煤化工是指以煤為原料，經(jīng)化學(xué)加工使煤轉(zhuǎn)化為氣體、液體和固體燃料以及化學(xué)品的過(guò)程。主要包括煤的氣化、液化、干餾，以及焦油加工和電石乙炔化工等。其工藝固有的介質(zhì)高溫、高流速、高壓差、高腐蝕性、流體高含固量等工藝特點(diǎn)，對(duì)閥門的工況適應(yīng)性以及整體壽命等提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

黑水處理是煤化工中最重要的環(huán)節(jié)之一。該步驟主要是將合成氣洗滌廢水和液渣水浴后的廢水，回收并重新循環(huán)使用，保證粗合成氣質(zhì)量合格。介質(zhì)中含有較高硬度及含量的固態(tài)顆粒、腐蝕性組分，對(duì)調(diào)節(jié)閥耐腐蝕、抗沖刷性能及整體壽命要求越來(lái)越高，所以這類嚴(yán)苛工況的閥門提高耐腐蝕抗沖刷性能，延長(zhǎng)平均無(wú)故障周期和整體壽命成為了煤化工工業(yè)調(diào)節(jié)閥急需突破的難題。

什么是黑水

煤化工黑水主要指煤氣化系統(tǒng)形成的帶有煤渣的固、液混合物，混合物中大部分是液體。黑水介質(zhì)具有高懸浮物、高溫、高堿、高硬度等特點(diǎn)，且含有氨、氯離子、硫化氫、磷酸等強(qiáng)腐蝕介質(zhì)，同時(shí)還有氣化反應(yīng)所產(chǎn)生的高硬度的固體顆粒，固體顆粒的含量最多可達(dá)到4%。

固體顆粒沉積后經(jīng)常堵塞閥門節(jié)流口處，在節(jié)流口處流體混雜著硬度較高的固體顆粒高速運(yùn)動(dòng)，所以對(duì)閥芯、閥座等閥門關(guān)鍵零部件的沖蝕嚴(yán)重。

工藝介紹

黑水處理是將來(lái)自激冷罐、濕洗塔和除渣系統(tǒng)的廢水和系統(tǒng)的雨水污水等回收處理再循環(huán)利用的水處理系統(tǒng)。

主要包括合成氣洗滌系統(tǒng)、鎖斗系統(tǒng)，合成氣凈化單元和渣水處理系統(tǒng)4個(gè)部分。

整個(gè)工藝就是來(lái)自氣化爐激冷室、旋風(fēng)分離器及水洗塔底部的高溫黑水送往蒸發(fā)熱水塔閃蒸并與洗滌灰水換熱，同時(shí)使部分酸性氣體解析，底部濃縮黑水經(jīng)過(guò)低壓、真空閃蒸進(jìn)一步得到濃縮，經(jīng)過(guò)澄清槽及灰水池分離出細(xì)渣和澄清灰水循環(huán)使用，部分灰水作為廢水排放。

合成氣洗滌系統(tǒng)

自氣化爐出來(lái)的飽和合成氣進(jìn)入文丘里洗滌器，在這里與激冷水泵送來(lái)的黑水混合，使合成氣夾帶的固體顆粒完全濕潤(rùn)，以便在洗滌塔內(nèi)能盡可能的完全沉降。

工況

用于送入文丘里洗滌器的黑水量調(diào)節(jié)閥，閥前壓力5.0MPa，閥后壓力4.65MPa，黑水溫度220℃，黑水含固質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3%～1.0%。在生產(chǎn)使用中，閥門檢修頻率高，每3～4個(gè)月檢修1次，6～8個(gè)月更換閥內(nèi)件，主要體現(xiàn)在密封面沖刷、閥體腐蝕、沖刷嚴(yán)重。

鎖斗系統(tǒng)

