新型多噴嘴對置式水煤漿氣化技術(shù)是兗礦集團(tuán)有限公司與華東理工大學(xué)在消化、吸收德士古水煤漿氣化技術(shù)的基礎(chǔ)上成功開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的先進(jìn)技術(shù)，該技術(shù)是世界上最先進(jìn)的氣流床煤氣化技術(shù)之一。在生產(chǎn)操作控制過程中，控制閥起著十分重要的作用，針對氣化高溫、高壓、易燃易爆、反應(yīng)劇烈、爐渣沖刷等特殊工況，選擇合適的、高質(zhì)量的氧氣、煤漿、爐渣控制閥門用于生產(chǎn)操作、聯(lián)鎖控制過程中，達(dá)到安全、穩(wěn)定控制溫度、壓力、流量工藝操作條件。著重介紹控制閥在新型水煤漿氣化系統(tǒng)中的特殊要求及成功應(yīng)用。

1、引言

　　中國“863”國家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目——“多噴嘴對置式水煤漿氣化爐裝置”(下文簡稱氣化爐)，由華東理工大學(xué)和天辰化學(xué)工程公司聯(lián)合設(shè)計(jì)開發(fā)，在兗礦國泰化工有限公司實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)使用，標(biāo)志著中國的煤氣化技術(shù)進(jìn)入了國際先進(jìn)行列。新型氣化爐不但節(jié)煤、節(jié)氧，而且轉(zhuǎn)化率高，又不污染環(huán)境，生產(chǎn)控制方便，已在國內(nèi)迅速推廣。

　　氣化爐內(nèi)的燃燒壓力4.0~6.3MPa，溫度1100~1300℃，是一個(gè)高溫高壓燃燒罐，是高度危險(xiǎn)的裝置，一旦發(fā)生意外事故，后果不堪設(shè)想，所以它的安全可靠性是第一位的；其次，為維持正常的燃燒狀態(tài)，要求噴入的水煤漿流量和混入的氧氣流量必須匹配，否則有可能煤粉燃燒不完全或產(chǎn)生無用氣體，氧氣過量時(shí)有可能發(fā)生爆炸，因此要求自控系統(tǒng)的控制精度高、穩(wěn)定性好；第三，氣化爐是連續(xù)工作的裝置，必須有相當(dāng)長的使用周期。由于氣化爐裝置以上特點(diǎn)，相應(yīng)地對它的附屬設(shè)備和相關(guān)控制儀表也提出了很多技術(shù)要求，控制閥直接控制生產(chǎn)介質(zhì)，必須具有特殊結(jié)構(gòu)適合氣化工況使用，對幾個(gè)典型的控制閥介紹如下。

2、氧氣切斷閥和氧氣流量控制閥

　　氣化爐內(nèi)高壓高速地燃燒，大量的氧氣進(jìn)入，為保證正常的燃燒狀態(tài)，確保氣化爐的安全，必須嚴(yán)格調(diào)節(jié)控制氧氣的流量，快速無泄漏的地切斷氧氣，由于對調(diào)節(jié)和切斷2個(gè)功能的要求都很高，所以通常用3個(gè)控制閥來完成，即氧氣流量控制閥、氧氣切斷閥、氧氣放空閥，統(tǒng)稱氧氣閥。與一般工業(yè)過程控制閥相比，對氣化爐用氧氣閥有幾個(gè)特殊要求：

　　a)高壓差。氧氣切斷閥的關(guān)閉壓差最高，達(dá)5.0~7.0MPa，如此高的壓差條件下同時(shí)要求其泄漏等級達(dá)到Ö級，一般控制閥是很難達(dá)到的，只有用O形球閥。由于高壓差作用，球體承受的側(cè)向推力很大，所以采用固定球結(jié)構(gòu)，由上下軸承來承受推力，大大減小球體表面與閥座之間的摩擦力矩。氧氣流量控制閥主要是精確地調(diào)節(jié)流量，要求它具有良好的流量特性;其次是關(guān)閉時(shí)的切斷性能，泄漏等級為Ö級，所以一般選用套筒型控制閥。

