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在水煤浆加压气化装置上锁渣阀的应用与国产化

   1 结构   

    锁渣阀,也称之为锁斗阀,一般采用气动两位开关球阀,是液态排渣的水煤浆、多元料浆(以下统称水煤浆)和干煤粉气流床加压气化装置上最重要的调节阀。每台气化炉设置3台锁渣阀,气化炉激冷室或破渣机下部与锁斗相连的管道上,即锁斗入口侧有2台:XV08、XV09锁渣阀,通常称为上锁渣阀,其中,XV09锁渣阀受程序控制,大约每30min开关一次,而XV08锁渣阀常开、在线备用,以备XV09锁渣阀出现泄漏等故障随时投用。当气化炉激冷室液位低,引起气化炉保安系统联锁动作时,XV08也联锁关闭,以防气化炉工艺气窜入锁斗系统,造成不良后果。锁斗排放口有1台:XV10锁渣阀,通常称为下锁渣阀,该阀的下口与大气相通。锁渣阀参加气化炉的排渣程序控制,受高温、高压灰渣的直接磨蚀,开关频繁,要求在高压差情况下,实现双向密封。

     锁渣阀使用位置关键,技术要求高,造价昂贵,颇受业内人士关注。

     2 水煤浆加压气化排渣系统分析

     2.1 工艺流程简介

     水煤浆加压气化工艺排渣系统流程示于图1。气化炉内气化压力通常在2.7MPa~8.5MPa,而渣池通大气,要使炉内的灰渣排到渣池,必须将介质的压力减至常压。当XV09锁渣阀打开、XV10锁渣阀关闭时,锁斗与气化炉处于一个系统,压力相等,此时可以将气化炉内的黑水收集到锁斗;相反,当XV09锁渣阀关闭,而XV10锁渣阀打开时,锁斗与渣池处于同一系统,压力相等,此时可以将锁斗内的黑水排入渣池。

     2.2 锁渣阀使用工况

     2.2.1 阀门所通过的介质

     某操作压力6.5MPa、日投煤量750t的水煤浆气化装置,锁渣阀所通过的夹带灰渣约270℃的黑水:正常排渣时为10578kg/h,最大为13700kg/h,渣水混合,其中渣占50%,渣的粒度一般为:3mm~50mm。黑水介质中含有水、Cl-、H2S、MgO、Fe2O3、SiO2、Al2O3等成分,过程具有化学腐蚀和机械磨蚀。

     2.2.2 开关频率

     排渣周期即阀门开关频率大约为30min一次。

     2.3 阀门使用要求

     2.3.1 要求使用开关球阀,应按非阻塞流开关设计,最小100000次承受压力和温度循环操作。

     2.3.2 阀门要求双向密封,在正向和反向的双向流动方向,在下游压力为大气压下的最大差压时,达ANSIB16.104Classv级密封要求。

     2.3.3 应考虑在介质冲击、腐蚀和磨蚀下,阀内件和流道的材料有最好的可用性。

     2.3.4 阀门设计的超压范围大于其最大工作压力的150%。

     2.3.5 要求快速动作,从“全通→全关”或“全关→全通”的动作时间为3s~8s,并确保阀门动作到位。

     3 进口锁渣阀在国内水煤浆加压气化装置上的应用

     3.1 进口锁渣阀的使用业绩

     由于锁渣阀技术要求高,使用位置关键,锁渣阀本身若出现问题,会引起气化炉停车。我国早期采用水煤浆加压气化技术的单位,大都选用了进口品牌,已经投产的水煤浆加压气化装置上使用的进口锁渣阀情况见表1。

     由表1可知,国内引进的进口锁渣阀品牌主要有4家,即:芬兰Neles、德国Perrin、美国Argus和美国Mogas,其中芬兰Neles锁渣阀业绩最多。

     3.2 进口锁渣阀的使用情况

     3.2.1 Neles锁渣阀

     鲁南化肥厂是我国最早引进Texaco水煤浆加压气化技术的企业,采用的Neles锁渣阀为硬密封气动球阀,在最多动作25000次损坏后,由重庆白市驿锻造阀门研究所进行了维修,修复后的锁渣阀动作次数超过了35000次。

     上海焦化有限公司、兖矿国泰化工有限公司采用的Neles锁渣阀质量较好,没出现大的问题,就是使用时间长,需修复被磨损的密封面。

     由于煤中灰分20%左右,灰熔融性温度高,渣量大,黑水温度高,淮化使用的Neles锁渣阀经常出现因在黑水冲刷下密封面损坏、阀门内漏以及开关故障,导致气化炉单炉停车检修,锁渣阀的平均寿命12000次(1,2)

