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控制閥在煤化工行業(yè)的應(yīng)用

2023-02-15

1、煤化工行業(yè)
我國是一個富煤、貧油、少氣的國家，煤炭資源已探明儲量和可采儲量占全球比例分別為19%和38%；而我國石油已探明儲量和可采儲量占全球1.3%和4.6%。煤炭可開采129年、天然氣可開采43年、石油僅可開采15年。我國的石油緊缺和油品消費增大的矛盾日漸突出，對外依存度達(dá)50％，預(yù)測2020年將達(dá)到60％。對進(jìn)口的依賴越發(fā)嚴(yán)重。2009年5月國務(wù)院下發(fā)《石化產(chǎn)業(yè)調(diào)整和振興規(guī)劃》中明確要求：積極引導(dǎo)煤化工行業(yè)健康發(fā)展，重點抓好煤制油、煤制烯烴、煤制天然氣、煤制乙二醇和煤制二甲醚等五類示范工程，這使現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)在我國得到快速發(fā)展。
2、煤化工行業(yè)的特點
2.1煤化工概念
以煤炭為原料的相關(guān)化工產(chǎn)業(yè)被統(tǒng)稱為煤化工。
根據(jù)生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品對象的不同可以分為煤焦化、煤電石、煤氣化和煤液化四條產(chǎn)業(yè)鏈。其中煤焦化、煤電石、煤氣化（合成氨制化肥）屬于傳統(tǒng)的煤化工產(chǎn)業(yè)。煤氣化制醇醚燃料和煤制液化燃料屬于現(xiàn)代煤化工領(lǐng)域，也即通常所說的“煤制油”。

2.1.2 煤化工的特點
1）易燃易爆易中毒的物質(zhì)多。
2）高溫露天操作煙氣粉塵多。
3）生產(chǎn)工藝條件苛刻，高溫高壓、易沖刷、磨損、腐蝕等。
4）生產(chǎn)規(guī)模的大型化和生產(chǎn)過程的自動化。
2.2 煤制油工藝技術(shù)
2.2.1 煤制油和石化制油的區(qū)別
煤制油和石化制油的區(qū)別在于原料的不同。石化制油的原料是液態(tài)的原油，其工藝重點在于裂解過程。而煤制油的原料是固態(tài)的煤，其工藝重點在于氣化過程。氣化技術(shù)的發(fā)展由最早的魯奇爐、德士古水煤漿爐、殼牌干煤粉爐以及西門子GSP氣化技術(shù)，使煤的轉(zhuǎn)化率大大提高，對煤質(zhì)的要求大大降低，高新技術(shù)的發(fā)展使工藝的穩(wěn)定性和生產(chǎn)成本逐步趨于工業(yè)化、市場化、商業(yè)化。
2.2.2 煤制油的工藝方法
煤制油是以煤炭為原料，通過化學(xué)加工方法將固態(tài)的煤轉(zhuǎn)化合成為液態(tài)的石油燃料產(chǎn)品，其工藝可分為直接液化和間接液化兩種。直接液化是把煤炭先磨成煤粉與溶劑配制成油煤漿，然后在高溫、高壓、加氫處理的條件下轉(zhuǎn)化成油品。間接液化是先把煤炭在高溫下氣化，再在催化劑作用下加氫處理合成油品。
2.2.3 煤間接液化的工藝過程
煤的間接液化技術(shù)是先將煤全部氣化成合成氣，然后以煤基合成氣（一氧化碳和氫氣）為原料，在一定溫度和壓力下，將其催化合成為烴類燃料油及化工原料和產(chǎn)品的工藝，包括煤炭氣化制取合成氣、氣體凈化與交換、催化合成油或液體燃料-甲醇、二甲醚等烴類產(chǎn)品以及產(chǎn)品分離和改制加工等過程。合成條件較溫和，無論是固定床、流化床還是漿態(tài)床，反應(yīng)溫度均低于350℃，反應(yīng)壓力2.0～3.0MPa。煤間接液化的工藝流程圖見圖1-8-3。