鎖斗系統(tǒng)一般分為：泄壓、清洗、排渣、充壓、收渣5各階段。由鎖斗程序自動(dòng)控制，循環(huán)時(shí)間一般為30分鐘。

通常氣化爐內(nèi)氣化壓力在 2.7~8.5MPa，而渣池通大氣，要想將爐內(nèi)的灰渣排到渣池，應(yīng)把介質(zhì)的壓力減至常壓。當(dāng) 1、2號(hào)鎖渣閥打開、下鎖閥關(guān)閉時(shí)，鎖斗與氣化爐處于一個(gè)系統(tǒng)，壓力相等，此時(shí)可以將氣化爐內(nèi)的黑水收集到鎖斗；相反當(dāng) 2 號(hào)鎖渣閥關(guān)閉，而下鎖閥打開時(shí)，鎖斗與渣池處于一個(gè)系統(tǒng)，壓力相等，此時(shí)可以將鎖斗內(nèi)的黑水排入渣池。

工況

在整個(gè)過(guò)程運(yùn)行中工藝介質(zhì)一般為固體顆粒含量為20%的渣水混合物，混合物中固體顆粒直徑在 3~50mm 之間。閥門入口壓力范圍在 4.4~8.4MPa 區(qū)間，溫度范圍在140~260℃區(qū)間。由于工況的特殊性所以此裝置系統(tǒng)的閥門設(shè)計(jì)不僅要滿足具有可靠的耐腐蝕而且要考慮閥門具有可靠的耐磨性能。

閃蒸系統(tǒng)

由氣化工段排出的黑水，在閃蒸系統(tǒng)里通過(guò)兩段或三段閃蒸罐的減壓和蒸發(fā)，釋放出大部分氣體，之后的黑水送入澄清池除渣和再循環(huán)利用。這里我們以三級(jí)閃蒸系統(tǒng)為例，黑水分別經(jīng)過(guò)高壓閃蒸罐、低壓閃蒸罐和真空閃蒸罐的處理。

黑水經(jīng)減壓閥進(jìn)入高壓閃蒸罐，高溫液體在罐內(nèi)突然降壓膨脹，閃蒸出水蒸氣及二氧化碳、硫化氫等氣體。閃蒸氣經(jīng)灰水加熱器降溫后，水蒸氣冷凝成水，在高壓閃蒸分離器中分離出來(lái)，送到洗滌塔給料槽。

黑水經(jīng)高壓閃蒸后固體含量有所增高，然后送到低壓灰漿閃蒸罐，進(jìn)行第二級(jí)減壓膨脹，閃蒸氣進(jìn)入洗滌塔給料槽，其中的水蒸氣冷凝，黑水被進(jìn)一步濃縮后，送到真空閃蒸罐，在負(fù)壓下蒸出酸性氣體及水蒸氣。

從真空閃蒸罐底部排出的黑水，含固體量約為1%，用沉淀給料泵送到沉淀池。

工況

工藝流程中涉及的調(diào)節(jié)閥都是黑水調(diào)節(jié)閥。黑水中含有Cl-、H2S等強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)，會(huì)對(duì)閥門造成侵蝕。同時(shí)流體中還含有大量的硬質(zhì)顆粒，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高能達(dá)到30%。這些固體顆粒在流經(jīng)調(diào)節(jié)閥時(shí)，很容易堆積在閥門內(nèi)部，阻塞其流路，從而會(huì)影響到調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)性能，而且當(dāng)流體流過(guò)節(jié)流斷面時(shí)，還有可能產(chǎn)生氣液兩項(xiàng)共存的狀態(tài)，即發(fā)生閃蒸現(xiàn)象，這對(duì)閥芯和閥體造成了很大的危害。

渣水處理系統(tǒng)

經(jīng)三級(jí)閃蒸單元初步處理后的黑水，加入適量絮凝劑混合攪拌后進(jìn)入澄清槽，在絮凝作用下，黑水中細(xì)小固體顆粒聚集，并在重力作用下自然沉降，再經(jīng)灰漿槽底流泵送真空帶式過(guò)濾機(jī)吸附過(guò)濾掉水分，形成濾餅排出界外，而濾液經(jīng)收集后用濾液泵送回澄清槽。澄清槽澄清后的上清液溢流進(jìn)入灰水槽，經(jīng)泵送至其他系統(tǒng)循環(huán)利用。為了防止氯離子等物質(zhì)的累積腐蝕管道，同時(shí)也保證水質(zhì)，部分灰水外排到后序水處理工序。

