介质不会划伤密封面，也不会增加摩擦，反而使密封效果越来越好，因为这些尘埃填补了粗糙表面之间的空隙。

   （5）无堵塞：阀门从全开到全关过程中，介质只有可能在与管道大小相同的滑板圆孔内暂时堆积，当阀门由全关到全开的过程中，所有堆积介质全部进入管道，没有残留（球阀的阀腔易堵塞）。

    （6）全隐藏：当阀门全开时，滑板与夹板的密封面全部隐藏，不会受到介质的冲击，而全开状态的时间占总的可能磨损时间的95%以上，所以使用寿命大大延长。

    （7）无外漏：滑板阀的面密封将阀门的内漏和外漏一起解决，介质只能暂时停留在滑板与两夹板之间，不会泄漏到阀腔内。

    5 改造效果

    经过对阀门材质和结构进一步优化改造，最终解决了激冷水系统和文丘里系统阀门易磨损的问题。阀门使用时间由最初的不到3天，延长为一年以上，至今仍在继续使用，效果良好。