黑水調節閥是水煤漿氣化工藝關鍵閥門之一，其介質具有很強的腐蝕性，且含有硬質固體顆粒，由于閥門前后壓差大，將導致閃蒸現象發生，閥后出現高速的汽液固三相流體。若黑水調節閥的選型或計算不當，會導致閥門不能滿足工藝過程的要求，將對氣化裝置的穩定運行造成影響。簡要介紹了水煤漿氣化工藝黑水調節閥的應用工況、選型、計算及其他特殊要求，以期為同類裝置提供一些參考。

　　水煤漿氣化工藝具有技術成熟、流程簡單、過程控制安全可靠、原料適應性強、碳轉化率高、粗合成氣質量好、環保性能好、裝置建設投資低、建設周期短等特點。近年來，煤化工產業蓬勃發展，水煤漿氣化工藝在煤制氫、煤制甲醇、煤制烯烴、煤制合成氨等工程中得到了廣泛應用。氣化裝置通常為上游裝置或關鍵的工藝裝置，當氣化裝置停車時，將導致下游裝置或與之配套的生產裝置中斷生產，造成較大的經濟損失。因此，氣化裝置的長周期穩定運行至關重要。根據多家企業的水煤漿氣化裝置運行情況，除了耐火磚、工藝燒嘴等關鍵設備外，關鍵閥門也是影響氣化裝置長周期穩定運行的重要因素，特別是黑水調節閥。筆者將基于某項目中的水煤漿氣化工藝對黑水調節閥的選型與計算作一探討。

1、工藝流程簡介

　　水煤漿氣化工藝中的氣化爐和洗滌塔在生產過程中將產生黑水，需要通過黑水閃蒸系統對黑水進行處理，解析黑水中的酸性組分、回收熱量并提濃黑水，工藝流程如圖1所示。

圖1 黑水閃蒸系統流程示意

　　來自氣化爐和洗滌塔的黑水分別經調節閥LV-01和FV-01減壓后進入高壓閃蒸罐，閃蒸出的水汽以及大部分溶解的酸性氣組分經冷卻、分離后送至下游單元進一步處理。高壓閃蒸罐底的黑水經調節閥LV-02減壓后進入低壓閃蒸罐，閃蒸出的氣相進入除氧器作為汽提用汽。低壓閃蒸罐底部的黑水經調節閥LV-03減壓后進入1號真空閃蒸罐，1號真空閃蒸罐底部的黑水經調節閥LV-04減壓后進入2號真空閃蒸罐。1號和2號真空閃蒸罐閃蒸出的水汽和氣相組分經冷卻、分離后由真空泵系統排放。2號真空閃蒸罐底部的黑水經沉降槽給料泵送至后續單元。

2、工況分析

　　以上工藝流程中采用了四級黑水閃蒸系統，共有5臺調節閥用于黑水減壓，該5臺調節閥通常稱為黑水調節閥。黑水中含有H2S，Cl等強腐蝕性介質，同時還含有氣化反應產生的硬質固體顆粒，固體顆粒的質量分數最多能達到4%。黑水中的固體顆粒易發生沉積，且極易發生結垢現象，堵塞閥門流道和工藝管道。

　　根據節流原理，流體在節流時流速增加而靜壓降低，在節流處后流束截面并不立即擴大，而繼續縮小到某最小值，此處流速最大且靜壓最低，稱為縮流斷面。縮流斷面后隨著流通截面的擴大，流體流速減慢，靜壓回升，稱為壓力恢復，而閥門入口壓力p1和出口壓力p2差p1-p2=Δp為不可恢復的壓力損失。縮流斷面處的壓力pvc為節流過程中最低的靜壓，如果該處的流速增加到足夠高，那么pvc將會降低到不大于閥門入口溫度下的流體飽和蒸汽壓pv，此時部分液體就會氣化成氣體或蒸汽，形成氣泡。流體流出節流區后，壓力回升，若壓力回升不超過入口溫度下的流體飽和蒸汽壓(p2≤pv)，如圖2所示，那么流體還將繼續汽化，在閥門出口形成汽液共存的現象，即兩相流，這種現象稱為閃蒸。

圖2 閃蒸工況調節閥的壓力變化趨勢

　　在黑水閃蒸系統中，黑水調節閥的主要作用是對閥門入口的黑水介質進行減壓，且黑水調節閥需承受較大的壓差。經過減壓，黑水調節閥的出口壓力p2低于入口溫度下的介質飽和蒸汽壓pv，形成閃蒸。通過黑水調節閥的閃蒸，解析黑水中的酸性組分、回收熱量并提濃黑水。正是由于發生了閃蒸現象，閥后部分黑水汽化成水蒸氣，閥后的流體體積急劇膨脹，較閥前的體積流量增加了數十倍甚至數百倍，形成了高速流動的汽液固三相流。黑水液滴、硬質固體顆粒高速沖刷閥內件和閥后管道管件，對閥內件和閥后管道管件造成嚴重的沖刷磨蝕破壞，同時產生噪音和劇烈的震動。

