氣化爐渣水系統用耐磨閥門的問題研究范文

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摘要：介紹了在氣化工藝渣水系統工藝管道上所用耐磨閥門的選型情況。針對渣水系統黑灰水介質含高硬度固體顆粒，介質流速快，閥門磨損嚴重，閥門腐蝕等現象進行分析討論，對選用閥門的類型進行對比，探討了氣化工藝渣水處理系統工藝管線上耐磨閥門的最佳選型方案。

關鍵詞：氣化工藝；渣水系統；黑灰水；耐磨閥門

煤氣化工藝技術是煤化工項目中的關鍵技術，此工藝技術是通過干煤粉或水煤漿在氣化爐中和氧氣混合燃燒產生合成氣，然后將合成氣再進行液化得到油品或者LNG等燃料，或者以合成氣制取二甲醚、甲醇等化工產品的工藝技術。作為煤化工工藝中的核心裝置，煤氣化裝置具有建設周期長、操作流程復雜、工藝穩定性要求高等特點。目前常用的煤氣化工藝裝置一般由：磨煤系統、氣化系統、凈化系統、渣水處理系統等組成。

1渣水處理系統特點介紹

渣水處理系統在煤氣化工藝中的作用十分重要，是氣化裝置中的關鍵系統之一。渣水處理系統主要由黑水處理和灰水處理兩部分組成。所謂黑水是從氣化爐、水洗塔、渣池排除的沖洗水，灰水是黑水經閃蒸、過濾、澄清后形成的水，大部分灰水經脫氧處理后循環使用。總的來說，渣水處理系統由兩個方面的作用：（1）對來自渣池中的黑水進行液固分離。（2）回收工藝過程中釋放的熱量，節約系統的能耗。黑水介質中的固體含量大且硬度比較高（一般在1000ppm以上），當黑水介質中固體懸浮物的濃度很高時，固體懸浮物會誘發黑水中的碳酸鈣等結晶，從而堵塞管道及閥門的通道。灰水介質中氯的含量比較高（一般在500ppm以上），氯對管道材料會有嚴重的腐蝕作用。另外，灰水處理系統經過多級減壓，當減壓閥后的壓力降低到流體的飽和蒸汽壓以下時，將會形成嚴重的汽蝕作用，對閥門和管道材料產生破壞作用。

2耐磨球閥用于渣水處理系統中出現的問題

渣水系統的工況特點為溫度高、壓差高、流速高等嚴苛工況，且介質在逐級減壓時容易發生閃蒸，所以系統中所使用的裝置失效的風險很大。目前，煤化工系統氣化和渣水處理裝置的耐磨球閥在使用過程中經常出現嚴重的密封件磨損，閥體及閥座流道沖蝕、氣蝕和閥門卡塞等故障；耐磨球閥的閥體經常出現明顯的局部減薄和穿孔泄漏等現象，不僅影響企業正常的生產，而且還嚴重威脅著現場的安全，已成為制約煤氣化裝置穩定運行的障礙。耐磨球閥在渣水處理系統主要會出現以下問題：（1）耐磨球閥閥體局部減薄并穿孔泄漏。（2）耐磨球閥球體及通道表面結渣，閥座卡死。（3）耐磨球閥球體及閥座沖蝕。

3耐磨球閥用于渣水處理系統中發生的問題分析

（1）問題一出現的原因主要是由于耐磨球閥在渣水系統中運行時球體沒有完全打開，導致介質高速通過球體和閥座之間的縫隙，對閥體固定的區域進行連續不間斷的沖刷，導致閥體局部減薄并最終導致閥體穿孔泄漏。為了更加直觀的深入的了解此問題產生的原因，我們對其進行了工況模擬分析，分析的產品對象為DN200壓力等級900LB固定耐磨球閥。首先我們采用SOLIDWORKS三維軟件對耐磨球閥進行實體建模，然后采用流體分析軟件CF-Design進行流體狀態分析。內部介質設定為層流和紊流模型，狀態為不可壓縮，定常流，忽略介質重力影響，忽略流道表面粗糙度的影響。網格劃分由CF-Design網格生成器自動生成，局部細小區域網格細化處理。進口介質壓力設定為6.1MPa,出口介質壓力設定為0.8MPa，介質設定為黑水。閥門開度為45度半開位置。依照分析軟件顯示的流速云圖，介質通過球體通道直接沖擊到閥體流道內表面。閥體區部區域被快速的含高硬度顆粒的黑水持續不斷的沖刷，閥體很容易被介質沖刷減薄穿透。結合以往實際項目操作經驗差不多2個月就可以將閥體擊穿。

