黑水闪蒸系统工况对黑水调节阀/黑水角阀所可能造成的危害及设计参考

广华

无论黑水闪蒸系统采用何种多级工艺流程，其本质都是承接来自气化炉、洗涤塔、闪蒸罐的流、液位调节任务。黑水即为水煤浆气化工艺中，随洗涤塔、气化炉的生产过程中的伴生产物，工艺任务上需要对黑水进行回收提纯与二次利用。黑水典型的介质为固液两相流，其中固相流中，固相含量可高达3000mg /L，伴随多次回收沉降，固体颗粒的质量分数至多能够达到4%甚至更多；同时固相的硬度也很高，固相摩氏硬度可达7Mohs，颗粒直径与形状不均匀。

液相流中，液体中多含有Ca 2 + 、Mg2+、Cl-、S2-、CO32-、NH4+、H2S等多种强腐蚀离子，会对调节阀内壁及零部件产生冲蚀作用；由于黑水调节阀多用于罐底回收与罐后给料，阀门本身承载着大量液体，同时由于工艺制备的要求，介质温度多在200℃~300℃，使得黑水调节阀前后压差较大。当介质流过调节阀内部缩流断面，根据节流原理，若介质流出节流区后，压力回升不超过入口温度下的饱和蒸气压时，流体介质将会继续汽化，在调节阀出口形成汽液共存的现象，即两相流，这种现象成为闪蒸。正由于黑水闪蒸系统中，黑水调节阀的主要作用就是对介质进行减压调节，这必然会发生闪蒸现象，汽化后的黑水流体体积将会急剧膨胀，调节阀后体积流量将会是调节阀前几何倍数，与调节阀前的黑水形成了固液气三相流。

黑水工况所可能造成的危害

固液气三相流伴随高压差、高流速、强腐蚀、强冲击，黑水调节阀的工况可谓是极其恶劣。固相方面，由于固相含量高，颗粒硬度大，在高压差、高流速的加持下，固体颗粒将成为调节阀设计中首当其冲的难点。高速冲击下的固体颗粒，首先会对流体通路上阻碍前进的零件进行撞击，比如阀芯、阀座、阀杆等起主要调节性功能的零件，这部分零件由于自身加工材料的限制、原材料二次处理的方式、抵抗冲击结构的不同，会造成零件表面的凹坑、刮伤、甚至裂纹，这些因固体颗粒冲击造成的缺陷，会随着液体闪蒸、空化的影响，二次对零件本身进行侵蚀，直至零件破碎、弯曲、甚至折断。
其次，固体颗粒在流体通路的路径上进行磨损，主要表现为在管道内壁、阀体内腔由于阻塞流或者管道转弯、阀腔转向过程中突然改变方向，固体颗粒伴随液体在惯性作用下，冲击转向内壁，造成刮伤、划痕、异响；方向的改变也会影响局部介质的流速，也会产生涡流、湍流造成管道、阀腔的振动、噪声，这也也是介质在管道运输、阀门调节中潜在的危险。

固体颗粒产生的另一方面危害是沉降问题，固体颗粒细小，极易发生沉降、结垢现象，易堆积在调节阀内腔死角、结痂在阀芯、阀座、阀杆表面，特别是用于稳定阀杆、减少震动的阀杆导向区域。由于满足阀杆导向及稳定作用，阀杆与导向之间的间隙不会留太大，本身阀杆会随着阀门启闭上下运动，必然会将颗粒带动到阀杆与导向之间的间隙中，这就会导致阀杆与导向卡死，加剧阀杆与导向表面的磨损，最终影响阀杆的稳定作用。同时，也会因为导向稳定作用的减弱，使得阀芯在液体冲击下产生振动，与阀座产生碰撞，造成阀芯与阀座的二次伤害。由于阀杆表面的磨损与刮伤，也会影响调节阀上部填料与阀杆密封的效果，造成黑水外漏、有毒气体逸散等严重的生产事故。

液相方面，由于黑水主体为液体，在液体中多含有Ca2+、Mg2+、Cl-、S2-、CO32-、NH4+、H2S等多种强腐蚀离子，伴随较高温度，长时间浸泡会对调节阀内壁及零部件产生冲蚀作用，弱化零部件表面金属自带的氧化保护层，配合固体颗粒的冲击，撕开金属表面的第一层保护，为后续的闪蒸、空化提供进一步破坏的条件。

由于黑水闪蒸系统中，调节阀面对的是高压差工况，因此黑水液相本身是检验调节阀本身强度的重要组成部分。由于在高压差工况下，大部分阀门会为了减少启闭过程中，执行器的输出力与稳定效果，会在阀腔内设置用于平衡阀芯阀杆上下两侧压力的平衡区，液体在高压作用下，首先会冲击调节阀腔内部的平衡区域，此时阀腔的流道形状就成为的重中之重，流道形状若不能对流体进行疏导、转向、减速，则会加剧阀腔的磨损，加大阀腔内隔板的压力承载，导致裂纹、贯通等问题。阀腔的流道形状也会影响阻塞流的产生、阀门的压力恢复系数、局部涡流、紊流的产生，影响着阀门流通能力、调节能力，也影响着阀体振动、噪声等因素。

另一方面，黑水液体的冲击也会直接影响阀内零部件的强度，考虑到阀内零部件的冲击位置、导向稳定性能，将会使得阀内零部件产生振动、磨损、弯曲，从而导致阀门稳定性下降、调节精度下降、安全性下降，甚至阀内零部件的弯曲、折断。

气相方面，由于黑水调节阀在面临高压差工况，闪蒸与空化效果是无法避免的，由于阀后介质的体积的急剧膨胀，高速流体会对阀芯表面、阀座密封面、阀门出口处的文丘里扩口延伸管或管道，产生无法避免的冲击，甚至造成零部件表面破碎与管道破损。

另一方面闪蒸现象造成的流体体积的急剧变化，也会使得管道及下游工艺设备管口造成振动，若不能解决该问题，会导致下游设备出现设计意料之外的问题，进而损伤下游设备，这将会造成严重的生产事故，造成大量经济损失。

黑水调节阀作为煤化工行业的典型代表，固液气三相混合的苛刻工况让每位设计者与用户十分苦恼，使用寿命一短再短。本文通过固体、液体、气体三个方面分析了问题产生的原因，以及造成的危害，应通过多个角度提出解决方案，用以为今后的设计者设计过程中提供参考。