1 概述
煤气化是煤炭清洁高效转化的核心技术，是甲醇、化肥和煤基液体燃料合成和制氢工业发展的基础。近年来，德士古和壳牌煤气化在中国得到了广泛的应用，特别是德士古水煤浆加压气化工艺（以下简称TCGP），德士古石油公司（TEXACO）在重油气化的基础上，经过各国厂商和研究单位的逐步完善，于20世纪80年代投入工业化生产，成为具有代表性的第二代煤气化技术。
气化单元是典型的化学反应，主要原料是氧气和水煤浆。主要设备为气化炉，直接决定气化单元的正常生产和安全运行。在气化单元中，所有进口调节阀的投资占设备成本的20%。调节阀在气化单元运行中起着关键作用。
2 工艺流程介绍
图1为气化炉结构示意图。煤和蒸汽在气化炉中进行部分氧化反应，制备原料气。原料气经过冷却和清洗后送至炭黑CO改变过程。气化过程产生的炭黑水送至炭黑回收过程，大部分灰水回收利用，少部分污水处理过程送至生化池集中排放。水煤浆气化过程如图2所示。
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图1 气化炉结构
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图2 水煤浆气化流程
3 特殊阀门
气化单元的主要阀门有:气化炉锁渣阀和黑水阀、氧气阀、水煤浆切割阀、黑水/灰水阀、气化炉烧嘴冷却水切割阀、锁渣阀和冲洗水阀、气化炉高压氧气管切割阀、合成气切割阀等。
3.1 气化炉锁渣阀和冲水阀
如图3所示。
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图3 锁渣阀和冲水阀布置
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3.1.1 阀门概况
锁渣阀和冲水阀是气化装置最重要的阀门。每台气化炉有3台锁渣阀：气化炉下部渣口与锁渣罐相连的管道上有2台（上面1台常开，以备下面的锁渣阀故障时使用）；锁渣罐排放口1台。每台气化炉侧面各有1台冲水阀。
锁渣阀和冲水阀参与排渣过程控制，必须经过高温、高压和灰渣的直接磨损。开关频繁，要求在高压差下双向密封，阀门结构和材料要求高。为了节约能源，还设置了黑水循环系统，其工艺条件与锁渣阀基本相似。但由于开关次数少，差压变化小，硬化处理要求不如锁渣阀严格。
3.1.2 工艺介质条件
煤气化后排放渣时，阀门通过流体含有一定渣量的热水，固体含量约为20%。渣水混合物中渣的粒度和分布:粒度为3~5cm渣体占渣水体积的1%，粒度为1~2cm渣体占渣水体积的5%。cm的渣体占渣水体积的10%，粒度0.5～0.9cm渣水占渣水体积的20%，粒度小于0.5cm渣体占渣水体积的64%，最大粒度为50%mm。
3.1.3 锁渣阀和冲水阀技术要求
锁渣阀和冲水阀是双向旋转全截面开关球阀，集轴球、球芯和球杆于一体。
气化炉渣收集在充水锁渣罐中，定期隔离排空，控制阀按一定频率全开全关，化学、机械腐蚀强。
锁渣罐入口阀经常打开，出口阀和冲洗水入口阀经常关闭，锁渣罐入口和出口阀垂直，冲洗阀水平。
阀门应提供能够顺利排渣的设计，至少循环105次。阀门需要正向和反向双向密封，下游压力是大气压下的最大压差。在排渣过程中，上锁渣阀应能够承受阀后压力变化的影响。
阀门为高温锁渣阀结构，在冲击、腐蚀内部部件的金属和保护涂层在冲击、腐蚀和磨损下的最佳可用性。碳钢阀体和阀盖的整个金属层在铸造、锻造和加工阀体的运行状态下具有一定的腐蚀裕度。
锁渣阀球体采用耐高温和热冲击设计，高压球基采用不锈钢316L。堆焊球体表面NICKELBORON（>1mm），或高温等离子喷涂硬化处理，表面处理层应牢固附着，使用过程中不得脱落。球体通道也是高温锁渣结构，阀体通道焊接不锈钢层。硬合金必须堆放在阀球的嘴唇上。阀门内部流路设计应适用于磨损状态。