工況

渣水系統(tǒng)的工況特點(diǎn)為溫度高、壓差高、流速高等，且介質(zhì)在逐級(jí)減壓時(shí)容易發(fā)生閃蒸，所以系統(tǒng)中所使用的裝置失效的風(fēng)險(xiǎn)很大。目前，煤化工系統(tǒng)氣化和渣水處理裝置的耐磨球閥在使用過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)嚴(yán)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。

閥門在黑水系統(tǒng)中出現(xiàn)的問題

在黑水處理系統(tǒng)中，介質(zhì)主要為高溫黑水、灰水和渣水，黑水溫度可達(dá)到240℃左右，最大壓差可達(dá)到6.0MPa，工況具有高壓差、強(qiáng)沖刷、強(qiáng)腐蝕、介質(zhì)為固液氣三相流等特點(diǎn)。閥門使用環(huán)境極為惡劣，黑水、灰水及渣水中含有氯離子、硫化氫或磷酸等強(qiáng)腐蝕介質(zhì)，并含有大量固體顆粒。閥門在使用中不但要承受閥門壓力降引起的高流速煤灰顆粒的沖刷，還要耐受閃蒸溶解的氣蝕、黑水汽化引起的腐蝕。

卡澀和外漏

閥門在開關(guān)調(diào)節(jié)過(guò)程中硬質(zhì)固體顆粒進(jìn)入閥桿與填料的間隙處，經(jīng)長(zhǎng)期運(yùn)行后引起顆粒堆積甚至結(jié)垢而將閥桿卡住，導(dǎo)致閥桿輸出力不足，引起閥門卡澀。并且填料被硬質(zhì)固體顆粒破壞后極易出現(xiàn)外漏現(xiàn)象。

沖蝕和氣蝕

從黑水液固兩相流經(jīng)角閥減壓后的流動(dòng)狀態(tài)分析，介質(zhì)對(duì)閥內(nèi)件主要產(chǎn)生沖蝕和氣蝕破壞。

在節(jié)流口處，根據(jù)伯努利方程，靜壓能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能，其流速急劇增加(。夾雜在黑水中的硬質(zhì)顆粒(SiO2等)以切削、犁溝和刺入的方式對(duì)閥內(nèi)件進(jìn)行高速?zèng)_刷形成沖蝕。

在節(jié)流口處?kù)o壓能最低，若縮截面處的壓力等于或小于該液體入口溫度下的飽和蒸汽壓時(shí)部分氣體將氣化，使閥后形成氣、固、液這三相流共存的現(xiàn)象，出現(xiàn)閃蒸，繼而壓力恢復(fù)至高于飽和蒸汽壓時(shí)氣泡破裂，形成氣蝕使閥內(nèi)流道的內(nèi)表面形成蜂窩狀的小孔。

在沖蝕和氣蝕的雙重作用下，閥內(nèi)件采用一般高硬度的耐磨材料或表面硬化工藝的話，很難滿足工況要求。

內(nèi)漏

由于多相流中含有高濃度的固體顆粒，在流體的加速作用下，顆粒會(huì)持續(xù)沖擊固體壁面，導(dǎo)致閥芯和緩沖罐底部區(qū)域出現(xiàn)嚴(yán)重的磨損，最后造成閥門內(nèi)漏，密封失效。目前，高壓黑水閥門的壽命僅為4~6個(gè)月，且緩沖罐底部的減薄十分嚴(yán)重，裝置的運(yùn)行和檢維修成本很高。