　　b)材料。高壓氧氣在閥內(nèi)高速流動，可能與零件發(fā)生摩擦，產(chǎn)生熱量，如碰到碳化物可能發(fā)生爆炸事故;因此凡與氧氣流束接觸的零件不能用碳鋼制造;應(yīng)用鎳基合金(Inconel合金)或超低碳的奧氏體不銹鋼(如316L，304L)，結(jié)合現(xiàn)場工況的差異，閥體材質(zhì)選用MONEL材質(zhì)，閥芯、閥座材質(zhì)選用MONEL400/ALLY6號材質(zhì)，為避免閥桿長期處于一個(gè)開度不變而垢死，閥桿選用K500材質(zhì)。

　　c)工藝要求。凡接觸氧氣的零件必須除水、除油，確保干凈清潔。因高壓氧氣在閥內(nèi)流速為20~30m/s，若碰到毛刺、凹槽、凸肩等發(fā)生高速摩擦，因此流道內(nèi)壁和閥內(nèi)件的幾何形狀應(yīng)圓滑過渡，表面光滑，所以在設(shè)計(jì)、加工、裝配、試驗(yàn)、運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)，都制定嚴(yán)格的工藝規(guī)程，確保達(dá)到預(yù)定技術(shù)要求。因此，氧氣閥的特殊要求在于材料和工藝。

　　由于高壓氧氣的易爆特性，氧氣閥本身是一個(gè)易爆的危險(xiǎn)裝置;為確保安全，在選用氧氣閥的公稱壓力時(shí)要提高2個(gè)壓力等級，如氣化爐的壓力為6.3MPa，那么閥門的公稱壓力要求選PN160(ANSIClass900)。

3、煤漿切斷閥和煤漿灰水控制閥

　　水煤漿是液相和固體粉末二相的混合介質(zhì)，在閥芯與閥座之間形成的環(huán)形節(jié)流口形成很高的流速。它面臨著3個(gè)問題：煤漿在閥門的節(jié)流口達(dá)到相當(dāng)高的流速，由于煤漿有一定硬度，因此其沖蝕的破壞力很大;煤漿也會淤積、堵塞閥腔，所以要求閥內(nèi)流道通暢無死角;煤漿很細(xì)，能滲入閥芯導(dǎo)向間隙，可能導(dǎo)致閥芯卡死。煤漿有一定的附著黏結(jié)力，在閥芯閥座的密封面上形成積垢，影響閥門全關(guān)時(shí)的泄漏等級，所以要求控制閥能自動清除這些積垢。所以對灰水閥也有3個(gè)特殊要求：耐沖蝕、防堵塞、自清洗。灰水幾乎沒有腐蝕性，所以閥體、閥蓋可用碳鋼材料，閥芯、閥座等基體材料用一般的奧氏體不銹鋼，其表面熱敷一層耐沖蝕的硬質(zhì)合金即可;灰水形成的積垢，其附著力小于結(jié)焦層，所以不必配用大力矩的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

　　根據(jù)以上情況，灰水控制閥一般選用耐沖蝕型偏心旋轉(zhuǎn)控制閥，這種閥的閥體內(nèi)腔近似一個(gè)圓筒，通暢無死角，煤灰無法在其中屯積。其閥芯作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，在二側(cè)的導(dǎo)套間隙中，灰渣很難滲入內(nèi)部，即使形成積垢，因附著力不強(qiáng)，閥芯旋轉(zhuǎn)時(shí)容易被擠碎;另外，閥芯關(guān)閉時(shí)，當(dāng)它碰到閥座密封面后，由于結(jié)構(gòu)的原因、閥芯與閥座有一個(gè)相對運(yùn)動，能把密封面上的積垢磨碎掉，所以有自清洗功能。選用這種控制閥還有一個(gè)重要原因，它體積小、質(zhì)量輕、安裝方便;同口徑的閥，其質(zhì)量只有角形控制閥的三分之一左右，加上閥體、閥蓋等零件可用碳鋼，價(jià)格也便宜很多。由于氣化爐中煤漿燃燒速率與其他系統(tǒng)的反應(yīng)速率有關(guān)，還與供氧、冷卻等相關(guān)，為保持穩(wěn)定的燃燒狀態(tài)，它在不斷地調(diào)節(jié)煤漿的流量，因此要求相當(dāng)高的調(diào)節(jié)精度，通常選用等百分比流量特性。

