我国是一个富煤、贫油、少气的国家,煤炭资源已探明储量和可采储量占全球比例分别为19%38%;而我国石油已探明储量和可采储量占全球1.3%4.6%。煤炭可开采129年、天然气可开采43年、石油仅可开采15年。我国的石油紧缺和油品消费增大的矛盾日渐突出,对外依存度达50%,预测2020年将达到60%。对进口的依赖越发严重。20095月国务院下发《石化产业调整和振兴规划》中明确要求:积极引导煤化工行业健康发展,重点抓好煤制油、煤制烯烃、煤制天然气、煤制乙二醇和煤制二甲醚等五类示范工程,这使现代煤化工产业在我国得到快速发展。


    2.1 煤化工行业的特点

    2.1.1 煤化工概念

    以煤炭为原料的相关化工产业被统称为煤化工。

    根据生产工艺和产品对象的不同可以分为煤焦化、煤电石、煤气化和煤液化四条产业链。其中煤焦化、煤电石、煤气化(合成氨制化肥)属于传统的煤化工产业。煤气化制醇醚燃料和煤制液化燃料属于现代煤化工领域,也即通常所说的“煤制油”。煤化工产业链见图2

 

1-8-2 煤化工产业链

    2.1.2 煤化工的特点

    1)易燃易爆易中毒的物质多。

    2)高温露天操作烟气粉尘多。

    3)生产工艺条件苛刻,高温高压、易冲刷、磨损、腐蚀等。

    4)生产规模的大型化和生产过程的自动化。


    2.2 煤制油工艺技术

    2.2.1 煤制油和石化制油的区别

    煤制油和石化制油的区别在于原料的不同。石化制油的原料是液态的原油,其工艺重点在于裂解过程。而煤制油的原料是固态的煤,其工艺重点在于气化过程。气化技术的发展由最早的鲁奇炉、德士古水煤浆炉、壳牌干煤粉炉以及西门子GSP气化技术,使煤的转化率大大提高,对煤质的要求大大降低,高新技术的发展使工艺的稳定性和生产成本逐步趋于工业化、市场化、商业化。


    2.2.2 煤制油的工艺方法

    煤制油是以煤炭为原料,通过化学加工方法将固态的煤转化合成为液态的石油燃料产品,其工艺可分为直接液化和间接液化两种。直接液化是把煤炭先磨成煤粉与溶剂配制成油煤浆,然后在高温、高压、加氢处理的条件下转化成油品。间接液化是先把煤炭在高温下气化,再在催化剂作用下加氢处理合成油品。


    2.2.3 煤间接液化的工艺过程

    煤的间接液化技术是先将煤全部气化成合成气,然后以煤基合成气(一氧化碳和氢气)为原料,在一定温度和压力下,将其催化合成为烃类燃料油及化工原料和产品的工艺,包括煤炭气化制取合成气、气体净化与交换、催化合成油或液体燃料-甲醇、二甲醚等烃类产品以及产品分离和改制加工等过程。合成条件较温和,无论是固定床、流化床还是浆态床,反应温度均低于350℃,反应压力2.03.0MPa。煤间接液化的工艺流程图见图1-8-3


    2.2.4 煤直接液化的工艺过程

    煤直接液化是在高温( 4 0 0 ℃ 以上) 、高压(2030MPa以上)条件下,在催化剂和溶剂作用下使煤的分子进行裂解加氢,直接转化成液体燃料,再进一步加工精制成汽油、柴油等燃料油,所以又称加氢液化。煤直接液化的工艺流程图见图1-8-4


    2.3 煤化工控制阀的要求

    2.3.1 概述

    煤制油化工装置与其他生产化工装置一样,主要是由反应炉的塔器、罐釜和管道组成的系统装置,控制阀是其中重要的控制设备。核心装置的控制阀需要承受的工艺条件具有高温、高压、临氢、走氧、易燃、易爆、腐蚀、磨损、冲刷的特点,与一般石油化工装置所使用的控制阀既有相同之点,又有不同之处。


    2.3.2 煤化工恶劣工况控制阀的通用技术要求

    煤化工恶劣工况使用的控制阀,由于介质中含有煤粉颗粒、催化剂等添加物,易受到介质的冲刷、磨损、腐蚀等损坏,下面从产品结构和制造工艺两方面进行详细阐述。


    2.3.2.1 产品结构通用要求

    1)控制阀结构的设计应避免煤浆结焦使阀门失效,要方便清洗。

    2)采用金属硬密封形式,且阀座与阀芯的材质相同,确保两者有相同的膨胀系数在高温的条件下不会出现阀‘卡死’的现象。

    3)输送颗粒介质的产品阀体流道需要喷涂耐冲刷、耐腐蚀涂层或嵌入硬质合金套。产品内件需要表面硬化处理,根据涂敷材质不同选择喷涂、喷焊、整体烧结等处理方式。阀内件采用锻造结构。