阀座为抗固体颗粒设计，阀座基材为316L。表面处理层应附着牢固，不得脱落，具有防渣堵塞弹簧结构，不得采用多圈弹簧结构形式。密封弹簧不易被灰渣堵塞，易于清洗，密封弹簧和阀轴/轴承区应避免颗粒堵塞，需要考虑波纹管密封甚至更好的密封方法，不接受冲洗结构的使用。
球阀必须具有阀腔自动卸压功能。当阀门关闭时，当阀腔内压力高于关闭压力时，可自动卸压至低压侧。考虑阀杆的设计强度：当球因某种原因卡住时，气源压力升至0.7MPa（G），阀杆不会断裂或变形。阀门填料应适用于规定的最大压力和温度。填料箱应配备外部可调装置，以便在运行过程中进行调整。阀铸件必须固体溶解并消除应力。螺栓和螺母必须是锻件和材料
不低于316L材质。
3.2 氧气调节阀和切断阀
3.2.1 氧气阀门的分布
气化装置氧气管道阀包括氧气总管流量调节阀，直接安装在氧气管道上，直接安装在各气化炉氧气支管流量调节阀、支管氧气联锁双切断阀、支管氧气排气阀和氧气排气管道调节阀上。此外，高压氮气吹扫阀、高压氮气缓冲阀、中央管道氮气吹扫阀和氧气管道相连。水煤浆管道和氧气管道上还有氮气吹扫阀。
由气化炉安全联锁系统控制的氧气切断阀和相关高压氮气切断阀，通过驾驶程序打开或关闭相关切断阀。停车或故障时，自动切断进气化炉氧气管道，清空，然后用高压氮气清洗和保护氧气管道。氧气管道阀门布置如图4所示。
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图4 氧气管线阀门布置
3.2.2 氧气管线调节阀和切断阀技术要求
软密封氧气阀应符合防火标准API 2607最新版本要求；氧气阀需要整体法兰，所有阀门都有RJ密封面法兰；阀门在运输和安装过程中进行禁油处理，阀门明显用蓝色标记：禁油；所有球阀必须全直径和双向金属密封。为减少安全风险，氧气流量控制在较低值，流量不能经常快速变化。氧气流量限制应参照压缩气体协会手册（CGA）G24.(最新版)，GEMS 211D6和IGC Doc13/02/E氧气管道系统的规定；所有与氧气接触的部件，包括至少316个氧气阀阀体L阀杆、阀芯、阀座的材料应为INCONELL。具体规定不得低于工艺包要求；所有阀门必须满足要求；TA2LUFT泄漏标准。
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3.3 合成气出口切断阀和调节阀
三偏心金属密封调节蝶阀控制洗涤塔改变单元的合成气流，与气化装置工艺气体的正常输送和改变单元的正常生产有关；气化装置洗涤塔顶部的合成气去火炬系统，三偏心金属密封切断蝶阀，与气化装置的开启和停止以及装置正常运行时系统压力的稳定性有关。具体布局如图5所示。
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图5 水洗塔关键阀门示意
水洗塔出口合成气有两个分支，一个分支是开停车时将合成气排空到火炬，系统正常运行时保证压力稳定。在这个分支中，设计了一个三偏心切断蝶阀；另一个分支是开车后将合成气送到下游的变换装置。在这个分支中，设计了一个三偏心调节阀(具有切断功能)来调节合成气压力，并根据需要切断下游系统。它是手动阀，但由联锁系统控制，用于隔离和切断。
合成气体含有分散的固体颗粒。阀门内部应小于6个固体颗粒mm内件上的孔最小为6mm，防止分散的固体颗粒堵塞阀门入口通道。此外，合成气中含有湿气H2S，与材料接触的阀门、内部和所有部件应遵守NACEMR0175选用。
阀门型式为三偏心高压金属密封蝶阀，阀体材料316L；阀门采用整体法兰，便于拆卸和维护；阀门泄漏水平与美国相对应ANSI B16.104的Class Ⅴ等级，不能低于Ⅳ等级，仅正向满足密封要求；阀芯阀座材料为316SS喷涂足够厚度的涂层(斯泰来，Ni2Bo等)，并确保涂层不会脱落；所有阀门通道，包括阀门嘴唇，都应喷涂硬化，以确保涂层不会脱落；阀门设计的超压范围大于其最大工作压力的150%；调节阀的可调比一般不小于50∶1。
3.4 合成气压力调节阀技术规格
