新型结构陶瓷球阀及其在现代煤化工中的应用

大风扇

现代煤化工是紧密依托煤炭资源的开发，与其他能源、化工技术结合，形成煤炭、能源化工一体化的新兴产业，是我国能源体系的补充，包括煤制油、煤制甲醇、煤制烯烃、煤制天然 气、褐煤提质、煤制乙二醇等。作为煤化工工艺过程的龙头和基础工段，煤气化装置工艺过程正逐步向中高压、高温、液态排渣方向发展，使得高温、高压、腐蚀性灰水对阀门的磨损 和冲刷更加严重，其恶劣复杂的工况对传统阀门提出了更高的要求。随着新型陶瓷结构材料的发展，陶瓷阀门在此类场合的应用过程中逐渐体现出其耐磨、耐腐蚀、耐冲刷的优越性。 本文综述了新型结构陶瓷和陶瓷球阀的性能特点，介绍了其在陕西神木化学工业有限公司60万t/a甲醇项目中的应用情况，为解决煤化工生产装置中阀门的腐蚀、冲刷、磨损等问题拓宽 了思路。


1 新型结构陶瓷的性能及陶瓷球阀的特点


1.1 陶瓷材料的性能


1.1.1 弹性模量

弹性模量是描述弹性变形阶段材料力学行为的重要性能指标。弹性模量越低，弹性模量变形相对越大，刚度越小，材料易发生变形，柔性越好；弹性模量越高，弹性模量变形相对越 小，刚度越大，材料不易变形，脆性越强。陶瓷材料具有强固的离子键和共价键，其弹性模量比金属大得多，相差数倍，因此具有高熔点、高硬度、高刚度、高绝缘性和高耐蚀性等性 能，但很难产生塑性变形，韧度低、裂纹敏感性强。


1.1.2 强度

陶瓷材料常用的强度指标是抗弯强度和抗压强度。由于陶瓷材料韧性较差，硬度较高，所以抗压强度大于抗弯强度。


1.1.3 硬度

硬度是材料抵抗外力引起变形的量度。影响硬度的因素有晶体结构、晶体取向、晶粒大小等因素。氧化锆陶瓷是一种四方向多晶体结构陶瓷。硬度高、耐磨性好是氧化锆结构陶瓷的优 良特性。表1列出了几种结构陶瓷及金属的硬度值。


表1 几种陶瓷及金属的硬度值 HRA


1.1.4 耐磨性

影响材料耐磨性的主要因素有：硬度、晶体结构、温度、塑性和韧性、强度、表面粗糙度等。结构陶瓷具有优异的耐黏着磨损、磨粒磨损等特性。由于其原子结构、化学键及晶体结构 等与金属材料不同，其摩擦因数小、摩擦能耗低，磨损率小，寿命长。其耐磨性远优于金属，最常见的耐磨陶瓷材料有Al2O3、SiC、ZrO2、Si3N4。


1.1.5 断裂韧度

断裂韧度是材料抵抗脆性破坏的韧性参数。陶瓷材料在室温下，很难产生塑性变形，以脆性断裂方式断裂。陶瓷材料的裂纹敏感性很强，因此断裂韧度是陶瓷材料的重要力学性能指 标。表2列出一些陶瓷材料与金属材料的断裂韧度。由表2可以看出，陶瓷材料的断裂韧度比金属材料低一个数量级，因此提高和改善陶瓷材料的韧性，是近年陶瓷材料研究的一个重要 方向。如ZrO2-Y2O3、ZrO2-CaO、ZrO2-MgO2、ZrO2-CeO2等氧化锆陶瓷经过增韧后，断裂韧度有了大幅提高。


表2 一些陶瓷材料与金属材料的断裂韧度


1.1.6 抗腐蚀性

结构陶瓷材料是一种无机非金属盐，其化学性质稳定，不易与其他物质产生化学反应、晶间腐蚀、电化学腐蚀、应力腐蚀等各种腐蚀。结构陶瓷材料可用于除氢氟酸以外的任何介质 中。