2.2.4 煤直接液化的工藝過程
煤直接液化是在高溫（ 4 0 0 ℃ 以上）、高壓（20～30MPa以上）條件下，在催化劑和溶劑作用下使煤的分子進(jìn)行裂解加氫，直接轉(zhuǎn)化成液體燃料，再進(jìn)一步加工精制成汽油、柴油等燃料油，所以又稱加氫液化。

2.3 煤化工控制閥的要求
2.3.1 概述
煤制油化工裝置與其他生產(chǎn)化工裝置一樣，主要是由反應(yīng)爐的塔器、罐釜和管道組成的系統(tǒng)裝置，控制閥是其中重要的控制設(shè)備。核心裝置的控制閥需要承受的工藝條件具有高溫、高壓、臨氫、走氧、易燃、易爆、腐蝕、磨損、沖刷的特點，與一般石油化工裝置所使用的控制閥既有相同之點，又有不同之處。
2.3.2 煤化工惡劣工況控制閥的通用技術(shù)要求
煤化工惡劣工況使用的控制閥，由于介質(zhì)中含有煤粉顆粒、催化劑等添加物，易受到介質(zhì)的沖刷、磨損、腐蝕等損壞，下面從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和制造工藝兩方面進(jìn)行詳細(xì)闡述。
2.3.2.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)通用要求
1）控制閥結(jié)構(gòu)的設(shè)計應(yīng)避免煤漿結(jié)焦使閥門失效，要方便清洗。
2）采用金屬硬密封形式，且閥座與閥芯的材質(zhì)相同，確保兩者有相同的膨脹系數(shù)在高溫的條件下不會出現(xiàn)閥‘卡死’的現(xiàn)象。
3）輸送顆粒介質(zhì)的產(chǎn)品閥體流道需要噴涂耐沖刷、耐腐蝕涂層或嵌入硬質(zhì)合金套。產(chǎn)品內(nèi)件需要表面硬化處理，根據(jù)涂敷材質(zhì)不同選擇噴涂、噴焊、整體燒結(jié)等處理方式。閥內(nèi)件采用鍛造結(jié)構(gòu)。
4）球閥閥座應(yīng)采用刮刀式設(shè)計，球體轉(zhuǎn)動時可產(chǎn)生刮削作用，防止球芯與閥座間的顆粒沉積，但要防止因為銳角產(chǎn)生的應(yīng)力集中，導(dǎo)致涂層的剝落使閥座損壞。
5）由于介質(zhì)含顆粒、黏度大、易結(jié)焦，在最大壓差下，驅(qū)動軸應(yīng)考慮足夠的安全裕量，軸上結(jié)構(gòu)過渡要平滑，減少應(yīng)力集中。
2.3.2.2 制造工藝通用要求
1）選用奧氏體不銹鋼，能抵抗高溫硫化氫的腐蝕，但有可能出現(xiàn)不銹鋼的氫脆、硫化物應(yīng)力腐蝕開裂及堆焊層氫致剝離現(xiàn)象等損傷。選用Cr-Mo鋼的回火脆性破壞也需要加以注意。控制閥的材料要有較好的綜合性能，即材料內(nèi)部的致密性、純潔性和均質(zhì)性性能要好；化學(xué)成分、室溫和高溫力學(xué)性能要滿足設(shè)計規(guī)范要求，特別加強對C、S、P含量控制。生產(chǎn)過程中要控制好鑄造、鍛造、熱處理等關(guān)鍵工序。
對于鍛造閥門，會通過對鍛件的鍛造比、晶粒度等進(jìn)行控制來實現(xiàn)致密度的要求；對于鑄造閥門因其原材料的選擇不同、澆冒口的設(shè)置、冷鐵位置與數(shù)量的選擇不同、凝固順序的差異，以及冷卻時間的不同，都會導(dǎo)致其致密度、均質(zhì)性性能差別很大。