     Neles给渭化供货的锁渣阀的结构形式为:单阀座、固定球、硬密封气动球阀,而阀座的背压弹簧采用了波纹管。在开车初期,渭化出现的锁渣阀问题较多:多次由于XV09阀内漏,锁斗无法卸压排渣,被迫停车;由于XV10密封不好,导致锁斗充不上压,而不能正常收集炉渣。检查发现,阀门密封面损伤,有划痕,波纹管弹簧损坏逐次严重。分析认为,锁斗充压时,XV09阀承受过大反向压力,导致波纹管弹簧损坏,具体表现为弹簧在过大推力下,发生塑性变形,弹簧弹性力减弱,使得单座调节阀的阀座与球面之间无足够的密封力,最终导致密封面关不严、严重泄漏,密封面损坏。这是由于当时没有细致考虑6.5MPa气化压力下,锁渣阀所处的工艺条件。渭化采取的补救措施是:更换密封垫,在波纹管间隙增设伸缩限位用的卡环,增加压紧弹簧,防止波纹管受到大的推力后发生塑性变形,改变运行方式,减少反向压力。采取以上措施后,运行情况有所好转(3,4)

     Neles供给华鲁恒升化工股份有限公司(简称华鲁恒升)的6.5MPa水煤浆气化装置用锁渣阀,吸取了在渭化的教训,采取了一些新的保证措施,其主要结构特点是:固定球、双阀座;阀杆与阀球一体化设计、加工;硬密封,采用刮削式、面密封阀座结构,阀座采用环形弹簧加载;球体表面、阀座和弹簧表面喷焊(W/Cr)C,阀体和阀球内腔用420不锈钢作内衬。应该说,Neles的这种结构和配置有创新性,在当时属于比较好的结构。2005年9月,气化炉B因XV10锁渣阀问题停炉,经检查发现阀球密封面被冲刷出深40mm、宽50mm的坑,阀座密封面也被冲刷出几处凹陷,表面覆层脱落,弹簧也因变形而失效,弹簧簧丝之间局部有炉渣颗粒,造成阀门严重内漏,导致气化炉无法继续运行。华鲁恒升委托重庆白市驿锻造阀门研究所对该阀进行了修复:阀球焊补,密封面重新喷涂,更换损坏的弹簧,但用了不长时间,密封面覆层仍有局部脱落。后来,几台气化炉的XV09、XV10、XV08锁渣阀陆续出现问题,和上述气化炉B上的XV10阀损坏情况类似,华鲁恒升又委托上海弘盛特种阀门有限公司(简称上海弘盛)进行了维修,经华鲁恒升技术人员与上海弘盛的阀门专家一起探讨,上海弘盛维修时,将密封面喷的碳化钨厚度增加,而背压弹簧,上海弘盛则采用了具有自主知识产权的技术———环形弹簧包覆氟橡胶,累计使用时间明显延长。

     3.2.2 其他品牌进口锁渣阀

     Perrin锁渣阀结构特点为:单阀座、固定球,阀球、阀杆两体式靠四方连接传递动力;硬密封,阀座采用若干个柱形弹簧(成一圈布置)加载;冲洗水设计为选项:Perrin的意见是阀门在每次开关过程中,都进行冲洗,可以达到最优的效果,但这样会使锁渣阀的配管复杂化,浩良河化肥厂、南化公司都选择了这一选项;阀球可设计为V型切口,这样可使球阀在小开度时的物料顺畅地进入下游管道。2007年1月~4月,南化公司陆续发现气化炉A、气化炉B上使用的Per-rin锁渣阀阀杆有裂纹并有部分材料脱落,阀球、阀座局部被冲刷出豁口;2007年5月,南京惠生公司发现气化炉B下锁渣阀出现泄漏,拆检后,确认阀球、阀座硬质合金层脱落。

     Argus锁渣阀结构特点为:固定球、双阀座,阀球、阀杆两体式靠花式销键连接传递动力;硬密封,阀座具有刮刀式边缘结构设计,采用碟形弹簧或柱形弹簧加载;阀体两侧设有吹扫口。金陵石化使用的Ar-gus锁渣阀,出现过硬化层剥落现象。

     Mogas给南化公司提供的锁渣阀为浮动球,阀球与阀杆为两体式,下游阀座固定,上游阀座可移动,密封端为下游阀座,管道内介质的压力(上、下游压差)将球体推向下游阀座,使两者紧密接触,而上游阀座通过碟形弹簧与球体紧密接触。南化公司反映Mogas锁渣阀自投用到2007年7月31日运行基本平稳。其主要缺点是所需工作转矩大(5);浮动球阀的阀球、阀杆连接处,必须设计得有一定间隙,长时间或频繁动作后,存在间隙变大、打滑、滑脱的隐患,到时候可能会使阀球不能开关到位。