1.2 陶瓷球阀

通过对陶瓷材料力学性能各方面的综合比较发现，稳定型增韧ZrO2陶瓷材料具有更出众和均衡的优势。ZrO2陶瓷材料的陶瓷阀门具有以下特点：所有与介质接触的部分均为氧化锆 （ZrO2）陶瓷材料，有较好的耐磨损、耐冲蚀性能，使用寿命长；完全对称设计，双重密封，无流向限制，可双向使用，寿命延长一倍；宽大独立的陶瓷法兰盘面，密封可靠，安装方 便；陶瓷与金属采用热配工艺，增强了机械强度，成为名符其实的“陶瓷钢”；陶瓷球芯球圆度精度高，表面质量好，与阀座对研后，利用ZrO2陶瓷的自滑润性，可取得轻巧的扭矩和 良好的密封性能，最高可达世界领先的Ⅵ级陶瓷对陶瓷硬密封标准；陶瓷阀门结合了结构陶瓷和球阀的双重优点，有效扩大了球阀的使用范围，不但可以作切断阀用，还可以通过改变 球芯通孔的形状，获得不同的流量特性，在苛刻工况条件下作调节阀使用。


2 陶瓷球阀在煤化工生产中的应用实例


陕西神木化学工业有限公司60万t/a甲醇装置为一期20万t/a和二期40万t/a两套生产装置，以神木本地烟煤为原料，气化装置采用美国德士古水煤浆加压气化工艺，气化炉压力3.7MPa， 温度1300℃，为甲醇生产制备合格水煤气。


2.1 试用场合原阀门使用情况

来自气化炉激冷室和洗涤塔的黑水分别进入高压闪蒸罐、真空闪蒸罐进行闪蒸，进入灰水槽循环使用。气化黑水、灰水、研磨水系统为高磨损、强腐蚀、高温、高压等恶劣工况。


2.1.1 研磨水控制阀

研磨水控制阀调节研磨水泵出口至磨机的工艺水流量，工艺水温度65℃，阀前压力0.5MPa，阀后压力0.35MPa。磨机入口的工艺水（研磨水），用于煤浆制备，来自后续装置的甲醇废 水、低温变换冷凝液、脱硫洗涤水、火炬回水、循环上水和灰水，其成分复杂，磨损冲刷力高，腐蚀性强。原设计使用某进口偏心旋转阀，阀体材质为WCB，阀芯、阀座材质为 316/STEL-LITE，使用3个月后，阀门阀体冲刷严重，导致外漏、检修频繁。后改为国产偏心旋转阀（阀芯、阀座材质为316+WC），使用6个月后阀门内漏量大，一年更换内件两次，并未 解决腐蚀冲刷问题。


2.1.2 文丘里洗涤黑水控制阀

煤气化工艺过程中，自气化炉出来的饱和合成气进入文丘里洗涤器，在这里与激冷水泵送来的黑水混合，使合成气夹带的固体颗粒完全湿润，以便在洗涤塔内能尽可能的完全沉降。用 于送入文丘里洗涤器的黑水量调节阀原设计为进口硬密封偏心旋转阀门，阀体材质WCC，阀芯阀座材质316/STELLITE，阀前压力5.0MPa，阀后压力4.65MPa，黑水温度220℃，黑水含固质 量分数0.3%~1.0%。在生产使用中，阀门检修频率高，每3~4个月检修1次，6~8个月更换阀内件，主要体现在密封面冲刷、阀体腐蚀、冲刷严重。


2.1.3 真空闪蒸罐液位调节阀

真空闪蒸系统是降低系统内黑水温度及黑水中气体杂质的重要设备。项目中用的进口硬密封偏心旋转阀，阀体材质WCB，阀芯和阀座均为316SS+WC，阀前压力0.47MPa，阀后压力 0.37MPa，介质温度100℃。使用过程中，硬颗粒物对阀芯和阀座冲刷严重，阀芯、阀座不同程度出现泄漏点，甚至阀体被冲漏的情况也有出现。需要1~2个月检修一次，修补阀门内件。


