粉煤气化粉煤输送单元阀门应用及改进

Noy, 201 1现代化工第3l卷第ll期68·Modem Chemical Industry2011年l月粉煤气化粉煤输送单元阀门应用及改进路文学1,龚欣,刘珂2(1.华东理工大学资源与环境学院,上海2002372.水煤浆气化及煤化工国家工程研究中心,山东滕州27527)摘要:针对粉煤气化粉煤输送单元阀门经常出现内漏和卡涩的现象,分析了阀门发生故障的原因和机理提出一些特种阀门的结构形式并加以应用。中试装置3年的运行情况表明,通过对球阀的改造和采用新型结构阀门,有效地降低了故障发生的频率,保证了粉煤气化粉煤输送单元的长周期运行。关键词:硬密封球阀;文丘里角阀;盘阀;内漏中图分类号:TF214文獻标识码:A文章编号:0253-4320(2011)11-0068-05Application and modification of pulverized coal transportation elementin pulverized coal gasification unitLU Wen-xue. GoNG Xin. LIU Ke(1. School of Resources and Environmental Engineering, East China University of Science and TechnologyShanghai 200237, China; 2. National Engineering Research Center for Coal Slurry Gasification and Coal Chemicals277527, China)Abstract: According to frequent phenomena of intermal leakage and jamming in valves of conveying unit ofpulverized coal gasification system, some special structure forms of valves are proposed and applied through analyzingcauses and mechanism of valves faults. Experimental results show that the faults are effectively reduced by remolding ballvalve and adopting new valve structure, which ensures a long period running of conveying unit of pulverized coalgasification systemKey words: hard sealing ball valve; venturi angle valve; poppet valve; intemal leakage兖矿集团、华东理工大学、中国天辰工程公司共关,分析了阀门发生故障的原因和机理联合有关厂同承担国家高技术研究发展计划(“863”计划)项目家试制出一些特殊结构的阀门,在水煤浆气化及煤(208AA050301)“高灰熔点煤加压气流床气化”,化工国家工程研究中心中试装置上进行应用。实验以兖矿开阳化工有限公司年产50万t合成氨项目表明,通过对球阀的改造和采用新型结构的阀门,有为依托,在贵州开阳建设日处理煤1000t级粉煤加效地降低了故障发生的频率保证了粉煤气化煤粉压气化示范装置,实施高灰熔点煤的气流床粉煤加输送单元的长周期运行压气化技术工业化示范。“高灰熔点煤加压气流床气化”项目包括实验室研究、中试研究和工业化示1粉煤气化煤粉输送单元简介范3部分内容。