熱處理是閥門質(zhì)量保證的非常關(guān)鍵的工序，熱處理爐的溫度控制、溫度均勻性、鑄件在熱處理爐中的堆放、保溫時間、冷卻方式與速度等因素都會影響最終閥門鑄件的機(jī)械性能。奧氏體不銹鋼進(jìn)行固溶熱處理，采用空冷；對于321和347材料，還應(yīng)進(jìn)行穩(wěn)定化熱處理。
2）閥門鑄件需進(jìn)行射線探傷檢查。硬化密封面進(jìn)行著色探傷檢查。
3）承壓鑄件的所有焊補面積總和應(yīng)不超過鑄件的表面積的10%，補焊后需進(jìn)行熱處理。
4）對于操作在高溫高壓氫環(huán)境下的閥門，在操作狀態(tài)下，閥門內(nèi)壁中會吸收一定量的氫。在停工的過程中，若冷卻速度太快，使吸收的氫來不及擴(kuò)散出來，造成過飽和氫殘留在器壁內(nèi)，就可能在溫度低于150℃時引起亞臨界裂紋擴(kuò)展，對閥門的安全使用帶來威脅。
焊接閥門時需要控制δ鐵素體含量，以避免該含量過多時，在焊后熱處理過程發(fā)生較多的相變而產(chǎn)生脆性。
2.4 煤化工特種控制閥選型
2.4.1 概述
煤化工工藝根據(jù)產(chǎn)品的不同，主要工藝系統(tǒng)裝置也不一樣，如煤制甲醇分為輸煤系統(tǒng)、熱電系統(tǒng)、空分系統(tǒng)、氣化系統(tǒng)、低溫甲醇洗凈化系統(tǒng)、水冷串氣冷合成系統(tǒng)、甲醇精餾系統(tǒng)、水系統(tǒng)8大主系統(tǒng)。神華煤直接液化項目全部流程包括備煤、催化劑制備、煤直接液化、加氫穩(wěn)定、加氫改質(zhì)、輕烴回收、含硫污水汽提、脫硫、硫黃回收、酚回收、油渣成型、煤制氫和空分等裝置。這些裝置所使用的控制閥工藝條件最惡劣、安全性要求最高的是氣化系統(tǒng)、輸煤系統(tǒng)、空分系統(tǒng)、低溫甲醇洗凈化系統(tǒng)等系統(tǒng)，最有代表性的是鎖渣閥、灰水黑水閥、氧氣氮氣切斷閥、氧氣氮氣控制閥、煤漿閥（耐磨球閥）、放空閥、蝶閥、偏芯旋轉(zhuǎn)閥、智能閥門定位器等，下面對以上產(chǎn)品性能特點進(jìn)行介紹。其他通用工藝裝置如熱電系統(tǒng)、水系統(tǒng)、消防系統(tǒng)等所使用的控制閥無特殊要求，不在本文介紹。
2.4.2 鎖渣閥（德士古氣化爐工藝）
2.4.2.1 鎖渣閥的控制和安裝工位
鎖渣閥也稱為鎖斗閥，一般采用氣動兩位開關(guān)球閥，是液態(tài)排渣的水煤漿，多元料漿和干燥粉氣流床加壓氣化裝置上最重要的閥門．每臺氣化爐設(shè)置3臺鎖渣閥，氣化爐激冷室或破渣機(jī)下部與鎖斗相連的管道上，即鎖斗入口側(cè)有2臺鎖渣閥，通常稱為上鎖渣閥，其中1號鎖渣閥受程序控制，大約30min開關(guān)一次，而2號鎖渣閥常開，在線備用，在1號鎖渣閥出現(xiàn)泄漏等故障時投入使用．當(dāng)氣化爐激冷室液位低，引起氣化爐保安系統(tǒng)聯(lián)鎖動作時，1號鎖渣閥也聯(lián)鎖關(guān)閉，以防止氣化爐工藝氣竄入鎖斗系統(tǒng)造成不良后果．鎖斗排放口也有1臺鎖渣閥，通常稱為下鎖渣閥，該閥的出口與大氣相通，鎖渣閥受氣化爐的排渣程序控制，受高溫、高壓灰渣的直接磨蝕，開關(guān)頻繁，要求在高壓差情況實現(xiàn)雙向密封。

