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粉煤氣化特殊閥門該如何選型呢？
閱讀：722 發(fā)布時間：2020-4-14在工藝裝置中，閥門是控制元件，其主要作用是隔離設(shè)備和管道系統(tǒng)、調(diào)節(jié)流量、防止回流、調(diào)節(jié)和排泄壓力，對于工藝裝置的平穩(wěn)生產(chǎn)和安全運(yùn)行起到了決定性的作用。在粉煤氣化裝置中，工藝介質(zhì)多為煤粉、灰渣水、黑水，在高壓的情況下，流速快，對管道和儀表的沖刷、磨損十分嚴(yán)重。針對這種惡劣的工況，相比于其他裝置，粉煤氣化裝置對閥門的要求更為苛刻和嚴(yán)格。
一、盤閥
在粉煤氣化工藝流程中，粉煤加壓進(jìn)料、氣化爐排渣（除灰）工段采用了 鎖斗設(shè)備來定時進(jìn)行粉煤給料、排渣等頻繁（每 30min 一次）的操作，其中的鎖斗閥、平衡閥和鎖渣閥作為關(guān)鍵的閥門其設(shè)計的好壞決定了氣化爐能否正常運(yùn)行。這些閥門的操作工況多為氣固混合（煤粉 + 二氧化碳）與固液混合（渣水），操作壓力 4.9MPaG 左右，大允許差壓為6.2MPaG，入口溫度為 100 攝氏度。此工況中，介質(zhì)中多含有高硬度顆粒，對閥門內(nèi)件，特別是閥芯與閥座的密封面沖蝕嚴(yán)重。儀表選型上多采用雙向金屬硬密封耐磨球閥，即使目前此類閥門已經(jīng)國產(chǎn)化，價格較進(jìn)口閥門有了較大優(yōu)勢，但是由于閥門自身結(jié)構(gòu)的問題，故障率高、壽命時間短，使用效果并不理想。究其原因主要是因?yàn)榍蜷y結(jié)構(gòu)中的金屬閥座與進(jìn)行密封的常規(guī)球閥四周的間隙易積聚煤粉，使密封面極易受到磨損，刮傷閥芯上的硬質(zhì)金屬涂層。在頻繁地開啟關(guān)閉的過程中，由于球閥的密封面總是在同一位置，導(dǎo)致閥門的密封很快失效。
盤閥原理
盤閥是在多晶硅、電力除灰系統(tǒng)和冶金行業(yè)中廣泛應(yīng)用的一種耐磨切斷閥門。其*的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)保證其在帶有磨損沖蝕性物料的惡劣工況下能連續(xù)長期地正常工作。
盤閥通過閥桿與驅(qū)動臂使滑動圓盤在閥腔內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)閥門的啟閉。在啟閉過程中，閥盤密封面在彈簧壓力的作用下與閥座緊密貼合，并且圓盤邊緣為銳邊，對密封面上的物料起到刮削的作用，能夠阻止介質(zhì)中的大顆粒物質(zhì)進(jìn)入密封面。在盤閥啟閉過程中，閥盤不僅圍繞主軸做圓弧形旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，而且由于閥座密封面對閥盤在切線方向上的摩擦力矩之差，使閥盤在一個啟閉循環(huán)過程產(chǎn)生自轉(zhuǎn)，從而使得閥盤每次接觸物料的點(diǎn)不同，在固體顆粒與密封件之間形成自研磨，對密封面具有良好的補(bǔ)償效果，使其在磨損、沖蝕物料上應(yīng)用的過程不斷提高密封性，壽命要比其他閥門長。
盤閥分類
盤閥按照結(jié)構(gòu)可分為單盤閥和雙盤閥。
1）單盤閥
單盤閥根據(jù)使用的情況可以分為單閥單盤與單閥雙盤。單閥單盤為單向密封， 適用于閥門關(guān)閉靜壓作用于閥盤背面的情況或者反向壓力很低的情況（一般小于0.25MPa），單閥雙盤可實(shí)現(xiàn)雙向密封雙向流動 。對于煤粉輸送單元，此單閥雙盤閥可代替雙向硬密封球閥來使用。由于盤閥外形尺寸比球閥較大，在工藝需要設(shè)置雙切斷閥的情況下，較大的占地空間給配管專業(yè)帶來了許多困難，如粉煤鎖斗進(jìn)口與出口切斷閥、粉煤鎖斗壓力平衡閥。針對這種情況，可以采用雙盤閥結(jié)構(gòu)。
2）雙盤閥