2.1.4 锁斗泄压阀

锁斗泄压阀是在收渣结束时，对锁斗系统进行压力释放，使锁斗系统在压力达到工艺范围后再进行排渣。锁斗泄压阀原采用硬密封球阀，阀体材质为WCB，阀芯、阀座材质 316/STELLITE，4~6个月检修一次，主要体现为阀门开关不到位、开关卡涩、内漏。


2.2 原因分析

黑水、灰水及研磨水系统含一定固体，总硬度最高达到852.02mg/L，在流速较高情况下，对阀门冲刷比较厉害，含有氯离子最高质量浓度可达122.34mg/L，在200℃的高温下，腐蚀性加 强；从原来阀门采用的材质来看，阀芯密封面316堆焊司太立合金，表面硬度只有HRC38左右，在含固颗粒冲刷下，灰水系统固体在短时间内会冲刷阀门整体，使用寿命不到3个月；在采 用表面喷涂碳化钨硬化后，表面硬度能达到HRC50左右，但厚度最多只能达到0.2mm，而且表面不规则，一些死角不能喷涂到位，造成局部硬度过低，在含固颗粒高速冲刷下，只要一个 缺陷处冲刷，因基材316硬度很低，很快会大面积冲刷，虽然整体寿命提高到半年左右，但还是不能彻底解决阀门严重冲刷问题。 锁斗泄压阀为高温高压差放空阀，其开启瞬间的金属黏接现象非常严重，而从解体后密封面的拉伤情况看，该阀门硬化层的耐黏接磨损性能较差，无法满足高压高频开关要求。另外， 受渣水中氯离子的强腐蚀性影响，球座间硬质合金很容易发生晶间腐蚀及点蚀，而开启瞬间的剧烈气蚀将进一步加剧两者的发生。阀门开启瞬间的流道较窄，压差较大，考虑到煤渣粒 的硬度较高，球座受到的冲刷会非常剧烈，特别是球口边缘，该部位本身为应力集中区域，并且，由于球口边缘也是硬化层的边缘地带，其与基体的结合强度相对偏低，故容易冲刷损 坏。涂层脱落是从边缘开始往内延伸的，因此，一定角度上说，冲刷加剧了涂层的脱落。


2.3 更换陶瓷阀门后的效果

针对现场工艺过程，陕西神木化学工业有限公司对工况、介质做了深入分析研究，并对陶瓷阀门的可靠性和同类装置、场合试用情况进行了考察，尝试在以上场合试用烟台金泰美林公 司生产的KOWOV陶瓷球阀，材料采用经过增韧改良的氧化锆结构陶瓷。陶瓷球阀加工工艺采用高温烧结、等静压制、热配组装，可应用场合压力达11MPa以下，温度425℃。2014年10月， 以上场合各整体更换一台陶瓷球阀试用，至今正常运行，2016年4月检查，内件完好，阀芯阀座无明显冲刷痕迹，使用效果理想。


3 结语


新型陶瓷球阀在陕西神木化学工业有限公司煤气化制浆研磨水、黑水系统等工况的应用，表明新型陶瓷球阀在气化装置高压黑水、灰水系统以及更多腐蚀、冲刷场合均可参考应用；在 煤锁斗、灰锁斗及渣水锁斗系统，锁斗循环阀、锁斗泄压阀及锁斗充压阀等也可使用。 新型陶瓷球阀在现阶段还存在口径较小，压力不能超过10MPa的问题，今后发展方向主要有以下几个方面：口径的多样性需求（大于DN300mm即12″）；温度及压力的更高需求，特别是 较高温度（＞425℃）较高压力（＞10MPa）；结构陶瓷阀门在复杂苛刻条件下的稳定运行；振动强度对陶瓷球阀的影响试验。