閥體穿孔

在黑水處理系統(tǒng)中，多使用角閥，然而介質(zhì)在閥腔拐點(diǎn)和出口縮徑處流速極高，黑水中的硬質(zhì)懸浮固體顆粒對(duì)閥腔造成嚴(yán)重的沖蝕破壞。出口法蘭與管道筒體連接處內(nèi)壁厚度不均勻，而該結(jié)構(gòu)在鑄造時(shí)很容易引起厚度突變，容易產(chǎn)生砂眼和裂紋等缺陷，在該惡劣的工況下，閥體容易出現(xiàn)穿孔。

陶瓷閥門的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

陶瓷材料優(yōu)勢(shì)

材料硬度

結(jié)構(gòu)陶瓷具有良好的抗磨耗性和較低的動(dòng)、靜摩擦系數(shù)，因?yàn)樗慕Y(jié)構(gòu)致密且硬度高，不容易在常溫下發(fā)生塑性變形。他的硬度通常都高于工業(yè)上的常用合金材料，近年來(lái)，陶瓷材料在工業(yè)行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。

耐磨性

陶瓷材料突出的優(yōu)點(diǎn)之一就是耐磨性，將陶瓷作為耐磨材料是耐磨技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)但是陶瓷的抗沖蝕性能不僅與組分及純度有關(guān)，也與其制備工藝密切相關(guān)。例如：純度為100%的氧化鋁陶瓷的耐磨性比95%~98%的氧化鋁陶瓷高1.5倍，比純度為70%的氧化鋁陶瓷高10倍。因此，在沖蝕磨損條件下選用陶瓷材料時(shí)，應(yīng)選擇高致密度和高純的陶瓷。

有實(shí)驗(yàn)表明，在相同的沖蝕條件下，結(jié)構(gòu)陶瓷的抗沖蝕磨損能力比鎢鉻鈷合金高2~10倍。

材料韌性

陶瓷是脆性材料，彎曲或拉伸時(shí)，裂紋一旦產(chǎn)生，極易斷裂。陶瓷的高溫力學(xué)性能、抗化學(xué)侵蝕能力、耐磨性、電絕緣性等均優(yōu)于金屬材料，但其脆性限制了它的使用。

目前改善陶瓷材料脆性、增加韌性的方法有以下幾種：

通過(guò)晶須或纖維增韌；異相彌散強(qiáng)化增韌；氧化鋯相變?cè)鲰g；顯微結(jié)構(gòu)增韌；表面強(qiáng)化增韌；復(fù)合增韌。

耐腐蝕性

材料的腐蝕可以分為化學(xué)腐蝕和物理復(fù)試，結(jié)構(gòu)陶瓷的耐腐蝕性表現(xiàn)在高溫時(shí)不會(huì)被氧化，可在高溫下連續(xù)工作上小時(shí)不會(huì)損壞，幾乎可以耐受除氫氟酸以外的無(wú)機(jī)酸的腐蝕。而且，許多陶瓷材料能夠抵抗熔融金屬的高溫侵蝕，成為熔煉各種金屬材料的坩堝材料。

陶瓷材料的腐蝕行為相對(duì)于金屬材料雖然輕得多，因此，在很多惡劣的腐蝕工況中，常常會(huì)選用以陶瓷為材料的工業(yè)設(shè)備。

陶瓷閥門結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)

陶瓷球閥

陶瓷球閥的結(jié)構(gòu)與普通金屬球閥相同，但閥球和閥座的材料被結(jié)構(gòu)陶瓷材料所代替。由于陶瓷材料具有良好的優(yōu)越性，陶瓷閥門在腐蝕磨損方面可以替代普通的金屬閥門。閥球與閥座之間密封保證了陶瓷閥門的密封性能。

在高腐蝕和強(qiáng)腐蝕的介質(zhì)中，閥內(nèi)件承受的腐蝕和沖擊最大，將陶瓷材料作為閥內(nèi)件，就可以很好地避免閥內(nèi)件的腐蝕與磨損，并且，使得介質(zhì)不會(huì)與閥體直接接觸，有效的延長(zhǎng)了閥門的使用壽命。

切斷閥

對(duì)于切斷閥，其流道與球芯多為O型，對(duì)流體進(jìn)行開關(guān)控制，氣動(dòng)型陶瓷球閥由限位器、電磁閥、過(guò)濾減壓閥、陶瓷球閥、氣路等構(gòu)成。

