粉煤气化特殊阀门如何选型

那务

在工艺装置中，阀门是控制元件，其主要作用是隔离设备和管道系统、调节流量、防止回流、调节和排泄压力，对于工艺装置的平稳生产和安全运行起到了决定性的作用。在粉煤气化装置中，工艺介质多为煤粉、灰渣水、黑水，在高压的情况下，流速快，对管道和仪表的冲刷、磨损十分严重。针对这种恶劣的工况，相比于其他装置，粉煤气化装置对阀门的要求更为苛刻和严格。

1 盘阀
在粉煤气化工艺流程中，粉煤加压进料、气化炉排渣（除灰）工段采用了锁斗设备来定时进行粉煤给料、排渣等频繁（每 30min 一次）的操作，其中的锁斗阀、平衡阀和锁渣阀作为关键的阀门其设计的好坏决定了气化炉能否正常运行。这些阀门的操作工况多为气固混合（煤粉 + 二氧化碳）与固液混合（渣水），操作压力 4.9MPaG 左右，最大允许差压为6.2MPaG，入口温度为 100 摄氏度。此工况中，介质中多含有高硬度颗粒，对阀门内件，特别是阀芯与阀座的密封面冲蚀严重。仪表选型上多采用双向金属硬密封耐磨球阀，即使目前此类阀门已经国产化，价格较进口阀门有了较大优势，但是由于阀门自身结构的问题，故障率高、寿命时间短，使用效果并不理想。究其原因主要是因为球阀结构中的金属阀座与进行密封的常规球阀四周的间隙易积聚煤粉，使密封面极易受到磨损，刮伤阀芯上的硬质金属涂层。在频繁地开启关闭的过程中，由于球阀的密封面总是在同一位置，导致阀门的密封很快失效。
1.1 盘阀原理
盘阀是在多晶硅、电力除灰系统和冶金行业中广泛应用的一种耐磨切断阀门。其独特的结构特点保证其在带有磨损冲蚀性物料的恶劣工况下能连续长期地正常工作。如图 1 所示。