氣化爐內(nèi)氣化壓力通常在2.7Mpa ～8.5Mpa，而渣池通大氣，要使?fàn)t內(nèi)的灰渣排到渣池，必須將介質(zhì)的壓力減至常壓。當(dāng)2號鎖渣閥打開、下鎖閥關(guān)閉時，鎖斗與氣化爐處于一個系統(tǒng)，壓力相等，此時可以將氣化爐內(nèi)的黑水收集到鎖斗；相反，當(dāng)2號鎖渣閥關(guān)閉，而下鎖閥打開時，鎖斗與渣池處于同一系統(tǒng)，壓力相等，此時可以將鎖斗內(nèi)的黑水排入渣池。

2.4.3.1 黑水和灰水控制閥使用的工位
1）閃蒸罐入口，對氣化爐和洗滌塔排出的黑水進(jìn)行減壓閃蒸，壓差較大。
2）閃蒸罐的出口，控制閃蒸罐的液位，介質(zhì)濃度較大，壓力低。
3）氣化爐出口，控制急冷室液位，高壓力、低壓差。
4）洗滌塔給水泵的旁路系統(tǒng)，最小流量保護(hù)，壓差較大。
2.4.3.2 技術(shù)要求
1）一般采用角式閥體，流道簡單，自潔性好，需用CFD軟件仿真流道，以減少高速流體在閥座與閥體結(jié)合處產(chǎn)生渦流，對閥體產(chǎn)生破壞。超大球形閥腔，流動對中，不偏離，無側(cè)面沖擊，流道內(nèi)表面噴涂WC，減少在高壓差下，固液氣三相流介質(zhì)，對閥體造成較大的沖蝕。
2）需要優(yōu)化文丘里閥座型面，與閥座無縫連接，圓滑過渡，減少滯止點和死角，抑制渦流產(chǎn)生。閥座出口端加錐形管（用陶瓷或WC燒結(jié)）控制閃蒸和氣蝕，保證控制閥壽命。
3）閥芯閥座材質(zhì)要進(jìn)行硬化處理，如堆焊、噴焊、噴涂、整體燒結(jié)WC等，以防止閃蒸對控制閥造成的破壞。
4）選型時避免閥過渡縮頸，造成閥體內(nèi)部流速異常增大而形成閃蒸，減少對閥的損壞。
5）閥桿材料一般選用不銹鋼，閥芯一般選用陶瓷或燒結(jié)WC，兩者連為一個整體，需要優(yōu)化連接結(jié)構(gòu)，避免閥頭脫落的問題。
6）國內(nèi)煙臺美林公司開始生產(chǎn)陶瓷V球閥用于灰水控制工況。
2.4.3.3 國內(nèi)外生產(chǎn)黑水閥、灰水閥的公司
國外：N E L E S 、F I S H E R 、M A S O N E I L A N 、SAMSON。
國內(nèi)：重慶川儀、吳忠儀表、泉舜流控
2.4.4 氧氣氮氣控制閥和切斷閥
2.4.4.1 氧氣氮氣控制閥和切斷閥使用工位
1）氧氣總管流量控制閥。
2）通往每臺氣化爐的氧氣支管流量控制閥。
3）支管氧氣聯(lián)鎖雙重切斷閥。
4）氧氣放空管線控制閥。
5）高壓氮氣吹掃閥、高壓氮氣緩沖閥、中心管道
氮吹閥和氧氣管道相連。氧氣切斷閥及相關(guān)高壓氮氣切斷閥受氣化爐安全聯(lián)鎖系統(tǒng)的控制。在開車時．通過開車程序打開或關(guān)閉相關(guān)切斷閥。停車或故障時，自動切斷進(jìn)氣化爐的氧氣管線并放空，然后用高壓氮氣吹掃、保護(hù)氧氣管線。
2.4.4.2 氧氣氮氣控制閥和切斷閥的技術(shù)要求
控制閥選用直通類，切斷閥選用球閥。

