煤气化装置仪表选型分析

摘要：煤气化技术的成熟应用和功能的正常发挥都离不开使用恰当类型的装置仪表。文章在介绍煤气化技术的基础上，针对氧气阀门、锁渣阀、合成气放空阀、黑水阀门以及测量煤浆流量的仪表等装置仪表的选型展开了具体的技术分析。

关键词：煤气化装置；仪表选型；煤气化技术；氧气阀门；锁渣阀；合成气放空阀 文献标识码：A

中图分类号：TQ54 文章编号：1009-2374（2016）10-0060-02 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2016.10.029

1 煤气化技术简介

该技术的应用原理是把预先经过处理的煤放进气化炉等反应容器中，在适当的温度以及压力环境下经空气或者氧气等氧化剂的作用，借助于移动床、携带床、硫化床等专业器具的流动方式，经过一系列的化学反应后生成一氧化碳等目标气体，从而制得初步的水煤气产品，然后以脱硫和脱碳等精处理手段进一步获得相对更加纯净的一氧化碳精制气体产品。气化反应是在高温高压条件下完成的，反应生成物中没有焦油、酚水和萘等，碳元素的转化率极高，具有绿色环保的优点，成为工业生产中主流的生产方式。本文以该种气化技术为例分析煤气化装置仪表的选型问题，该技术的工业生产流程如图1所示：

图1 煤气化生产工艺流程

经过高压处理从空分工段输送进来的氧气与制备煤浆工段制成的水煤浆在流通调节阀与流通切断阀的控制下，以特定比例经烧嘴进入到发生反应的气化炉设备内，把炉内的反应条件调控在气压6.5MPa、温度1300℃，经过一定时间的充分反应后获得一氧化碳、氢气、二氧化碳和少量的甲烷、硫化氢以及微量的氨气、甲酸等相互掺杂的混合气体。粗制的混合气体经过分离器、洗涤塔的逐步净化作用后，即进入到后续的脱硫脱碳工段。留存于气化炉内的液态和固态相混合的煤渣经过破渣机反复破碎，再由锁斗重复性加压、泄压后，促使气化炉内煤渣循环排出，同时渣池上部相对澄清的黑水也进入后续的渣水处理单元。

2 仪表的选型

2.1 氧气阀门

氧气阀门是针对氧气输送管网所设计的专用特殊阀

门，根据功能和作用不同可分为调节阀、切断阀和放空阀。

经过压缩处理的氧气在输送时如若遇到铁屑、油脂或者小粒型的燃烧物（有机纤维、煤粉或者碳粒）等异物存在时，其随气流运动的过程中与阀体或者管壁发生碰撞、摩擦即会产生一定的热量，当热量积聚到一定程度就会导致阀门或者管道发生燃烧甚至爆炸。

按照行业相关规范规定，选择氧气的介质材料要把单位体积内的氧气含量、压力、介质材料的冲击流速以及反应环境的温度等综合起来考虑。按照应用场合以及生产工况不同，介质流速分成冲击型和非冲击型。当介质流速属于非冲击型时，并且温度低于某种材料具体的适用温度时，如果实际流速位于非冲击允许流速的曲线范围内，则相应的材料具有良好的可选择性；同样的，当介质流速属于冲击型时，并且温度低于某种材料具体的适用温度时，如果实际流速位于冲击允许流速的曲线范围内，该材料也具有良好的可选择性。

仪表阀门的主要属性是节流件，因此把阀门部位的流速全部定义成冲击流速。以设计温度为150℃的碳钢为例，其冲击允许流速曲线的外包范围限值为30m/s，当被施加的压力值处于0.3～1.5MPa的绝压区间时，如果实际流速不大于30m/s就能把碳钢当作对应的氧气介质材料。如果实际流速超出了冲击允许流速曲线的界限，就要考虑使用恰当的豁免材料加以调控。

案例分析：某煤气化生产工艺包中选用的调节氧气阀，特定体积内氧气含量占比为99%，调控压力达到了8.7MPa，氧气输送管道中氧气实际流速为6.3m/s，氧气温度为30℃。在可供选择的各种类型材料中镍合金最为适宜，优先考虑阀座和阀芯的控制条件，选用MONEL K-500规格的镍合金材料并辅助以必要的硬化处理，阀杆选择具有更高强度的INCONEL X-750规格的镍合金材质，阀门主体选用MONEL K-500规格的镍合金材料，氧气调节阀最好选用锻造的阀体、阀座、阀芯和阀杆。这里需要加以强调的是选用MONEL类型的镍合金材料时，因材质内部含有一定量的铜元素，阀门在长期使用时会出现颜色变红或者加深变黑的情况，这是由于铜被氧化所致。

从气化炉回火与防火需求出发，填料材质的选取以安全型的石墨为宜。切断阀门的密封等级应当满足于双向型的五级密封，调节阀门按照实际工况需求控制在四级即可满足要求。阀门口径选择必须以流经阀体的气体流速为主要控制内容进行详细计算和恰当选择。氧气放空阀必须考虑降噪措施，降噪板的材质必须和阀门的材质保持一致。阀门的选型必须考虑防静电措施，重视氧气在阀腔中的流速，阀门的硬化处理。不论是何种类型的氧气阀门均须经过脱脂、脱油以及脱水处理，西方技术标准中的油脂控制标准为：当压力为3000KPa时，最大含量不得超过500mg/m2。为达到更好的使用效果，必须对阀门预先实施防火和钝化处理，确保其内部没有毛刺和凹凸、内壁光滑，选型时优先选用启闭过程中没有锋利切面、流道简化的阀型。

