王阳 孙志强 孙芸
北京航天石化技术装备工程有限公司 北京市大兴区 102600
摘要：
介绍了气化炉用激冷循环相关工艺的流程，结合若干典型工况下的特殊调节阀，分析了现场一些常见故障的原因，给出了相应的选型及使用建议，本文可指导各类特殊调节阀在联动试车及实际运行工况的使用。
关键词：
激冷循环 黑水调节阀 选型 煤气化
一、引言
煤炭是世界储量最多、分布最广的化石能源。由于煤炭资源量和储产比大大超过石油和天然气，因此在未来50年，煤炭依旧是世界最主要的能源，是世界经济发展的重要动力。积极发展煤炭高效洁净燃烧技术，对解决中国油气短缺等能源安全问题，满足国民经济发展的需要都有关键的影响。以煤炭为原料经化学方法将煤炭转化为气体，而后再进一步加工成一系列化工产品或石油燃料的工业成为煤化工。煤炭气化是以煤或煤焦为原料以氧气、水蒸气等作为气化介质，在高温条件下通过化学反应将原来中的可燃部分转化为可燃性气体的工艺过程。
激冷循环工艺最初是水煤浆气化工艺Texco配套的标准流程，用于合成气粗洗涤、炉温控制及水资源循环利用，激冷循环的稳定性，直接影响气化炉装置的运行周期。由于工艺需要对激冷水进行回收及重复使用，并且在流程中，气化炉未完全反应产生的难容性气体和固态微粒会随着循环水流向下游，结合气化炉本身的高温高压及带来的降压闪蒸的情况，严苛的考验着下游调节阀的耐压、耐冲刷、耐腐蚀性能。气化炉激冷循环系统中的具有耐压、耐腐蚀、耐冲蚀的，具有调节性能的阀门一般称为黑水调节阀，在选型阶段通常对主要部件的材质有严格要求，对于节流组件通常要求采用硬质合金材质，阀体材质推荐选用双相钢，而介质流道在特定的工况下也需要进行硬化处理。然而，随着近些年新式气化炉数量的增加和常规气化炉处理量需求的提升，气化炉的气化压力和流量较以往有着明显的增大，这需相应的对各位置黑水调节阀的选用进行区别对待。作者在近些年参加的任务中，既有为业主进行整阀替换，也有对节流组件的维修、替换工作。本文认为：根据位置及工况进行针对性设计的是必要的。下文就针对部分典型位置进行分析，阐述其应用难点及改进策略。
二、激冷流程及影响调节阀关键因素
2.1 气化炉激冷工段
激冷室工段介质起始位置为除氧器，末端为气化炉和洗涤塔。黑水经渣水工段的多级闪蒸处理后，
合成气和燃烧残渣大部分被回收，这部分的介质通常被称为灰水，灰水再经过除氧器的沉淀等处理，已较为洁净，开启新一轮的水循环。首先灰水经灰水泵后增压换热后进入洗涤塔下塔，既可以在洗涤塔中对流经的黑水进行洗涤净化，又可以进入气化炉的激冷室，还可以在紧急情况时对气化炉进行补水，平衡液位。该工段中洗涤塔出口及灰水泵后回流两个位置由于自身工况原因对调节阀的要求比较高。洗涤塔出口介质具有高温、高压差、高含固量的特点，需要对调节阀内腔流道、节流组件的材质及紧固结构、调节阀出口扩散方式都进行针对性选取及设计。灰水泵后回流位置的调节阀，虽然含固量较低，介质温度也较低，但是调节阀压差大，阀后压力基本为常压，因此对于压差状态下的压力恢复性能就有很高要求，采用传统的单座结构则很容易导致节流组件内部产生持续的闪蒸，导致节流组件的损伤。
通常推荐采用多级减压结构，压力逐级递减，使介质在节流组件内部进行平稳降压，避免闪蒸情况的发生，此位号与激冷循环工艺的其他位号调节阀不同，应优先考虑避免闪蒸和进行降压结构设计而不是单纯的提高调节阀的耐冲蚀性能。
2.2 渣水处理工段