     4 锁渣阀的国产化

     4.1 国产化锁渣阀概况

     进口锁渣阀价格昂贵,制造周期长,零配件供应不及时,维修不方便,一旦发生故障,会造成单炉停车,对这种阀门急需国产化。一些采用水煤浆加压气化技术的煤化工企业对此进行了积极的探索,相应地,目前已经有上海弘盛特种阀门有限公司、浙江五洲阀门有限公司、重庆白市驿锻造阀门研究所和浙江超达阀门制造有限公司4个阀门厂家涉足了锁渣阀的国产化工作。

     2002年初,淮化使用重庆白市驿锻造阀门研究所生产的锁渣阀,以替换经常损坏的进口锁渣阀,与进口锁渣阀互为备用,该锁渣阀结构为固定球、硬密封、阀座采用蝶簧压紧,使用效果有所改善,但是仍不能尽如人意。2006年,淮化又从浙江超达阀门制造有限公司定做了2台锁渣阀,其结构为固定球、硬密封、阀座采用一圈柱簧压紧,阀球、阀杆呈两体机械连接,该锁渣阀刚投用时,因局部问题曾造成了单台气化炉系统停车,后又进行了维修、改造。

     2006年5月投产的山西丰喜肥业集团临猗分公司水煤浆气化装置,采用了上海耐莱斯·詹姆斯伯雷和浙江五洲阀门有限公司两家企业的锁渣阀。

     上海弘盛维修华鲁恒升的进口锁渣阀,局部采取了一些新的结构、材料,属于改进式维修,维修后的锁渣阀与原来相比,累计使用时间明显延长。由于修复需要一定周期,而这些阀门出现问题一般又比较集中,为了不影响生产,华鲁恒升又委托上海弘盛制造了3台备用锁渣阀。3台备用锁渣阀已先后投用1年零5个月~7个月,至今一直运行正常。2007年元月,华鲁恒升新投入运行的操作压力6.5MPa、日投煤量1500t的气化炉E全部采用了上海弘盛生产的锁渣阀,至今没出现问题。

     4.2 上海弘盛为华鲁恒升供货的国产化锁渣阀特点

     上海弘盛在对进口锁渣阀改进式维修的基础上,博采了众家之长,局部又有所创新,形成了自己的国产化锁渣阀。其主要特点如下:

     (1)对分式、固定球、金属硬密封。

     (2)双阀座采用阀座阀前密封,两个阀座均能独立切断进口端流体,如此实现双阻断功能。

     (3)阀球、阀杆一体化设计,保证了球体的对中性,避免了频繁开关后的阀球、阀杆脱离。

     (4)独特的阀座弹簧结构:采用高温强度好、高温下耐腐蚀、抗氧化的InconelAlloyX-750合金材料制作成环形弹簧,外包耐高温的氟橡胶(该公司取得的专利号:ZL200420082322.7),既避免了多个柱簧形式的受力变形不均匀现象,又克服了其他弹簧结构不可避免地被进入的灰渣卡死的情况。

     (5)阀座采用金属宽带自刮削式结构,可对阀球表面实现自清洁,防止灰渣堵塞在密封面上。

     (6)在对阀球、阀座等进行硬化处理时,考虑了硬化层既要具有一定硬度和韧性,又能涂敷一定厚度,同时考虑能采用合适的硬化工艺,保证表面覆层与基体材料的结合力等因素,采用了不锈钢表面喷焊镍基合金的方式,使阀门耐磨性、抗冲蚀和抗挤压能力更强。

     (7)配用大刚度、大力矩的执行机构。

     5 结语

     引进国外产品和技术后,在使用中应注意研究其优缺点,在对其维修、改进式维修中消化吸收,是一种切实可行的方式。有关单位采用国产化的锁渣阀,对相应进口产品或代用,或备用,有的国产化锁渣阀使用性能比进口产品还好,有效地保障了水煤浆加压气化装置的稳定运行。

     参考文献:

     (1)王治普。渭河化肥厂煤气化装置的问题与思考(J)。煤化工,1998,26(2):40-43。
     (2)张晓军,刘万胜。6.5MPa德士古气化粗渣系统构成及运行探讨(J)。煤化工,2003,31(4):38-41。
     (3)张旭东,包宗宏。德士古水煤浆气化装置工程设计问题探讨(J)。化学工业与工程技术,2005,26(4):37-41。
     (4)韩承结。德士古气化炉的优劣比较(J)。安徽化工,2007,33(1):45-46。
     (5)杨自军。淮化水煤浆加压气化装置几年来运行总结存在问题及改进(J)。全国造气技术通讯,2004,12(3):4-10。