2.2 锁渣阀

该种阀门主要包括锁斗的入口及出口阀门、排渣阀门等。锁斗部位的工序主要有减压和泄压、渣体排出、加压以及渣体收集等环节，锁斗控制功能主要通过锁渣阀实现，所以锁渣阀质量优劣直接关乎锁斗运作的正常与否。锁渣阀介质以黑水为主，间或会有灰水掺杂其中，其口径最大可达400mm，内部压力等级相当高，为使气化炉的内部反应压力处于相对稳定的状态，就要对锁渣阀实施双向封闭的严格处理。由此出发可以优先考虑使用固定式的全通径球阀，在保障双向密封性能良好的前提下也能符合介质流体流通的需求。固定式全通径球阀采用专用的储气罐和双作用型的气缸，全面保障了结构运作的可靠性。阀体可以选择双相不锈钢锻造阀体，阀座和阀芯可以选择F316并加以硬化处理，由于介质内含有硫元素，阀门材质的选择应该兼顾对该问题的考虑。锁斗顺控要求阀门实际动作的执行时间必须符合一定要求，该动作时间因工艺包类型的不同而呈现一定的差异性，但通常不超过8s。

2.3 合成气放空阀

合成气放空阀位于洗涤塔顶部的管线出口和火炬之间，当系统处于开车工况时采用的调节形式为分程式调节；当流量偏小时则换做小阀调节的形式；当下游发生故障而出现拥堵或者气化炉存在憋压等不良状况时，须换成双阀调节的形式以保证管网压力平稳。

合成气放空阀的介质是经气化炉反应后生成的粗制煤气在经过分离器、洗涤塔净化以后的混合气体，其具体的操作温度为240℃，压力约为6.4MPa，最大压降可达6MPa，经理论计算，阀门极易出现气流受阻塞的工况。为应对这种情况考虑使用Globe阀门，同样对阀座和阀芯实施硬化加固处理，填料材质选用石墨，阀门盖选择散热型。考虑较大压差的存在，阀门芯选择平衡套筒的形式，这样一来就可以把阀门的执行结构大小适当减小，减少阀门的投资。由于粗煤气中含有煤灰必须注意套筒流道开孔不能过小，导致堵塞。另外，迷宫形式的阀芯对于降低闪蒸危害作用十分良好，并且阀门的有效使用寿命也能被显著延长，还附带有优良的降噪功能。如果选用阀门不具备降噪功能，则需在阀门后端增设降噪装置。

2.4 黑水阀门

黑水指的是介质成分内煤渣等细颗粒型的悬浮物占比很高，同时含有大量酸性气体的水；经过沉降后颗粒悬浮物质显著减少，则介质种类可划归成灰水。不论是阀门还是节流的装置受黑水的冲击腐蚀作用十分严重，并且也容易造成阀门和管道的堵塞，其成分中的酸性气体也具有较强的腐蚀作用。

从图1中可以看出，煤气化生产流程中黑水阀门的集中部位是气化炉黑水的出口、分离器、洗涤塔黑水出口管线以及渣池处理环节。高流速、高压差气流介质会对阀门产生长期持久的磨蚀，还会伴随有空化、闪蒸以及阻流的情况。比如在渣水处理环节，气化炉中流出的黑水进入闪蒸高压罐以前，由于压力从6.58MPa骤降至1.8MPa，闪蒸状况的出现是必然的。常规形式的单座阀门相应的流道比较复杂，杂质容易在内部囤积，黑水长期流经会导致内部构件脱落或者损坏，也极易引发阀门卡死等故障。此外，出于抗闪蒸和空化作用的考虑，加之黑水的腐蚀性和易堵性，单座阀门在选用时会尽量避免使用多级降压或者迷宫笼式的阀芯，最适宜的应该是角阀，阀芯、阀座和阀门整个出口流道整体做碳化钨硬化处理，将阀门出口设计成喇叭口式的扩型管，对该工况具有良好的适用性。

2.5 测量煤浆流量的仪表

煤浆具有流动性，其伴随的就有冲击腐蚀性和易沉淀性，所以对煤浆流量进行测量就不能使用涡街、孔板等节流原件，通常所用的测量手法是借助于电磁式流量计对煤浆实施瞬时流量的量测，通过煤浆送料泵的实际运转速率计算对应的煤浆流量。

水煤浆工况的特点是压力大（最高可达10MPa）、流速小、浓度大、掺杂有金属颗粒、磨蚀性、导电率高等，所以即使使用电磁式的流量计，其要求相较于通常使用的电磁流量计而言也相对比较高。首先，流量计必须有良好的高压耐受性，能经受长期持续的流体挤压及冲刷作用，与PFA材质相比，ETFE具有更好的耐磨性和抗压性，是该工况下的理想型素材；其次，电极材料选用哈氏合金外衬陶瓷为宜；最后，需要着重强调的是超高压力条件下的工况要求，这是由于能够生产用于超高压环境下的电磁式流量计只有很少一部分厂商有生产能力。电磁式的流量计在安装时可以是水平式的，也可以是垂直式的，无论哪种形式，统一的控制标准都是管道内必须保证被介质填充满。

参考文献

[1] 曲鸿文.在线分析仪表在煤气化装置中的应用及其预处理系统的改造[J].化工自动化及仪表，2013，（6）.

[2] 黄俊华.浅析煤气化装置仪表选型[J].仪器仪表用户，2015，22（2）.

[3] 陆德民，张振基，黄步余.石油化工自动控制手册[M]. 北京：化学工业出版社，2000.