3、閥門選型

　　通常在工程設計中遇到閃蒸工況，應首選消除閃蒸。基于工藝流程和管道布置的需要，黑水調節閥的閥前和閥后壓力無法調整，不能實現p2>pv。如果采用串聯調節閥或者在閥后增加限流孔板，可以提升上游調節閥的閥后壓力，消除上游調節閥的閃蒸，但是下游調節閥和下游限流孔板的閃蒸依然無法消除，這兩種方法只是轉移了閃蒸發生的位置;而且，根據工況分析，黑水調節閥并非單純的閃蒸，伴隨著壓力的降低，黑水中已溶解氣體的解析不可避免，下游調節閥和下游限流孔板的入口也將出現汽、液、固三相流，工況仍然十分惡劣，同時串聯系統的調節性能也受到局限。因此，不推薦采用串聯的方法，建議仍由單個閥門實現減壓調節。

　　黑水調節閥的工況具有高壓差、閃蒸、入口為液體固體混合流體而出口為汽液固三相流體、出口高流速、含硬質固體顆粒且易沉積和結垢等苛刻條件，因而應選用具有自清潔功能的角閥。自清潔角閥的設計應滿足以下要求：

　　1)閥體流道采用流線型結構，避免介質流動時形成急轉彎或滯流點，同時能有效控制閥門入口的流速，避免介質對閥體和閥桿產生高速沖刷。

　　2)閥腔內無沉積死角，避免固體顆粒的沉積和堵塞。

　　3)閥芯、閥座采用碳化鎢材質，以抵御含硬質固體顆粒三相流體的高速沖刷。

　　4)具有可靠的碳化鎢閥芯連接結構和工藝，避免出現閥芯斷裂或脫落。

　　5)增強型閥桿設計和穩定的導向結構，以承受高壓差和閃蒸產生的振動，同時便于匹配大推力執行機構。

　　6)自清洗導向設計，便于清除閥桿表面附著的固體顆粒和垢質，防止固體顆粒進入導向套管間隙而造成閥門卡澀，也避免填料函損壞而導致黑水泄漏。

　　7)閥門出口配碳化鎢材質的文丘里擴口延伸管，避免閃蒸后的高速三相流體沖蝕閥體、閥門出口法蘭、下游管道或管件，保證閥門長期穩定運行。

　　在進行黑水調節閥選型時，還應特別關注各部件材質的選擇。閥體材質的選擇應充分考慮耐腐蝕性和耐磨蝕性，通常選用奧氏體不銹鋼或雙相鋼，由于各裝置原料煤的腐蝕成分差別較大，所選閥體材質不應低于工藝管道材質。為抵御含硬質固體顆粒三相流體造成的沖蝕，閥芯、閥座和文丘里擴口延伸管通常選用碳化鎢材質，碳化鎢具有較高的硬度和較好的耐磨蝕性，但同時也較脆，如閥芯和閥座發生撞擊容易導致碎裂，因而執行機構應具有可調整的機械限位。閥門安裝調試后應立即設定最小機械限位，防止發生碰撞。閥門投用前應確保上游的管道和容器設備內無雜物，避免較大尺寸雜物在閥座處卡塞，導致閥芯和閥座發生間接撞擊。

　　國內外多家閥門制造商都針對黑水閃蒸工況開發了專門的自清潔角閥，各品牌的自清潔角閥具有各自的設計特點。近年來，國產品牌通過產品性價比的提升和快速的現場服務響應在黑水調節閥應用領域取得了顯著的進步。

5、其他問題

　　在工程設計中除了關注黑水調節閥的選型和計算外，還應重視和管道設計的協同配合。黑水調節閥后汽液固三相流體的流速很高，管道設計中應該采取合理的措施降低閥后管道或管件損壞的風險。例如，在閥后設置大口徑的緩沖罐，在高流速區域采用硬質合金內襯，在沖擊區域采用加厚耐磨材料等。由于黑水調節閥處于閃蒸工況，閥門和與之相連的管道系統震動劇烈。閥門的氣源連接推薦采用金屬軟管，信號電纜應預留伸縮裕量。同時，應加強管道支撐的設計，避免由于劇烈震動損壞閃蒸罐的設備管口。

6、結束語

　　黑水調節閥作為水煤漿氣化工藝中工況最苛刻的調節閥，其運行的可靠性直接關系到氣化裝置的長周期穩定運行。工程設計中應高度重視黑水調節閥的選型與計算，為氣化裝置的安、穩、長、滿、優運行打好基礎。