1）氧氣高壓輸進(jìn)有相當(dāng)大的危險性，根據(jù)歐洲氣體協(xié)會（EGA）標(biāo)準(zhǔn)，氧氣管線若采用304不銹鋼材質(zhì)，loMPa壓力下，速度限值為45m/s。要求采用整體法蘭，密封型式為RJ。閥體材質(zhì)至少采用316L，閥桿、閥芯及閥座材質(zhì)應(yīng)選用INCONELL合金。
2）具有防火防靜電結(jié)構(gòu)。
3）閥內(nèi)件全部采用鍛件，其中閥芯閥桿采用整體式。
4）選用防剝離石墨填料。
5）流道必須嚴(yán)格打磨光滑，需露出材料本色，徹底除去毛刺、粘砂等。
6）必須進(jìn)行清洗、脫脂、禁油處理，做好防護(hù)和標(biāo)志。
7）用氮氣進(jìn)行強壓、泄漏的檢測；填料用氦質(zhì)檢漏儀檢測泄漏低于300PPM。
8）鑄造閥體一般不允許補焊，需探傷檢驗。
2.4.5 偏心旋轉(zhuǎn)閥
2.4.5.1 偏心旋轉(zhuǎn)閥的使用工位
煤氣化裝置的激冷水泵、高壓回水泵、低壓回水泵等泵的出入口位置，介質(zhì)為灰水，容易積渣結(jié)構(gòu)；硫回收裝置的介質(zhì)黏度較大，這些工位一般選擇偏心旋轉(zhuǎn)閥。

2.4.5.2 偏心旋轉(zhuǎn)閥的技術(shù)要求
1）偏心結(jié)構(gòu)設(shè)計，減小磨損，延長壽命。
2）灰水幾乎沒有腐蝕性，所以閥體可用碳鋼材料，閥芯、閥座等基體材料用一般的奧氏體不銹鋼。
3）流道和球芯表面噴焊或噴涂耐腐蝕、耐沖刷、耐磨損材料。球芯也可以整體燒結(jié)碳化鎢或表面熔焊厚度達(dá)3mm以上的碳化鎢時，硬度可達(dá)HRC70°以上。
4）軸與閥芯連接用花鍵結(jié)構(gòu)，提高閥桿和球芯的傳遞精度和傳遞扭矩的能力。
2.4.6.1 三偏心金屬密封調(diào)節(jié)蝶閥的使用工位
三偏心蝶閥主要用于大口徑場合。

1）空氣分離系統(tǒng)。
2）壓縮機(jī)防喘振。
3）凈化合成精餾系統(tǒng)。
4）控制洗滌塔去變換單元的合成氣流量，這些閥門關(guān)系到氣化裝置工藝氣正常輸送以及變換單元的正常生產(chǎn)。
5）氣化裝置洗滌塔頂部合成氣去火炬系統(tǒng)，采用三偏心金屬密封切斷蝶閥，這些閥門關(guān)系到氣化裝置開停車以及裝置正常運行時系統(tǒng)壓力的穩(wěn)定。水洗塔出口合成氣有2個分支，一個分支是在開停車時，合成氣放空到火炬系統(tǒng)，閥正常運行時，保證壓力穩(wěn)定，在此分支設(shè)計1臺三偏心切斷蝶閥；另一個分支是開車后將合成氣送到下游的變換裝置，在此分支中，設(shè)計1臺三偏心控制閥（帶切斷功能），以調(diào)節(jié)合成氣壓力，并根據(jù)需要切斷下游系統(tǒng)。它受聯(lián)鎖系統(tǒng)控制，作隔離切斷用。
2.4.6.2 三偏心金屬密封調(diào)節(jié)蝶閥的技術(shù)要求
1）合成氣中含有濕的H2S，閥門、內(nèi)件和所有與物料接觸的部分應(yīng)遵照NACE MR 0175選用。閥體材料選用316 L。
2）閥門采用整體法蘭，以方便拆除和維修。
3）閥門泄漏量級別相當(dāng)達(dá)到美國ANSI/FCI70-2的Class V級，不能低于Ⅳ級，僅正向滿足密封要求。
4）閥板、閥座材質(zhì)選擇SUS316 SS硬化處理，如堆焊司太立合金6號、噴焊鎳基合金。
5）閥門所有流道包括閥門法蘭密封面應(yīng)進(jìn)行噴涂硬化處理。
6）根據(jù)功能需要組成功能系統(tǒng)（如壓縮機(jī)防喘振等）。