（2）問題二出現的原因主要是由于渣水系統中含有大量的高溫灰渣，這些高溫灰渣隨著冷卻水從渣水池中輸送到渣水過濾裝置，進行水固分離。在這個輸送過程中，高溫灰渣撞擊到閥門流道及球體表面，隨著高溫灰渣的溫度逐漸冷卻，最終附著在閥門流道及球體表面上，形成高硬度的渣塊。目前耐磨球閥上默認將閥座邊緣設計成刮刀形狀結構，以便在耐磨球閥開啟及關閉過程中可以將球體表面的渣塊鏟除掉。這種結構在耐磨球閥使用初期效果比較明顯。但是隨著耐磨球閥使用時間的增加，球體表面結渣越來越厚，刮刀的邊緣磨損越來越嚴重，其鏟除渣塊的效果也會逐漸下降。導致閥門扭矩增加。其次目前耐磨球閥的一般為硬密封固定球閥。它的啟閉件是由一個表面硬化處理的球體及兩個硬密封的閥座組成。球體中間有一個與管道通徑相等的流道，兩側是兩個可以沿著通道方向來回移動的閥座。球體開啟或關閉時圍繞著支承軸的軸線進行旋轉，閥座是浮動的，閥座背部有一組彈簧。閥門的初始密封為彈簧力推動閥座，使閥座和球體緊密貼合。閥門關閉后，介質力也推著閥座背面向球體表面靠近，使閥座密封面緊緊的貼在球體表面上，兩者產生另一個接觸應力，彈簧力和介質力產生的密封應力共同作用在密封面上，使得閥門獲得可靠的密封。從耐磨球閥的密封原理可以看出，如果閥門要保證密封，閥座需要始終可以活動。如果閥門流道結渣比較嚴重，使閥座和閥體結合成一體。如果閥座無法移動，閥座就無法緊密貼合球體表面，導致閥門密封面由于密封比壓不足而產生泄漏。

（3）問題三出現的原因主要是由于耐磨球閥在渣水系統中運行時球體在開啟及關閉瞬間，耐磨球閥進出口壓差較大，球體邊緣與閥座邊緣之間流通的空間較小，導致介質在高壓差下高速通過球體和閥座之間的縫隙，對球體邊緣及閥座邊緣進行劇烈的沖刷，而球體邊緣及閥座邊緣由于固有的結構特點，一般此處設計的比較薄從而導致球體邊緣及閥座邊緣很快的被介質沖蝕。

4V型球閥用于渣水處理系統優缺點分析

4.1閥體穿孔問題

V型球閥屬于單閥座閥門結構，管道上游介質直接和閥體中腔連通，故而閥門在輸送介質時，介質中的固體顆粒不會對閥體中腔進行直接沖刷。球體的流道為V型，球體半開時介質會直接進入下游管道，不會對閥門流道的內表面產生沖擊，避免了閥體局部區域由于介質沖刷而出現的穿孔問題。.

2閥座結渣問題

V型球閥閥座是焊接在閥體上的，所以通道結渣不會對閥座產生影響。球體為偏心結構，閥門的關閉時，球體密封面依靠偏心產生的擠壓力貼緊閥座密封面，從而達到緊密密封。閥門開啟和關閉過程中，球體表面和閥座始終不接觸，所以避免了密封面劃傷的風險，閥門扭矩也比較小。

4.3球體沖蝕問題

V型球閥的球體為V型口，球體流道邊緣比較厚，故而球體可以很好的承受介質的沖刷。而且球體可以對介質進行流量調節，滿足裝置不同流量的需求。

4.4V型球閥的不足之處

V型球閥的球體流道為V型，相對于普通耐磨球閥的O型流道，其流阻系數較大，流通能力相對較弱。閥座為單閥座，閥門僅有一個密封面。如果密封面損壞，將沒有其它的密封面隔離介質,介質會直接進入下游管道。

5結束語

綜上所述，兩種閥門結構方案各有優缺點，從方案對比及實際應用得出：在流量滿足裝置工況使用要求的情況下，最佳方案的選擇是選用V型球閥。既可以對介質流量進行調節，又不會對閥體流道和球體邊緣產生沖蝕。在裝置對閥門流通能力有要求的情況下，可以選擇普通耐磨球閥。但是閥門不可以長期處在半開啟狀態，閥門的開關操作也不能過于頻繁。以免對閥門產生沖蝕現象。

參考文獻

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[2]付長亮,張愛民.現代煤化工技術[M].北京:化學工業出版社,2011.

[3]成大先.機械設計手冊[M].北京:化學工業出版社,1998.

作者:柳成安 單位:圣博萊閥門有限公司