其中,中试研究建设了1套日处理煤粉输送是将煤粉由常压煤粉储仓经粉煤锁斗30t煤水冷壁粉煤加压气化装置,进行气化炉开发输送至粉煤发料罐的过程,一般采用煤粉锁斗变压实验,完成了北宿煤、鲍店煤、南屯煤和贵州田坝煤(0~46MPa)操作形式,将粉煤分批次地从常压粉4个煤种和1个混配煤种的试烧任务,完成了工业煤仓送至恒压(4.6MPa)粉煤发料罐中。规模大管径煤粉输送实验工作。工业示范装置包括1.1中试装置煤粉输送粉煤制备、粉煤供料与输送、气化框架和渣水处理4在中试装置(图1)中,煤粉锁斗采用单系列,即个工段。1个煤粉储料罐、1个煤粉锁斗、1个煤粉发料罐,设针对粉煤气化粉煤输送单元经常出现故障,兖备间通过阀门进行控制,图1为煤粉输送单元集散矿集团、华东理工大学、中国天辰工程公司联合攻控制系统(DCS)控制画面。收稿日期:2011-05-25基金项目:国家“863”计划项目(2008A050301);兖矿集团2008年科技研发项目(08-27教授博士生导师主要从事气流床煤气化过程与技术研究开发,通讯联系人,m1-6231,m如g令(199-,女,作者简介路文学(1974-)男博士生高级工程师从事煤气化及煤化工开发工作,0632-2362727,luwenrue@sin_.com;龚2!年l1月路文学等:粉煤气化粉煤输送单元阀门应用及改进69式图1中试装置煤粉程控示意图1.2工业示范装置煤粉输送工业示范装置煤粉输送系统包含2套锁斗系煤粉输送单元示意图见图2。统,由1套顺控逻辑自动控制系统控制,2套锁斗交替运行,每个锁斗的循环周期约30min。单个锁斗的运行过程共分5步,下面以A系列锁斗运行举例说明第1步:锁斗受料。按程序打开粉煤锁斗受料阀1,锁斗开始受料,待锁斗料位达到高料位要求时,关闭锁斗受料阀1,粉煤锁斗受料完毕。第2步:充压。打开锁斗充压阀8对锁斗进行充压,待锁斗压力达到要求后,关闭锁斗充压阀8锁斗充压结束。1、2,3,4-煤粉切断阀;5,6—平衡阀:7一锁斗压力调节阀第3步:锁斗等待。将锁斗压力调节阀7投入8一锁斗冲压/放空阀;9—发料罐放空阀;10—煤锁斗A;自动调节,保持罐压等待下料11—煤锁斗B;12一发料罐第4步:锁斗下料。打开粉煤锁斗下料阀3、平图2煤粉输送单元示意图衡阀5开始下料,待锁斗料位开关低报警时,关闭(上接第67页)4】吕术森陈雪莉,于广锁,应用电导探针测定鼓泡塔内气泡参数[8 Son S M. Kang S H, Kim U Y, et al. Bubble properties in threeJ].化学反应工程与1艺,2003,19(4):344-351phase inverse fluidizes beds with viscous liquid medium J.Chem15」王丽雅,庄华洁,宋景祯,等高气速下鼓泡塔内气含率分布的Eng and Proc,2007,46(8):736-741测定[J.化学反应程与[艺,2006,2(1):1-6.[9 Van Der Welle R. Void fraction, bubble velocity and bubble size in[6 Rampure M R, Kulkarni AA, Ranade VV Hydrodynamies of bub-two-phase now[ J. Int J Multiphase Flow, 1985. 11(3): 317ble column reactors at high gas velocity: Experiments and computational fluid dynamics(CFD)simulations[J. Ind Eng Chem Res10张炎,黄为民气泡大小对反应器内氧传递系数的影响J].