4、鎖渣閥

　　鎖渣閥工藝介質(zhì)為渣水，含渣量20%，有腐蝕性、揮發(fā)性;沖洗水閥介質(zhì)為灰水;動作頻率每小時(shí)開關(guān)4次。選用球閥，閥體采用碳鋼加流道堆焊Stellite(斯特立)合金;閥桿應(yīng)采用防噴桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，材質(zhì)1Cr13鍛件，鍍Ni，P;閥球采用固定球，密封面及流道口堆焊Stellite合金，閥球唇口堆焊斯特立合金厚度不低于12mm，球整體噴涂或堆焊硬質(zhì)合金;閥座為316堆焊Stellite合金，堆焊層加工后不小于1mm，閥座后彈簧材質(zhì)為Inconel750，閥座后須有防砂結(jié)構(gòu)，防止灰渣進(jìn)入彈簧后造成彈簧失靈，閥腔有自動卸壓功能，當(dāng)閥門關(guān)閉后，閥腔內(nèi)壓力高于關(guān)閉壓力時(shí)，能自動卸壓至壓力低的一側(cè)。填料采用柔性石墨(帶潤滑)。硬度要求為閥座HRC5254，閥球HRC5862。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇具有足夠的裕量，開關(guān)次數(shù)為100萬次無故障;采用雙缸雙作用連桿傳動機(jī)構(gòu)，在額定氣源壓力為0.45MPa時(shí)，力矩值在30~50kN•m之間;當(dāng)切斷球閥被某種原因卡死時(shí)，氣源壓力升高，氣缸能承受不小于0.12MPa的氣源壓力;閥桿也不會被扭斷或變形。鎖渣閥選用雙向硬密封球閥、閥球與閥座硬化處理、三段式固定球結(jié)構(gòu)，浮動閥座，確保了氣化定時(shí)排渣、安全聯(lián)鎖運(yùn)行。

5、合成氣蝶閥

　　氣化爐出口合成氣流量大，動作快，泄漏等級要求高，因此使用蝶閥進(jìn)行流量控制，蝶閥特點(diǎn)是氣動執(zhí)行器力距大，表面經(jīng)陽極氧化處理，齒輪齒條結(jié)構(gòu)，正常使用壽命可達(dá)100萬次;閥體、閥板、閥軸同心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，100%雙向氣Ⅵ級密封;無支架外型結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量輕，體積小。采用無銷連接，維護(hù)簡便易行;無靠背設(shè)計(jì)保證了閥門安裝完畢后不增加扭距。蝶板為進(jìn)口高性能噴涂板，比普通板更加耐磨，壽命更長，流量特性優(yōu)良。

　　結(jié)合使用經(jīng)驗(yàn)選用三偏心蝶閥，三偏心蝶閥結(jié)構(gòu)特征為在雙偏心的閥桿軸心位置偏心的同時(shí)使蝶板密封面的圓錐型軸線偏斜于本體圓柱軸線，經(jīng)過第三次偏心后蝶板的密封斷面不再是圓，而是橢圓，其密封面形狀也因此而不對稱，一邊傾斜于本體中心線，另一邊則平行于本體中心線。第三次偏心的最大特點(diǎn)就是從根本上改變了密封構(gòu)造、不再是位置密封、而是扭力密封、即不是依靠閥座的彈性變形，而是完全用閥座的接觸面壓來達(dá)到密封效果，因此一舉解決了金屬閥座零泄漏這一難題，并因接觸面壓與介質(zhì)壓力是成正比的、耐高壓高溫也迎刃而解。

