黑水閃蒸系統(tǒng)工況對黑水調節(jié)閥/黑水角閥所可能造成的危害及設計參考

廣華

無論黑水閃蒸系統(tǒng)采用何種多級工藝流程，其本質都是承接來自氣化爐、洗滌塔、閃蒸罐的流、液位調節(jié)任務。黑水即為水煤漿氣化工藝中，隨洗滌塔、氣化爐的生產過程中的伴生產物，工藝任務上需要對黑水進行回收提純與二次利用。黑水典型的介質為固液兩相流，其中固相流中，固相含量可高達3000mg /L，伴隨多次回收沉降，固體顆粒的質量分數(shù)至多能夠達到4%甚至更多；同時固相的硬度也很高，固相摩氏硬度可達7Mohs，顆粒直徑與形狀不均勻。

液相流中，液體中多含有Ca 2 + 、Mg2+、Cl-、S2-、CO32-、NH4+、H2S等多種強腐蝕離子，會對調節(jié)閥內壁及零部件產生沖蝕作用；由于黑水調節(jié)閥多用于罐底回收與罐后給料，閥門本身承載著大量液體，同時由于工藝制備的要求，介質溫度多在200℃~300℃，使得黑水調節(jié)閥前后壓差較大。當介質流過調節(jié)閥內部縮流斷面，根據(jù)節(jié)流原理，若介質流出節(jié)流區(qū)后，壓力回升不超過入口溫度下的飽和蒸氣壓時，流體介質將會繼續(xù)汽化，在調節(jié)閥出口形成汽液共存的現(xiàn)象，即兩相流，這種現(xiàn)象成為閃蒸。正由于黑水閃蒸系統(tǒng)中，黑水調節(jié)閥的主要作用就是對介質進行減壓調節(jié)，這必然會發(fā)生閃蒸現(xiàn)象，汽化后的黑水流體體積將會急劇膨脹，調節(jié)閥后體積流量將會是調節(jié)閥前幾何倍數(shù)，與調節(jié)閥前的黑水形成了固液氣三相流。

黑水工況所可能造成的危害

固液氣三相流伴隨高壓差、高流速、強腐蝕、強沖擊，黑水調節(jié)閥的工況可謂是極其惡劣。固相方面，由于固相含量高，顆粒硬度大，在高壓差、高流速的加持下，固體顆粒將成為調節(jié)閥設計中首當其沖的難點。高速沖擊下的固體顆粒，首先會對流體通路上阻礙前進的零件進行撞擊，比如閥芯、閥座、閥桿等起主要調節(jié)性功能的零件，這部分零件由于自身加工材料的限制、原材料二次處理的方式、抵抗沖擊結構的不同，會造成零件表面的凹坑、刮傷、甚至裂紋，這些因固體顆粒沖擊造成的缺陷，會隨著液體閃蒸、空化的影響，二次對零件本身進行侵蝕，直至零件破碎、彎曲、甚至折斷。
其次，固體顆粒在流體通路的路徑上進行磨損，主要表現(xiàn)為在管道內壁、閥體內腔由于阻塞流或者管道轉彎、閥腔轉向過程中突然改變方向，固體顆粒伴隨液體在慣性作用下，沖擊轉向內壁，造成刮傷、劃痕、異響；方向的改變也會影響局部介質的流速，也會產生渦流、湍流造成管道、閥腔的振動、噪聲，這也也是介質在管道運輸、閥門調節(jié)中潛在的危險。

固體顆粒產生的另一方面危害是沉降問題，固體顆粒細小，極易發(fā)生沉降、結垢現(xiàn)象，易堆積在調節(jié)閥內腔死角、結痂在閥芯、閥座、閥桿表面，特別是用于穩(wěn)定閥桿、減少震動的閥桿導向區(qū)域。由于滿足閥桿導向及穩(wěn)定作用，閥桿與導向之間的間隙不會留太大，本身閥桿會隨著閥門啟閉上下運動，必然會將顆粒帶動到閥桿與導向之間的間隙中，這就會導致閥桿與導向卡死，加劇閥桿與導向表面的磨損，最終影響閥桿的穩(wěn)定作用。同時，也會因為導向穩(wěn)定作用的減弱，使得閥芯在液體沖擊下產生振動，與閥座產生碰撞，造成閥芯與閥座的二次傷害。由于閥桿表面的磨損與刮傷，也會影響調節(jié)閥上部填料與閥桿密封的效果，造成黑水外漏、有毒氣體逸散等嚴重的生產事故。

液相方面，由于黑水主體為液體，在液體中多含有Ca2+、Mg2+、Cl-、S2-、CO32-、NH4+、H2S等多種強腐蝕離子，伴隨較高溫度，長時間浸泡會對調節(jié)閥內壁及零部件產生沖蝕作用，弱化零部件表面金屬自帶的氧化保護層，配合固體顆粒的沖擊，撕開金屬表面的第一層保護，為后續(xù)的閃蒸、空化提供進一步破壞的條件。

由于黑水閃蒸系統(tǒng)中，調節(jié)閥面對的是高壓差工況，因此黑水液相本身是檢驗調節(jié)閥本身強度的重要組成部分。由于在高壓差工況下，大部分閥門會為了減少啟閉過程中，執(zhí)行器的輸出力與穩(wěn)定效果，會在閥腔內設置用于平衡閥芯閥桿上下兩側壓力的平衡區(qū)，液體在高壓作用下，首先會沖擊調節(jié)閥腔內部的平衡區(qū)域，此時閥腔的流道形狀就成為的重中之重，流道形狀若不能對流體進行疏導、轉向、減速，則會加劇閥腔的磨損，加大閥腔內隔板的壓力承載，導致裂紋、貫通等問題。閥腔的流道形狀也會影響阻塞流的產生、閥門的壓力恢復系數(shù)、局部渦流、紊流的產生，影響著閥門流通能力、調節(jié)能力，也影響著閥體振動、噪聲等因素。

另一方面，黑水液體的沖擊也會直接影響閥內零部件的強度，考慮到閥內零部件的沖擊位置、導向穩(wěn)定性能，將會使得閥內零部件產生振動、磨損、彎曲，從而導致閥門穩(wěn)定性下降、調節(jié)精度下降、安全性下降，甚至閥內零部件的彎曲、折斷。

氣相方面，由于黑水調節(jié)閥在面臨高壓差工況，閃蒸與空化效果是無法避免的，由于閥后介質的體積的急劇膨脹，高速流體會對閥芯表面、閥座密封面、閥門出口處的文丘里擴口延伸管或管道，產生無法避免的沖擊，甚至造成零部件表面破碎與管道破損。

另一方面閃蒸現(xiàn)象造成的流體體積的急劇變化，也會使得管道及下游工藝設備管口造成振動，若不能解決該問題，會導致下游設備出現(xiàn)設計意料之外的問題，進而損傷下游設備，這將會造成嚴重的生產事故，造成大量經濟損失。

黑水調節(jié)閥作為煤化工行業(yè)的典型代表，固液氣三相混合的苛刻工況讓每位設計者與用戶十分苦惱，使用壽命一短再短。本文通過固體、液體、氣體三個方面分析了問題產生的原因，以及造成的危害，應通過多個角度提出解決方案，用以為今后的設計者設計過程中提供參考。