在驾驶和停车（故障紧急停车或计划停车）时，气化炉的压力由调节阀自动调节，调节阀位于水洗塔顶部合成气出口排空火炬的管道上。图5中，水洗塔关键阀的工作压力和温度较高，排放气体含有更多的碳或灰渣颗粒。当气化炉压力通过其调节时，调节阀的气体流量非常高，高速气流的气体腐蚀和灰渣颗粒的磨损非常严重。正常运行后，阀门从几乎完全开到慢慢关闭
关闭，两端压差逐渐增大，全关达到最大压差，即洗涤塔操作压力，此时要求不能泄漏，因此阀门有严格的技术要求。
压力调节阀的技术要求如下：洗涤塔的压力调节是根据设计条件中规定的流来确定流通能力是的。一般来说，所需的最大循环能力应能够满足整个装置产生的合成气体排放量的50%。阀门的最小循环能力是根据工艺包中规定的正常操作/设计条件的50%，作为合成气阀的最小流量。启动后，由于合成气通过95%~100%的阀门，整个系统的压力立即上升。这种压力是稳定的洗涤塔压力，通常是0.7～1.4MPa。
当气化炉停止时，压力阀应通过压力调节器关闭，无论是自动还是手动。然后操作人员缓慢降低气化炉的压力，因此需要打开压力阀以平衡不同的压差。
当下游装置准备接收合成气时，压力调节阀应克服差压，缓慢关闭。洗涤塔压力切断阀也同时关闭。
阀门需要减噪阀芯。开口不得小于6mm，避免阀门刚打开时堵塞。阀门应有一个集成的法兰，便于移动和维护。
管道敷设和阀门安装应考虑防止洗涤塔合成气体的蒸汽冷凝。如果发生冷凝，控制阀将被灰粉堵塞。阀门采用硬密封凸轮挠度阀或抗冲刷单座套筒低噪声阀。气化炉压力调节阀芯阀座材料为硬化不锈钢，阀门泄漏水平不低于美国ANSI B16.104的Class Ⅳ等级。调节阀执行机构按工艺包计算，采用气缸活塞执行机构。
虽然阀门属于调节阀，但在后续驾驶阶段，从开到关，稳定后，基本处于全关状态。无法选择一般调节阀的正常和最大开度概念。因此，在与管道保持一致直径的基础上，选择最大开度CV值的调节阀。
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3.5 黑水调节阀
在气化装置中，从气化炉底部到气化高温热水器设置1个黑水液位调节阀，从洗涤塔底部到高温热水器设置2个黑水调节阀，如图6所示。
这些调节阀工作温度高，压降大，灰渣含量最高。它们应能够承受阀门压降引起的高流速，以及闪蒸溶解气的气蚀、水的蒸发和煤灰颗粒引起的腐蚀和磨损。特别是在第一级闪蒸中，黑水直接从高压通过闪蒸阀降至中低压。由于闪蒸产生大量的工艺蒸汽，材料流过闪蒸阀的节流元件的速度非常高，导致磨损严重。过去，第一级闪蒸阀被分解为两个连续的减压调节阀，从而将每个阀门的前后压差降低50%。每个阀门闪蒸后的工艺蒸汽量相应降低，闪蒸阀的磨损情况发生了很大变化。黑水调节阀推荐为角阀，阀芯阀座材料要求硬合金（WC）堆焊或更好的金属硬化工艺，出口配有锥形管，以防止闪蒸损坏阀门。
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图6 黑水调节阀布置
气化装置阀门选择是石油化工装置安全生产、降低恶性事故的保障，是一个热门研究课题。通常在装置中，设计的阀门应该满足工艺过程的操作需求，这是控制方案得以成立的必须条件。
4 结束语
为了实现水煤浆气化生产装置的自动化，在设计过程中，不仅要考虑合理的控制方案，还要选择正确的实施方法。根据工作条件和工艺数据，正确选择现场仪器，不仅要遵循各种标准、规范等指导文件，还要参考类似设备的选择、项目的具体经济运行条件和以往设备的使用经验。现场仪器作为控制系统，是不可分割的一部分。实践证明，这些阀门可以满足高循环频率、频率、严格的金属密封等级要求，克服大量颗粒介质造成的极度磨损，也可以克服高压差，严重清洗，防止炉渣排放过程中温差变化。保证气化装置的安全、稳定、长、满、优良操作。
参考文献
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