应2007,46(25):8431-8447用化12005,12(12):734-740[7] Kang Y, Cho Y J, Woo K J, et al. Bubble properties and pressure]冯诺,李化茂声化学及其应用[M],合肥:安徽科学技术出版fluctuations in pressurized bubble columns[ J. Chem Eng Sci社,1992.■70现代化工第31卷第ll期锁斗下料阀3、平衡阀5,锁斗下料结束。阀座采用刮刀设计。填料材质为柔性石墨。阀门泄第5步:锁斗泻压。打开锁斗放空阀8,将锁斗漏等级为 ANSI B16.104Cas,阀门耐压分级泻压至常压,锁斗泻压结束5.0MPa。至此A锁斗完成了1个循环周期。2.3粉煤锁斗和发料罐压力放空调节阀2阀门操作条件及选型2.3.1操作条件操作介质为氮气夹带少量煤粉,正常工况为2.1粉煤切断阀0.1kg(煤粉)/m3(放空气),介质流速较高(最高时2.1.1操作条件为超音速),煤粉的粒度为90%小于60μm,100%操作介质为煤粉和氮气,介质质量浓度为小于90μm。200~600kg/m3,煤粉的粒度为90%小于60μm,操作温度60~100℃,操作压力40~50MPa,100%小于90μm阀门的最大承压5.0MPa,正常运行时阀门前后差操作温度60~100℃,操作压力0.05~5.0压为4.0~5.0MPa。MPa,阀门的最大承压50MPa,开启和关闭时差压2.3.2阀门的选型为0.3MPa左右,正常运行时开关频率为40次/d该部分阀门的操作条件特殊,即气体夹带少量2.1.2阀门的选型煤粉高速流过阀门,对阀门的磨损较为严重,在粉煤针对该部分阀门的操作条件,考虑到煤粉的黏气化中试装置中采用的是金属硬密封的单座调附和磨蚀特性,粉煤气化中试装置设计中采用的是节阀。金属硬密封球阀阀体形式为单座,阀门采用防火防静电处理。阀体形式为球阀(固定球)。阀体材质为碳钢,阀座形式为金属硬密封。阀体材质为 ASTM A216阀体与介质接触部分覆盖焊 Duplex SS SAF-2205WCB。阀芯材质为 ASTM A182316/司太莱合金。机械加工后双相钢厚度≥3mm。阀球材质为Du填料材质为PIFE。阀座材质为 ASTM A182316/司pleκ X SS SAF-205,堆焊司太莱合金SF-20,机械加太莱合金。阀门泄漏等级为 ANSI B16.104工后司太莱合金涂层厚度≥0.6mm。阀座材质为ⅣDuplex SS SAF-2205,阀门采用防火防静电处理,阀座采用刮刀设计。填料材质为柔性石墨。阀门泄漏3阀门故障及原因分析等级为 ANSI B16.104ClasⅥ,阀门耐压50MPa。3.1常见问题2.2粉煤锁斗放空气及平衡气管线上的阀门作为消耗品的特种阀,由于价格、性能、服务和2.2.1操作条件供货周期等方面的原因,产品需要实现国产化1!。操作介质为放空氮气夹带少量煤粉,正常工况目前国产的金属硬密封锁渣阀已成功应用在水煤浆为0.1kg(煤粉)/m3(放空氮气),介质流速较高(最气化装置的渣水锁斗上,并已逐步取代了进口阀门。高时为超音速)。但从粉煤气化装置的运行情况来看,国产阀门使用操作温度60-100℃,操作压力4.0~5.0MPa效果不理想。阀门的最大承压5.0MPa,正常运行时阀8前后差粉煤气化煤粉输送单元阀门操作条件恶劣,阀压为4.0~5.0MPa,阀5、6前后差压为2.0~门动作频繁,在运行中阀门故障率较高,使用寿命较2.5MPa。短,已经成为制约粉煤气化装置长周期运行的重要2.2.2闽门的选型因素2。煤粉切断阀采用的是金属硬密封球阀,球粉煤气化中试装置设计中采用金属硬密封阀出现了卡涩和憋压的现象;锁斗罐和发料罐的压球阀。力放空调节阀则因介质流速较高,阀门极易磨损;国阀体形式为球阀(固定球)。阀体材质为碳钢,产球阀与调节阀均逐渐出现了内漏现象。阀体与介质接触部分覆盖焊 Duplex SS SAF-2205,3.2原因分析机械加工后双相钢厚度≥3mm。