盘阀通过阀杆与驱动臂使滑动圆盘在阀腔内的旋转运动来实现阀门的启闭。在启闭过程中，阀盘密封面在弹簧压力的作用下与阀座紧密贴合，并且圆盘边缘为锐边，对密封面上的物料起到刮削的作用，能够阻止介质中的大颗粒物质进入密封面。在盘阀启闭过程中，阀盘不仅围绕主轴做圆弧形旋转运动，而且由于阀座密封面对阀盘在切线方向上的摩擦力矩之差，使阀盘在一个启闭循环过程产生自转，从而使得阀盘每次接触物料的点不同，在固体颗粒与密封件之间形成自研磨，对密封面具有良好的补偿效果，使其在磨损、冲蚀物料上应用的过程不断提高密封性，寿命要比其他阀门长。
1.2 盘阀分类
盘阀按照结构可分为单盘阀和双盘阀。
1）单盘阀
单盘阀根据使用的情况可以分为单阀单盘与单阀双盘。单 阀 单 盘 为 单 向 密封， 适 用 于 阀 门 关 闭 静 压 作 用于阀盘背面的情况或者反向压力很低的情况（一般小于0.25MPa），单阀双盘可实现双向密封双向流动 。对于煤粉输送单元，此单阀双盘阀可代替双向硬密封球阀来使用。由于盘阀外形尺寸比球阀较大，在工艺需要设置双切断阀的情况下，较大的占地空间给配管专业带来了许多困难，如粉煤锁斗进口与出口切断阀、粉煤锁斗压力平衡阀。针对这种情况，可以采用双盘阀结构。
2）双盘阀
双盘阀把 2 个盘阀装配在一起以节约安装空间和减轻质量，其也可分为双阀单盘与双阀双盘。上下两个阀盘能独立进行开关动作，并实现密封。为了避免在使用过程中造成两个阀盘之间的憋压，采用双盘阀时多采用双阀双盘结构。通常，阀体材质多采用 WCB 或 LCB，阀内件材质采用SAF2205。
2 煤粉切断阀
在粉煤给料罐至气化炉的气体输煤管线上，往往设置了粉煤切断阀用于在事故状态或装置停车时切断气体输煤管线往气化炉的输送。在正常工艺操作情况下，此阀为常开状态，不需要操作，不像锁斗阀一样冲刷严重。通常仪表选型采用双向金属硬密封球阀。目前，此阀已经国产化，并已广泛应用。通常，阀体材质采用 WCB，阀内件材质采用 316SS+喷焊硬质合金。
3 煤粉调节阀
煤粉调节阀在粉煤气化中有着举足轻重的作用。此调节阀安装在粉煤给料罐与气化炉烧嘴之间，用于调节进入气化炉粉煤流量、是精确控制气化炉氧煤比的关键设备，其性能优劣直接关系到气化炉能否实现长期安全稳定运行。煤粉调节阀多为角阀结构，进出口流向夹角为 120 度。工艺介质从底部进入，侧面流出，阀门为流开型，气动执行机构倒置。通过改变阀芯开槽的遮挡面积，从而改变粉煤的流量。阀芯由阀杆拖动，用波纹管密封，阀盖处有氮气吹扫口，用于防止因煤粉沉积而引起的波纹管卡塞。通常阀体材质采用碳钢 + 碳化钨衬里，阀内件材质选用碳化钨。
4 氧阀
在粉煤气化工艺流程中，氧气通过加热，在与蒸汽混合后，在高温高压的条件下进入到气化炉，与煤粉在气化炉内部进行反应，生成合成气。氧气管线上的阀门发生任何外漏或者内漏情况，都会引发燃烧甚至爆炸的严重后果，更严重的还可能引起生命财产的重大损失。在停车时，安全仪表系统自动切断氧气切断阀，并打开氧气放空阀将管线内氧气放空，并用高压氮气吹扫和保护氧气管线。为防止氧气进入到高压氮气吹扫管线，高压氮气吹扫管线上的切断阀也需要按照氧阀的标准来进行设计。目前，氧气调节阀的仪表选型均采用直行程 Globe 阀门，泄露等级为 ANSI CLASS V 级；氧气切断阀和放空阀普遍采用全通径双向金属硬密封球阀，泄漏等级为 ANSI CLASSVI。氧阀应采用防火防静电设计，做脱油、脱脂、脱水的处理，阀体及阀芯部件应光滑无毛刺、流道无锐角、无冲击场合存在。阀杆应有特殊设计，保证阀杆不会发生偏斜，以防止阀门发生外漏。相比较而言，氧阀的材质是氧阀性能保证的重中之重。目前国标 GB 对于阀门材质的选用没用明确的规定，广大设计院普遍采用欧洲工业气体协会标准（EIGA）的最新标准 IGC DOC 13/12 中的规定来作为氧气阀门材质选择的依据。其中对于直通 Globe 阀，由于阀门流道迂回曲折，阀门材质应按照冲击场合设计，通常选择豁免材质。而对于切断和放空球阀，尽管在工作时处于非冲击状态，但是在紧急切断或打开的情况下，阀内件会引起过度的流速及紊流。通常材料的选择应按照调节阀对待，同样选择豁免材料。如某国内大型项目上，进气化炉烧嘴的氧气操作压力为 5.2MPaG，操作温度为 180℃，根据 IGC DOC 13/12 中附件 4 豁免压力与最小厚度对照表，氧气调节阀阀体采用Inconel 600，阀内件采用 Inconel 625。氧气切断阀和放空阀阀体和阀内件均采用 Inconel 600。
5 高压 CO2 、N2 切断阀
在煤气化装置中，多用操作压力为 6MPa 左右的 CO2 、N2 作为粉煤介质的输送气体，其切断阀多采用与氧气阀门形式一样的硬密封球阀。通常阀体材质为 WCB，阀内件为 316 不锈钢 +stellite表面硬化处理。
6 高压差放空阀
在粉煤气化装置正常生产时，需要保证粉煤给料罐与气化炉之间保持一个稳定的压差（约 0.7MPaG），使得煤粉能均匀地通入到气化炉主烧嘴。此压差是通过高压差放空阀与另一个充压调节阀由粉煤给料罐与气化炉之间的压差分程控制调节。由于此放空阀前后压差大（从 4.8MPaG到大气压）、流速极快，再加上介质中存在煤粉颗粒，对阀门内件与阀后管道造成严重的冲刷，造成很大的安全隐患。如果此阀选择直通式 globe 阀，由于阀门流道成“S”弯型，冲击严重，即使阀门流道与阀内件采用硬化处理，在高速煤粉的冲刷下，阀芯与阀座仍然磨损严重，造成阀门丧失调节功能，无法正常使用。目前，据笔者调查以下两种阀门使用效果良好。
6.1 滑板阀
滑板阀由中间的滑板与两端的夹板组成，阀杆带动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调节功能。由于阀门采用直通式流道设计，将流体对阀腔的冲刷降到最低，并且夹板、滑板均采用整体烧结硬质合金，硬度高，具有良好的抗冲刷、抗腐蚀性能。经过近年来国内多个项目的使用及跟踪了解，滑板阀在粉煤给料厂高压差放空工况下，免维修使用寿命不少于 18 个月，有效使用寿命接近 3 年 。
6.2 全衬硬密封陶瓷 V 型球阀
工业结构陶瓷在强度上比普通阀门高很多，其主要材 料为氧化锆，硬度高于HRA86，比加工后的硬质金属阀门的硬度 HRA70 还要高，因此工业陶瓷具有很高的耐磨性。在密封等级上，由于结构陶瓷具有自润滑性，表面精度可达到 RA0.1 ～ RA0.4，密封比压远比普通的金属阀门小，因此阀门启闭时阻力小，可达到真正的零泄漏 VI 级。目前，随着科技的不断革新与发展，特别是陶瓷加工与成型等新技术的发展，陶瓷球阀已经广泛应用于电厂的烟气脱硫（FGD）装置、飞灰、除渣以及燃烧（喷煤）系统、钢铁厂的烧结机脱硫（EPC）工程、垃圾焚烧的烟气净化、氯碱工业及废水和固体废除处理等行业中 [7] 。V 型球阀具有直通式的流道设计特点，并且具有直通式 Globe 阀的等百分比流量特性与 1：100 的宽量程比。全衬硬密封陶瓷 V 型球阀结合了结构陶瓷与 V 型球阀的特点，可满足此高压差放空调节阀的需要。某国内大型煤化工项目选用陶瓷衬里硬密封 V 型球阀作为高压放空阀，阀体材质采用碳钢 + 陶瓷衬里，阀内件材质采用工业陶瓷。
7 结束语
近些年粉煤气化项目在国内得到大力发展，专用于粉煤气化的仪表特殊阀门是煤气化项目能否长期平稳运行的关键。希望通过本文，给使用者在粉煤气化选型时提供一定的参考。