渣水处理工段介质的始末位置为气化炉激冷室和除氧器，通过多级闪蒸的方式将介质黑水中的合成气、燃烧残渣等残余成分进行分离并返回除氧器，实现固液气三相的分离，最大程度上对水介质进行回收循环利用。从气化炉激冷室进闪蒸罐的位置和下游低压或真空闪蒸罐位置的调节型对于工艺要求都较高。气化炉中反应越充分，激冷室出口的黑水含固量就会越低，对出口调节阀的冲刷和腐蚀影响就会越小，因此位置的核心设计原则就是提高节流组件的耐冲蚀性能。下游低压或真空闪蒸罐位置的调节阀则需要优先考虑如果工艺导致阀前压力过低，出现阀前闪蒸的问题。让本应该发生在节流组件中，由硬质合金抵抗闪蒸损伤的情况出现在节流前，那么对调节阀前的管道、阀体这些相对合金薄弱的部件就会引起严重的侵蚀。
2.3 联动试车工况下的影响
除了上述工段外，联动试车对调节阀的考验也同样苛刻。
联动试车工况中，工艺循环中静设备中的介质处于常温状态。对于除氧器连接洗涤塔之间的调节阀，正常工况时，调节阀前压力略高于阀后，调节阀处于高压力低压差的工况，但联动试车时，由于除氧器出口连接离心泵开始正常运行，而洗涤塔内的压力尚未建立，基本为常压状态，导致调节阀处于高压力低压差工况的联动试车特殊工况，一方面阀后压力低，阀内极易发生闪蒸，另一方面调节阀前后压力大，正常开度下实际过流远大于正常工况，为维持液位，调节阀处于小开度情况（极端情况甚至会在5%），开度过小及汽蚀都会导致调节阀高频振动。高频振动和闪蒸工况均会对阀内件产生严重损伤，导致合金脱落甚至断裂。对于此类情况，解决办法通常有三种，一种是对于此类特殊工况位号增加旁路试车阀，针对联动试车工况，断路正常工况调节阀，而介质流往旁路试车阀。第二种是使用联动试车特定节流组件，针对联动试车工况，设计针对性节流组件，保证联动试车过程中，开度保持在正常开度，推荐使用多级降压结构，降低闪蒸发生的可能性，联动试车结束后再换上正常工况的节流组件。第三种是联动试车和正常工况采用相同的节流组件，但对于组件进行着重紧固，由于联动试车时间较短，通常为几个小时，通过组件的机械紧固结构和硬质合金，对闪蒸和小开度高频振动进行硬抗。
综上所述，调节阀设计的一般推荐结构选用原则如下：
推荐选择对介质具有缓冲功能的阀体结构，从而能更大程度上降低阀腔内涡流、减少壁面直冲、确保介质入流均匀；而阀型结构上推荐选用角式结构，有利于避免介质沉积同时也能减少流道死区。
阀本体部分推荐选择不平衡式调节阀结构，从而能避免由于高含固量介质的沉积导致调节阀卡塞问题的发生。
节流组件包括阀芯、阀座、扩散段三部分组件均推荐采用整体硬质合金结构。为避免出现脱落的引起寿命缩减的情况，推荐采用机械连接锁定紧固、弹性元件补偿、热压固定等形式，对阀内件的硬质合金与组件进行连接紧固。
结束语
气化激冷循环工艺中，介质具有高温高压高含固量的特点，对流道设计需要对壁面进行硬化、减少流道死区、降低阀腔内涡流、减少壁面直冲、确保介质入流均匀；对节流组件选取需要考虑内件自身材质及装配结构、介质温度冲蚀及腐蚀的影响，只有在选型及设计时充分考虑各位号的工况差异，才可确保实际运行过程中调节阀的平稳运行，达到长寿命使用的效果，进而保证整个循环工艺流程的稳定运行。
参考文献
1.王喜，《GSP 气化炉激冷水流量调节阀应用》，工业技术，2012，NO.36
2.刘志伟，《煤气化工况自控阀门选型探讨》，石油化工自动化，2013，第49卷第2期
通信作者：王阳（1988-），工程师，从事阀门及相关领域的研究与设计.