阀球材质为Du32.1阀门内漏原因分析plex SS SAF-2205,并堆焊司太莱合金SF-20,机械在工业生产中,阀门内泄漏的产生主要有2个加工后司太莱合金涂层厚度≥0.6mm。阀座材质原因:一是密封面硬质合金之间的黏结;二是介质对为 Duplex SS SAF-205,阀门采用防火防静电处理,密封面的冲刷3,大部分的阀门内泄漏都是这2个2011年11月路文学等:粉煤气化粉煤输送单元阀门应用及改进71因素共同作用的结果4常压,气体夹带着煤粉(0.05~0.1kg/m3)高速流过(1)粉煤切断球阀阀门,虽然阀门的密封采用的是堆焊硬质合金,但也通过对金属硬密封球阀进行拆检,发现阀球与无法承受粉煤颗粒长时间高速冲刷。因此解决问题密封面之间有煤粉黏结并形成了微焊现象,经过长的根本是重新选择较为理想的阀门结构。期的阀门开关运行后,黏结的煤粉就会逐渐撕裂破322卡涩与憋压原因分析坏阀门密封面上的硬质合金涂层,阀门就会出现微根据中国石化集团宁波技术研究院章晨晖等漏。当阀门出现微漏后,由于阀门在关闭时的最大人的观点粉煤锁斗阀的卡涩现象主要与双球阀差压为4.5~50MPa,泄露的部分便会有气流夹带串联造成的憋压有关。粉煤锁斗下料阀为串联球煤粉高速流过,对阀门的密封面又一次产生了强烈阀装置中使用的是固定球阀当煤粉下料结束后锁的冲刷与磨蚀,阀门的密封面最终因磨蚀冲刷和黏斗开始泄压。在泄压过程中锁斗网在下游压力的作结的煤粉造成内泄漏与失效。这种情况在粉煤锁斗用下,下游阀座向上抬起与球体紧密结合形成有效进料与出料阀门上表现得比较突出。密封。如果下阀座与球体的密封存在泄漏的情况,实践证明解决密封面硬质合金之间的黏结问双阀之间的压力会很快降低,与锁斗内压力达到平题应从2个方向入手,一是选用合适的密封面材料,衡。在锁斗泄压和锁斗受料结束后,锁斗开始升压,密封面的涂层材料并非越硬越好,应筛选适合工艺在升压时球阀的上阀座在阀门上游的压力作用下与介质的密封面材料;二是要采用合理的密封面结球体紧密接触形成有效密封,此时阀门的前后就形构,避免情况恶化。成了较高的差压,当锁斗开始下料时锁斗阀要执行(2)粉煤锁斗放空气及均压气管线上的阀门开阀的动作,此时球阀前后的差压已达到40MPa粉煤锁斗泄压放空阀和粉煤锁斗均压阀这2部左右,远远高于设计时的阀门开启差压0.3MPa,直分硬密封球阀在拆检时发现阀门唇口处的球体和接导致阀门卡死无法开启。密封面有严重的磨蚀痕迹,长期使用后,密封面将因这种卡涩憋压的现象还存在于阀1和阀2的串磨蚀而逐渐积累,最终导致阀门失效。经分析,此处联球阀之间。同样的机理,在浮动球阀的串联阀门的阀门由于阀门前后差压大,在阀门开启的瞬间气之间也同样存在这种现象。体夹带少量煤粉(0.1kg/m3)高速地流过阀门,如图4解决方案3所示,阀门唇口处的球体和密封面磨损较为严重最终导致阀门内漏。对故障球阀进行拆检发现,故根据相关粉煤气化厂家锁斗阀的使用经验,锁障阀门的球体磨蚀严重,在球体和主密封面上由于斗阀应满足以下几个条件冲刷形成了很多光滑的凹槽,球体的完整性遭到了(1)球体和阀座密封面一般喷焊镍基合金,要破坏。求加工后的厚度不低于0.5mm,硬度HRC58-60。对于超音速喷涂工艺,由于喷涂层和基体为机械结合,应慎用。(2)阀座应设刮扫刃,防止附着在球面上的粉体嵌入密封面(3)阀体流道应做耐磨处理(4)阀杆与轴套之间应防止煤粉进入,阀座与阀体之间的弹簧腔应防止固体进入图3球阀开启瞬间按照上述原则,在前面的分析结果来看,造成上述阀门出现故障的原因,也不单单是材质上的问题,(3)粉煤锁斗和发料罐压力放空调节阀有些阀门单纯地考虑使用更加耐磨的硬质合金,已粉煤锁斗与发料罐压力调节阀最初使用的是单经无法解决故障的根本问题,必须采用针对特定工座金属硬密封调节阀,在运行了3个月后便出现了况设计的特种结构阀门。经过与国内一些技术研发较为严重的内漏现象,此处阀门的内漏早在意料之能力较强的阀门制造厂家共同努力,对主要阀门的中,因为压力调节阀在正常运行时前后差压在结构形式进行了调整,在中试装置上进行应用。