進(jìn)口陶瓷開關(guān)球閥，O型球芯與閥座密封面粗造度可以達(dá)到小于0.1μm，陶瓷球芯與閥座之間密封等級(jí)可以實(shí)現(xiàn)高于金屬球閥。另外，陶瓷球芯與閥座有自研磨性，啟閉扭矩小，高抗腐蝕性能等優(yōu)點(diǎn)。內(nèi)襯陶瓷流道與閥體之間的金屬部分完全隔離，針對(duì)應(yīng)用腐蝕性與純度要求高的介質(zhì)工況等，具有良好的表現(xiàn)。

調(diào)節(jié)閥

對(duì)于調(diào)節(jié)閥，多選用進(jìn)口V型球閥，其中，電動(dòng)V型陶瓷調(diào)節(jié)球閥由電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)與V型球閥二部分組成，閥芯選用優(yōu)質(zhì)陶瓷。

V型開口球體與閥座之間具有剪切作用，當(dāng)介質(zhì)中含有纖維或固體顆粒時(shí)，球體不會(huì)卡死，仍保證良好的密封性。閥芯采用優(yōu)質(zhì)陶瓷，有較高的抗磨蝕性能，閥座保護(hù)環(huán)可防止流體直接沖刷閥座，延長(zhǎng)閥座壽命。目前常用的進(jìn)口陶瓷球閥品牌有：Samson旗下的cera system、美國(guó)flowserve、美國(guó)GE旗下的masonielian、芬蘭metso、美國(guó)SSZ。

陶瓷偏心旋轉(zhuǎn)閥

偏心旋轉(zhuǎn)閥是一個(gè)偏心轉(zhuǎn)動(dòng)的扇形球閥，利用偏心球面與閥座相切，打開時(shí)，閥芯脫離閥座，關(guān)閉時(shí)，閥芯逐步接觸閥座，從而閥芯對(duì)閥座產(chǎn)生壓緊力，達(dá)到可靠密封。通常閥芯和閥座會(huì)選用陶瓷材料，有效的避免了閥門在運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中被介質(zhì)中的顆粒物或結(jié)晶物質(zhì)卡死的情況。

偏心旋轉(zhuǎn)閥具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)實(shí)用的特點(diǎn)，同時(shí)具有較大的調(diào)節(jié)范圍和良好的控制精度。整體式閥體的設(shè)計(jì)，消除了潛在的泄漏通道，可以有效地抵抗管道應(yīng)力。

黑水對(duì)閥門的腐蝕與磨損

結(jié)構(gòu)陶瓷具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，幾乎不與強(qiáng)酸強(qiáng)堿發(fā)生反應(yīng)，而且具有較高的硬度，能抵御高硬度顆粒物介質(zhì)的磨蝕。

這些優(yōu)良的化學(xué)與物理特性，保證了陶瓷球閥不僅能有效的抵抗強(qiáng)烈的腐蝕，而且在惡劣工況中能保持閥門的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不因磨損損壞導(dǎo)致閥門開關(guān)失效，出現(xiàn)內(nèi)漏和外漏的情況。

使用壽命短

陶瓷閥門的使用壽命能達(dá)到金屬閥門的6~8倍，減少了現(xiàn)場(chǎng)停機(jī)和閥門更換的次數(shù)，不僅提高了生產(chǎn)效率，而且還降低了人工維護(hù)的次數(shù)和成本，有效地延長(zhǎng)了閥門的使用壽命。

檢修成本高

陶瓷閥采用結(jié)構(gòu)陶瓷材料制作閥門的密封部件和易損部件，提高了閥門產(chǎn)品的耐磨性、防腐性及密封性，大大延長(zhǎng)了閥門的使用壽命。

陶瓷閥門的使用可以大大降低現(xiàn)場(chǎng)的維修更換次數(shù)，提高配套設(shè)備運(yùn)行系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性，節(jié)約設(shè)備修理費(fèi)用。

 

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