雙盤閥把 2 個盤閥裝配在一起以節(jié)約安裝空間和減輕質(zhì)量，其也可分為雙閥單盤與雙閥雙盤。上下兩個閥盤能獨(dú)立進(jìn)行開關(guān)動作，并實(shí)現(xiàn)密封。為了避免在使用過程中造成兩個閥盤之間的憋壓，采用雙盤閥時多采用雙閥雙盤結(jié)構(gòu)。通常，閥體材質(zhì)多采用 WCB 或 LCB，閥內(nèi)件材質(zhì)采用SAF2205。
二、煤粉切斷閥
在粉煤給料罐至氣化爐的氣體輸煤管線上，往往設(shè)置了粉煤切斷閥用于在事故狀態(tài)或裝置停車時切斷氣體輸煤管線往氣化爐的輸送。在正常工藝操作情況下，此閥為常開狀態(tài)，不需要操作，不像鎖斗閥一樣沖刷嚴(yán)重。通常儀表選型采用雙向金屬硬密封球閥。目前，此閥已經(jīng)國產(chǎn)化，并已廣泛應(yīng)用。通常，閥體材質(zhì)采用 WCB，閥內(nèi)件材質(zhì)采用 316SS+噴焊硬質(zhì)合金。
三、煤粉調(diào)節(jié)閥
煤粉調(diào)節(jié)閥在粉煤氣化中有著舉足輕重的作用。此調(diào)節(jié)閥安裝在粉煤給料罐與氣化爐燒嘴之間，用于調(diào)節(jié)進(jìn)入氣化爐粉煤流量、是精確控制氣化爐氧煤比的關(guān)鍵設(shè)備，其性能優(yōu)劣直接關(guān)系到氣化爐能否實(shí)現(xiàn)長期安全穩(wěn)定運(yùn)行。煤粉調(diào)節(jié)閥多為角閥結(jié)構(gòu)，進(jìn)出口流向夾角為 120 度。工藝介質(zhì)從底部進(jìn)入，側(cè)面流出，閥門為流開型，氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)倒置。通過改變閥芯開槽的遮擋面積，從而改變粉煤的流量。閥芯由閥桿拖動，用波紋管密封，閥蓋處有氮?dú)獯祾呖?，用于防止因煤粉沉積而引起的波紋管卡塞。通常閥體材質(zhì)采用碳鋼 + 碳化鎢襯里，閥內(nèi)件材質(zhì)選用碳化鎢。
四、氧閥
在粉煤氣化工藝流程中，氧氣通過加熱，在與蒸汽混合后，在高溫高壓的條件下進(jìn)入到氣化爐，與煤粉在氣化爐內(nèi)部進(jìn)行反應(yīng)，生成合成氣。氧氣管線上的閥門發(fā)生任何外漏或者內(nèi)漏情況，都會引發(fā)燃燒甚至爆炸的嚴(yán)重后果，更嚴(yán)重的還可能引起生命財產(chǎn)的重大損失。在停車時，安全儀表系統(tǒng)自動切斷氧氣切斷閥，并打開氧氣放空閥將管線內(nèi)氧氣放空，并用高壓氮?dú)獯祾吆捅Ｗo(hù)氧氣管線。為防止氧氣進(jìn)入到高壓氮?dú)獯祾吖芫€，高壓氮?dú)獯祾吖芫€上的切斷閥也需要按照氧閥的標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行設(shè)計。目前，氧氣調(diào)節(jié)閥的儀表選型均采用直行程 Globe 閥門，泄露等級為 ANSI CLASS V 級；氧氣切斷閥和放空閥普遍采用全通徑雙向金屬硬密封球閥，泄漏等級為 ANSI CLASSVI。氧閥應(yīng)采用防火防靜電設(shè)計，做脫油、脫脂、脫水的處理，閥體及閥芯部件應(yīng)光滑無毛刺、流道無銳角、無沖擊場合存在。閥桿應(yīng)有特殊設(shè)計，保證閥桿不會發(fā)生偏斜，以防止閥門發(fā)生外漏。相比較而言，氧閥的材質(zhì)是氧閥性能保證的重中之重。目前國標(biāo) GB 對于閥門材質(zhì)的選用沒用明確的規(guī)定，廣大設(shè)計院普遍采用歐洲工業(yè)氣體協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)（EIGA）的新標(biāo)準(zhǔn) IGC DOC 13/12 中的規(guī)定來作為氧氣閥門材質(zhì)選擇的依據(jù)。其中對于直通 Globe 閥，由于閥門流道迂回曲折，閥門材質(zhì)應(yīng)按照沖擊場合設(shè)計，通常選擇豁免材質(zhì)。而對于切斷和放空球閥，盡管在工作時處于非沖擊狀態(tài)，但是在緊急切斷或打開的情況下，閥內(nèi)件會引起過度的流速及紊流。通常材料的選擇應(yīng)按照調(diào)節(jié)閥對待，同樣選擇豁免材料。如某國內(nèi)大型項(xiàng)目上，進(jìn)氣化爐燒嘴的氧氣操作壓力為 5.2MPaG，操作溫度為 180℃，根據(jù) IGC DOC 13/12 中附件 4 豁免壓力與小厚度對照表，氧氣調(diào)節(jié)閥閥體采用Inconel 600，閥內(nèi)件采用 Inconel 625。氧氣切斷閥和放空閥閥體和閥內(nèi)件均采用 Inconel 600。
