新型多噴嘴對置式水煤漿氣化技術(shù)是兗礦集團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)的先進技術(shù)，該技術(shù)是世界上最先進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”國家重點科技攻關(guān)項目——“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)計開發(fā)，在兗礦國泰化工有限公司實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)使用，標志著中國的煤氣化技術(shù)進入了國際先進行列。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℃，是一個高溫高壓燃燒罐，是高度危險的裝置，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，必須有相當長的使用周期。由于氣化爐裝置以上特點，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，大量的氧氣進入，為保證正常的燃燒狀態(tài)，確保氣化爐的安全，必須嚴格調(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個功能的要求都很高，所以通常用3個控制閥來完成，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特殊要求：

　　a)高壓差。氧氣切斷閥的關(guān)閉壓差最高，達5.0~7.0MPa，如此高的壓差條件下同時要求其泄漏等級達到Ö級，一般控制閥是很難達到的，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、加工、裝配、試驗、運輸?shù)拳h(huán)節(jié)，都制定嚴格的工藝規(guī)程，確保達到預(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，氧氣閥本身是一個易爆的危險裝置;為確保安全，在選用氧氣閥的公稱壓力時要提高2個壓力等級，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個問題：煤漿在閥門的節(jié)流口達到相當高的流速，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，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)腔近似一個圓筒，通暢無死角，煤灰無法在其中屯積。其閥芯作旋轉(zhuǎn)運動，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，閥芯旋轉(zhuǎn)時容易被擠碎;另外，閥芯關(guān)閉時，當它碰到閥座密封面后，由于結(jié)構(gòu)的原因、閥芯與閥座有一個相對運動，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，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)，防止灰渣進入彈簧后造成彈簧失靈，閥腔有自動卸壓功能，當閥門關(guān)閉后，閥腔內(nèi)壓力高于關(guān)閉壓力時，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構(gòu)，在額定氣源壓力為0.45MPa時，力矩值在30~50kN•m之間;當切斷球閥被某種原因卡死時，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，確保了氣化定時排渣、安全聯(lián)鎖運行。

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，因此使用蝶閥進行流量控制，蝶閥特點是氣動執(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100萬次;閥體、閥板、閥軸同心結(jié)構(gòu)設(shè)計，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，維護簡便易行;無靠背設(shè)計保證了閥門安裝完畢后不增加扭距。蝶板為進口高性能噴涂板，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)后進入下一道工藝，一般加熱到250℃左右，此時煤粉中很多化學(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，它不僅有極強的耐腐蝕性，而且它的機械強度比奧氏體不銹鋼高出一倍以上。

　　根據(jù)這項技術(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，有很強的附著力;當再啟動時，往往閥芯被卡死。為防止卡死，在閥芯的導(dǎo)向段設(shè)計鏟除結(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)行機構(gòu)，其推力遠遠大于普通的氣動薄膜式執(zhí)行機構(gòu);需要時還將幾個活塞式執(zhí)行機構(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強，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，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、建設(shè)中的多噴嘴對置式水煤漿氣化爐共計27臺，另外還有多家公司(包括國外)有采用該技術(shù)的意向，標志著中國已完全具備了與國外氣化技術(shù)競爭的實力，多噴嘴對置式水煤漿氣化技術(shù)具有其獨特優(yōu)勢，市場競爭力強，經(jīng)濟前景非常廣闊。經(jīng)上報的“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”項目獲得2007年度“石油和化工自動化行業(yè)科學(xué)技術(shù)獎”一等獎，這離不開控制閥的選型和應(yīng)用。