6、 黑水調(diào)節(jié)閥

　　氣化爐燃燒生成的原料氣和煤灰從下部分別排出，經(jīng)噴淋水冷卻后，大部分煤灰沉入鎖斗后被排出;但冷卻水中仍含有相當(dāng)多的煤灰，所以從氣化爐排出的冷卻水俗稱黑水，它經(jīng)控制閥調(diào)節(jié)后進(jìn)入下一道工藝，一般加熱到250℃左右，此時(shí)煤粉中很多化學(xué)成分開始分解并與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成多種腐蝕性極強(qiáng)的物質(zhì)，因此控制閥的閥體、閥蓋和與熱煤漿接觸的所有零件必須采用抗腐蝕材料，特別是閥體、閥蓋，不能用一般的奧氏體不銹鋼，而是用鐵素體奧氏體雙相結(jié)晶的不銹鋼，它不僅有極強(qiáng)的耐腐蝕性，而且它的機(jī)械強(qiáng)度比奧氏體不銹鋼高出一倍以上。

　　根據(jù)這項(xiàng)技術(shù)特性要求，在眾多的結(jié)構(gòu)型式中，角形控制閥比較符合要求，單座結(jié)構(gòu)的角形控制閥其閥芯用頂部導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，閥芯柄與導(dǎo)套之間有一定的間隙，雖然它處于主流束的上方，但是黑水不可避免地要滲入導(dǎo)向的間隙中，一旦停車，就在間隙中形成結(jié)焦薄膜層，有很強(qiáng)的附著力;當(dāng)再啟動時(shí)，往往閥芯被卡死。為防止卡死，在閥芯的導(dǎo)向段設(shè)計(jì)鏟除結(jié)構(gòu)，而且鏟下的結(jié)焦粉末能通過逃逸槽自行排出，就是說這種控制閥同樣具有自清洗能力。因鏟除結(jié)焦需要很大的推力，因此經(jīng)常配用大口徑的氣動活塞式執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其推力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通的氣動薄膜式執(zhí)行機(jī)構(gòu);需要時(shí)還將幾個(gè)活塞式執(zhí)行機(jī)構(gòu)串聯(lián)使用，其推力可大于150kN。

　　因此選用單座結(jié)構(gòu)的角形控制閥。因煤粉有較高的硬度，如此高的流速，其沖蝕的破壞力相當(dāng)強(qiáng)，所以黑水流量控制閥的閥座、閥芯及可能被沖刷到的零件，用抗沖蝕材料加工，或在零件表面熱敷一層抗沖蝕材料，這種材料質(zhì)里緊密，表面硬度大大高于煤粉，必須選用碳化鎢(WC)為主的硬質(zhì)合金。

　　根據(jù)氣化爐以上控制閥門的特點(diǎn)，筆者選用了國內(nèi)外控制閥中的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，目前已成功應(yīng)用到新型水煤漿氣化爐工藝生產(chǎn)中，運(yùn)行穩(wěn)定，聯(lián)鎖安全可靠，維修滿足了工藝操作過程控制使用。正在設(shè)計(jì)、建設(shè)中的多噴嘴對置式水煤漿氣化爐共計(jì)27臺，另外還有多家公司(包括國外)有采用該技術(shù)的意向，標(biāo)志著中國已完全具備了與國外氣化技術(shù)競爭的實(shí)力，多噴嘴對置式水煤漿氣化技術(shù)具有其獨(dú)特優(yōu)勢，市場競爭力強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)前景非常廣闊。經(jīng)上報(bào)的“多噴嘴對置式水煤漿氣化裝置儀表控制技術(shù)開發(fā)及工程應(yīng)用”項(xiàng)目獲得2007年度“石油和化工自動化行業(yè)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)”一等獎(jiǎng)，這離不開控制閥的選型和應(yīng)用。