气化炉渣水系统用耐磨阀门的问题研究范文

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摘要：介绍了在气化工艺渣水系统工艺管道上所用耐磨阀门的选型情况。针对渣水系统黑灰水介质含高硬度固体颗粒，介质流速快，阀门磨损严重，阀门腐蚀等现象进行分析讨论，对选用阀门的类型进行对比，探讨了气化工艺渣水处理系统工艺管线上耐磨阀门的最佳选型方案。

关键词：气化工艺；渣水系统；黑灰水；耐磨阀门

煤气化工艺技术是煤化工项目中的关键技术，此工艺技术是通过干煤粉或水煤浆在气化炉中和氧气混合燃烧产生合成气，然后将合成气再进行液化得到油品或者LNG等燃料，或者以合成气制取二甲醚、甲醇等化工产品的工艺技术。作为煤化工工艺中的核心装置，煤气化装置具有建设周期长、操作流程复杂、工艺稳定性要求高等特点。目前常用的煤气化工艺装置一般由：磨煤系统、气化系统、净化系统、渣水处理系统等组成。

1渣水处理系统特点介绍

渣水处理系统在煤气化工艺中的作用十分重要，是气化装置中的关键系统之一。渣水处理系统主要由黑水处理和灰水处理两部分组成。所谓黑水是从气化炉、水洗塔、渣池排除的冲洗水，灰水是黑水经闪蒸、过滤、澄清后形成的水，大部分灰水经脱氧处理后循环使用。总的来说，渣水处理系统由两个方面的作用：（1）对来自渣池中的黑水进行液固分离。（2）回收工艺过程中释放的热量，节约系统的能耗。黑水介质中的固体含量大且硬度比较高（一般在1000ppm以上），当黑水介质中固体悬浮物的浓度很高时，固体悬浮物会诱发黑水中的碳酸钙等结晶，从而堵塞管道及阀门的通道。灰水介质中氯的含量比较高（一般在500ppm以上），氯对管道材料会有严重的腐蚀作用。另外，灰水处理系统经过多级减压，当减压阀后的压力降低到流体的饱和蒸汽压以下时，将会形成严重的汽蚀作用，对阀门和管道材料产生破坏作用。

2耐磨球阀用于渣水处理系统中出现的问题

渣水系统的工况特点为温度高、压差高、流速高等严苛工况，且介质在逐级减压时容易发生闪蒸，所以系统中所使用的装置失效的风险很大。目前，煤化工系统气化和渣水处理装置的耐磨球阀在使用过程中经常出现严重的密封件磨损，阀体及阀座流道冲蚀、气蚀和阀门卡塞等故障；耐磨球阀的阀体经常出现明显的局部减薄和穿孔泄漏等现象，不仅影响企业正常的生产，而且还严重威胁着现场的安全，已成为制约煤气化装置稳定运行的障碍。耐磨球阀在渣水处理系统主要会出现以下问题：（1）耐磨球阀阀体局部减薄并穿孔泄漏。（2）耐磨球阀球体及通道表面结渣，阀座卡死。（3）耐磨球阀球体及阀座冲蚀。

3耐磨球阀用于渣水处理系统中发生的问题分析

（1）问题一出现的原因主要是由于耐磨球阀在渣水系统中运行时球体没有完全打开，导致介质高速通过球体和阀座之间的缝隙，对阀体固定的区域进行连续不间断的冲刷，导致阀体局部减薄并最终导致阀体穿孔泄漏。为了更加直观的深入的了解此问题产生的原因，我们对其进行了工况模拟分析，分析的产品对象为DN200压力等级900LB固定耐磨球阀。首先我们采用SOLIDWORKS三维软件对耐磨球阀进行实体建模，然后采用流体分析软件CF-Design进行流体状态分析。内部介质设定为层流和紊流模型，状态为不可压缩，定常流，忽略介质重力影响，忽略流道表面粗糙度的影响。网格划分由CF-Design网格生成器自动生成，局部细小区域网格细化处理。进口介质压力设定为6.1MPa,出口介质压力设定为0.8MPa，介质设定为黑水。阀门开度为45度半开位置。依照分析软件显示的流速云图，介质通过球体通道直接冲击到阀体流道内表面。阀体区部区域被快速的含高硬度颗粒的黑水持续不断的冲刷，阀体很容易被介质冲刷减薄穿透。结合以往实际项目操作经验差不多2个月就可以将阀体击穿。