实4.4-4.6MPa,阀前的压力为系统压力,阀后则接近验证明,以上问题已得到解决。现代化工第31卷第期4.1粉煤锁斗受料阀和出料阀根据有关工厂的使用经验,可以在阀门外部因为此处管径较大,阀门开启时前后差压较小设置吹扫管线,对阀门进行清扫,但在吹扫时应避因此选用了一种新型的国产平面密封阀门——双盘免吹扫气流速太高,气流夹带煤粉高速冲刷球心,阀,1个双盘阀替代2个硬密封球阀。这种阀在国可以考虑气吹扫口法兰处加装孔板以降低吹扫气内硅化工粉料处理系统中已经得到了广泛的应用,流速5。并已经应用到了SGCP粉煤气化装置中。从硅化工4.3粉煤锁斗放空阀、粉煤锁斗和发料罐压力放空行业的使用情况来看,该阀的免维护时间已超过了调节阀进口球阀。其结构及原理如图4所示。这些阀门的使用工况比较恶劣,阀门前后差压为4.4MPa左右,气体夹带着煤粉,以超音速的高速流过阀门,对阀门的磨损最为严重。通过与上海大通自控设备厂多次论证,选用了国产的文丘里角阀。国内高压角阀的产品质量已达到进口产品的水平,已成功地应用到气化装置渣水工况中,其结构特点为高耐磨特性,阀内设置了消力盲管结构,当气体夹带着少量煤粉(0.05-0.1kg/m3)高速地流经阀门(a)双盘阀(b)作用原理1一阀体;2一阀座;3一阀盘;4一密封垫;5一中法兰;时在消力盲管中消力池的作用下,流速减缓并化解6-弹簧座;7—弹簧;8一阀杆;9轴套;10—填料了煤粉对阀门的撞击和磨蚀。4.4应用效果图4双盘阀结构及原理水煤浆气化及煤化工国家工程研究中心日处理盘阀的密封面借助弹簧与阀座紧密结合弹簧30t煤中试装置煤粉输送系统按照上述解决方案进的弹力迫使阀盘始终紧密贴合在阀座密封面上,同行了改造,目前已运行3年,有效地提高了锁斗系统时又允许阀盘在密封面的垂直方向上有微小的移的运行水平,实际使用效果证实了改造方案的可靠动借此来补偿阀门零件由于热胀冷缩而引起的变性、有效性。形和多次开关后的微量磨损。克服背压变化对密封的影响,并能防止颗粒介质进入密封面。盘阀的密结语封阀盘在运动时不仅是主轴的转动,同时阀盘还会通过对粉煤输送系统各种阀门的改造,延长了因摩擦力自转,因此阀盘与物料的接触点每次都不阀门的使用周期和免维护周期,减少了阀门故障频同阀门密封面的磨损是均匀的,同时阀盘在转动时率,通过中试装置3年的运行验证,表明对阀门的改与密封面又形成了自研磨对于密封面起到了良好造是成功有效的,同时也证明了国内厂家有能力依的补偿效果。且阀盘的自清洁刮刀经实际应用验靠自己的专有技术,打破国外阀门在煤化工领域的证清洁功能较为理想减少了煤粉在密封面上的黏垄断格局,最终实现煤化工装置阀门的国产化。结,同时在阀腔设置吹扫口,以此来减少煤粉在阀腔内的堆积参考文献4.2粉煤锁斗均压气管线上的阀门[1]王渭,明友壳牌粉煤气化装置用阀结构类型与特性的分析这部分阀门仍然使用金属硬密封球阀。过去使[打].阀门,2010,(6):22-24用的球阀虽然进行了硬化处理,但硬质合金仅有[2]Christopher H, Maarten V. Gasification[ M].2nd edition. Gulf Pro-1~2mm厚。参考实际应用经验,经与重庆白市驿fessional Publishing: Elsevier, 2007: 195-199锻制阀门研究所共同研究,在阀球的唇口处堆焊203]章晨晖,刘欣,邓长松粉煤锁斗阀故障原因分析及解决方案].自动化仪表,2010,31(7):47-50.mm左右的司太莱合金,堆焊后再喷焊硬质合金,这4]杜兆年阀门设计手册[M].兰州:甘肃工业大学出版社,1999:样做的好处是唇口处的密封面有磨损时,只是磨损9-11.了喷焊层和硬质合金,大大地延长了阀门的使用寿[5]张来孔板技术在航天炉中的应用[J.小氮肥,2010,38(10):命,避免了唇口处因磨损很快露出阀体基材的弊病。24-25.■