五、高壓 CO2、N2 切斷閥
在煤氣化裝置中，多用操作壓力為 6MPa 左右的 CO2、N2 作為粉煤介質(zhì)的輸送氣體，其切斷閥多采用與氧氣閥門形式一樣的硬密封球閥。通常閥體材質(zhì)為 WCB，閥內(nèi)件為 316 不銹鋼 +stellite表面硬化處理。
六、高壓差放空閥
在粉煤氣化裝置正常生產(chǎn)時，需要保證粉煤給料罐與氣化爐之間保持一個穩(wěn)定的壓差（約 0.7MPaG），使得煤粉能均勻地通入到氣化爐主燒嘴。此壓差是通過高壓差放空閥與另一個充壓調(diào)節(jié)閥由粉煤給料罐與氣化爐之間的壓差分程控制調(diào)節(jié)。由于此放空閥前后壓差大（從 4.8MPaG到大氣壓）、流速極快，再加上介質(zhì)中存在煤粉顆粒，對閥門內(nèi)件與閥后管道造成嚴(yán)重的沖刷，造成很大的安全隱患。如果此閥選擇直通式 globe 閥，由于閥門流道成“S”彎型，沖擊嚴(yán)重，即使閥門流道與閥內(nèi)件采用硬化處理，在高速煤粉的沖刷下，閥芯與閥座仍然磨損嚴(yán)重，造成閥門喪失調(diào)節(jié)功能，無法正常使用。目前，據(jù)筆者調(diào)查以下兩種閥門使用效果良好。
（1）滑板閥
滑板閥由中間的滑板與兩端的夾板組成，閥桿帶動滑板在流體垂直方向上產(chǎn)生位移，從而改變流通面積來實(shí)現(xiàn)開關(guān)或調(diào)節(jié)功能。由于閥門采用直通式流道設(shè)計，將流體對閥腔的沖刷降到低，并且夾板、滑板均采用整體燒結(jié)硬質(zhì)合金，硬度高，具有良好的抗沖刷、抗腐蝕性能。經(jīng)過近年來國內(nèi)多個項(xiàng)目的使用及跟蹤了解，滑板閥在粉煤給料廠高壓差放空工況下，免維修使用壽命不少于 18 個月，有效使用壽命接近 3 年 。
（2）全襯硬密封陶瓷 V 型球閥
工業(yè)結(jié)構(gòu)陶瓷在強(qiáng)度上比普通閥門高很多，其主要材料為氧化鋯，硬度高于HRA86，比加工后的硬質(zhì)金屬閥門的硬度 HRA70 還要高，因此工業(yè)陶瓷具有很高的耐磨性。在密封等級上，由于結(jié)構(gòu)陶瓷具有自潤滑性，表面精度可達(dá)到 RA0.1 ～ RA0.4，密封比壓遠(yuǎn)比普通的金屬閥門小，因此閥門啟閉時阻力小，可達(dá)到真正的零泄漏 VI 級。目前，隨著科技的不斷革新與發(fā)展，特別是陶瓷加工與成型等新技術(shù)的發(fā)展，陶瓷球閥已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電廠的煙氣脫硫（FGD）裝置、飛灰、除渣以及燃燒（噴煤）系統(tǒng)、鋼鐵廠的燒結(jié)機(jī)脫硫（EPC）工程、垃圾焚燒的煙氣凈化、氯堿工業(yè)及廢水和固體廢除處理等行業(yè)中 [7]。V 型球閥具有直通式的流道設(shè)計特點(diǎn)，并且具有直通式 Globe 閥的等百分比流量特性與 1：100 的寬量程比。全襯硬密封陶瓷 V 型球閥結(jié)合了結(jié)構(gòu)陶瓷與 V 型球閥的特點(diǎn)，可滿足此高壓差放空調(diào)節(jié)閥的需要。某國內(nèi)大型煤化工項(xiàng)目選用陶瓷襯里硬密封 V 型球閥作為高壓放空閥，閥體材質(zhì)采用碳鋼 + 陶瓷襯里，閥內(nèi)件材質(zhì)采用工業(yè)陶瓷。
近些年粉煤氣化項(xiàng)目在國內(nèi)得到大力發(fā)展，于粉煤氣化的儀表特殊閥門是煤氣化項(xiàng)目能否長期平穩(wěn)運(yùn)行的關(guān)鍵。希望通過本文，給使用者在粉煤氣化選型時提供一定的參考。