（2）问题二出现的原因主要是由于渣水系统中含有大量的高温灰渣，这些高温灰渣随着冷却水从渣水池中输送到渣水过滤装置，进行水固分离。在这个输送过程中，高温灰渣撞击到阀门流道及球体表面，随着高温灰渣的温度逐渐冷却，最终附着在阀门流道及球体表面上，形成高硬度的渣块。目前耐磨球阀上默认将阀座边缘设计成刮刀形状结构，以便在耐磨球阀开启及关闭过程中可以将球体表面的渣块铲除掉。这种结构在耐磨球阀使用初期效果比较明显。但是随着耐磨球阀使用时间的增加，球体表面结渣越来越厚，刮刀的边缘磨损越来越严重，其铲除渣块的效果也会逐渐下降。导致阀门扭矩增加。其次目前耐磨球阀的一般为硬密封固定球阀。它的启闭件是由一个表面硬化处理的球体及两个硬密封的阀座组成。球体中间有一个与管道通径相等的流道，两侧是两个可以沿着通道方向来回移动的阀座。球体开启或关闭时围绕着支承轴的轴线进行旋转，阀座是浮动的，阀座背部有一组弹簧。阀门的初始密封为弹簧力推动阀座，使阀座和球体紧密贴合。阀门关闭后，介质力也推着阀座背面向球体表面靠近，使阀座密封面紧紧的贴在球体表面上，两者产生另一个接触应力，弹簧力和介质力产生的密封应力共同作用在密封面上，使得阀门获得可靠的密封。从耐磨球阀的密封原理可以看出，如果阀门要保证密封，阀座需要始终可以活动。如果阀门流道结渣比较严重，使阀座和阀体结合成一体。如果阀座无法移动，阀座就无法紧密贴合球体表面，导致阀门密封面由于密封比压不足而产生泄漏。

（3）问题三出现的原因主要是由于耐磨球阀在渣水系统中运行时球体在开启及关闭瞬间，耐磨球阀进出口压差较大，球体边缘与阀座边缘之间流通的空间较小，导致介质在高压差下高速通过球体和阀座之间的缝隙，对球体边缘及阀座边缘进行剧烈的冲刷，而球体边缘及阀座边缘由于固有的结构特点，一般此处设计的比较薄从而导致球体边缘及阀座边缘很快的被介质冲蚀。

4V型球阀用于渣水处理系统优缺点分析

4.1阀体穿孔问题

V型球阀属于单阀座阀门结构，管道上游介质直接和阀体中腔连通，故而阀门在输送介质时，介质中的固体颗粒不会对阀体中腔进行直接冲刷。球体的流道为V型，球体半开时介质会直接进入下游管道，不会对阀门流道的内表面产生冲击，避免了阀体局部区域由于介质冲刷而出现的穿孔问题。.

2阀座结渣问题

V型球阀阀座是焊接在阀体上的，所以通道结渣不会对阀座产生影响。球体为偏心结构，阀门的关闭时，球体密封面依靠偏心产生的挤压力贴紧阀座密封面，从而达到紧密密封。阀门开启和关闭过程中，球体表面和阀座始终不接触，所以避免了密封面划伤的风险，阀门扭矩也比较小。

4.3球体冲蚀问题

V型球阀的球体为V型口，球体流道边缘比较厚，故而球体可以很好的承受介质的冲刷。而且球体可以对介质进行流量调节，满足装置不同流量的需求。

4.4V型球阀的不足之处

V型球阀的球体流道为V型，相对于普通耐磨球阀的O型流道，其流阻系数较大，流通能力相对较弱。阀座为单阀座，阀门仅有一个密封面。如果密封面损坏，将没有其它的密封面隔离介质,介质会直接进入下游管道。

5结束语

综上所述，两种阀门结构方案各有优缺点，从方案对比及实际应用得出：在流量满足装置工况使用要求的情况下，最佳方案的选择是选用V型球阀。既可以对介质流量进行调节，又不会对阀体流道和球体边缘产生冲蚀。在装置对阀门流通能力有要求的情况下，可以选择普通耐磨球阀。但是阀门不可以长期处在半开启状态，阀门的开关操作也不能过于频繁。以免对阀门产生冲蚀现象。

参考文献

[1]施永生,傅中建.煤加压气化废水处理[M].北京:化学工业出版社环境科学与工程出版中心,2001.

[2]付长亮,张爱民.现代煤化工技术[M].北京:化学工业出版社,2011.

[3]成大先.机械设计手册[M].北京:化学工业出版社,1998.

作者:柳成安 单位:圣博莱阀门有限公司