    4)球阀阀座应采用刮刀式设计,球体转动时可产生刮削作用,防止球芯与阀座间的颗粒沉积,但要防止因为锐角产生的应力集中,导致涂层的剥落使阀座损坏。

    5)由于介质含颗粒、黏度大、易结焦,在最大压差下,驱动轴应考虑足够的安全裕量,轴上结构过渡要平滑,减少应力集中。


    2.3.2.2 制造工艺通用要求

    1)选用奥氏体不锈钢,能抵抗高温硫化氢的腐蚀,但有可能出现不锈钢的氢脆、硫化物应力腐蚀开裂及堆焊层氢致剥离现象等损伤。选用Cr-Mo钢的回火脆性破坏也需要加以注意。控制阀的材料要有较好的综合性能,即材料内部的致密性、纯洁性和均质性性能要好;化学成分、室温和高温力学性能要满足设计规范要求,特别加强对CSP含量控制。生产过程中要控制好铸造、锻造、热处理等关键工序。

    对于锻造阀门,会通过对锻件的锻造比、晶粒度等进行控制来实现致密度的要求;对于铸造阀门因其原材料的选择不同、浇冒口的设置、冷铁位置与数量的选择不同、凝固顺序的差异,以及冷却时间的不同,都会导致其致密度、均质性性能差别很大。

    热处理是阀门质量保证的非常关键的工序,热处理炉的温度控制、温度均匀性、铸件在热处理炉中的堆放、保温时间、冷却方式与速度等因素都会影响最终阀门铸件的机械性能。奥氏体不锈钢进行固溶热处理,采用空冷;对于321347材料,还应进行稳定化热处理。

    2)阀门铸件需进行射线探伤检查。硬化密封面进行着色探伤检查。

    3)承压铸件的所有焊补面积总和应不超过铸件的表面积的10%,补焊后需进行热处理。

    4)对于操作在高温高压氢环境下的阀门,在操作状态下,阀门内壁中会吸收一定量的氢。在停工的过程中,若冷却速度太快,使吸收的氢来不及扩散出来,造成过饱和氢残留在器壁内,就可能在温度低于150℃时引起亚临界裂纹扩展, 对阀门的安全使用带来威胁。

    焊接阀门时需要控制δ铁素体含量,以避免该含量过多时,在焊后热处理过程发生较多的相变而产生脆性。


    2.4 煤化工特种控制阀选型

    2.4.1 概述

    煤化工工艺根据产品的不同,主要工艺系统装置也不一样,如煤制甲醇分为输煤系统、热电系统、空分系统、气化系统、低温甲醇洗净化系统、水冷串气冷合成系统、甲醇精馏系统、水系统8大主系统。神华煤直接液化项目全部流程包括备煤、催化剂制备、煤直接液化、加氢稳定、加氢改质、轻烃回收、含硫污水汽提、脱硫、硫黄回收、酚回收、油渣成型、煤制氢和空分等装置。这些装置所使用的控制阀工艺条件最恶劣、安全性要求最高的是气化系统、输煤系统、空分系统、低温甲醇洗净化系统等系统,最有代表性的是锁渣阀、灰水黑水阀、氧气氮气切断阀、氧气氮气控制阀、煤浆阀(耐磨球阀)、放空阀、蝶阀、偏芯旋转阀、智能阀门定位器等,下面对以上产品性能特点进行介绍。其他通用工艺装置如热电系统、水系统、消防系统等所使用的控制阀无特殊要求,不在本文介绍。


    2.4.2 锁渣阀(德士古气化炉工艺)

    2.4.2.1 锁渣阀的控制和安装工位

    锁渣阀也称为锁斗阀(见图1-8-5),一般采用气动两位开关球阀,是液态排渣的水煤浆,多元料浆和干燥粉气流床加压气化装置上最重要的阀门.每台气化炉设置3台锁渣阀,气化炉激冷室或破渣机下部与锁斗相连的管道上,即锁斗入口侧有2台锁渣阀,通常称为上锁渣阀,其中1号锁渣阀受程序控制,大约30min开关一次,而2号锁渣阀常开,在线备用,在1号锁渣阀出现泄漏等故障时投入使用.当气化炉激冷室液位低,引起气化炉保安系统联锁动作时,1号锁渣阀也联锁关闭,以防止气化炉工艺气窜入锁斗系统造成不良后果.锁斗排放口也有1台锁渣阀,通常称为下锁渣阀,该阀的出口与大气相通,锁渣阀受气化炉的排渣程序控制,受高温、高压灰渣的直接磨蚀,开关频繁,要求在高压差情况实现双向密封。水煤浆加压气化工艺排渣系统流程见图6

1-8-5 锁渣阀外形图

    气化炉内气化压力通常在2.7Mpa 8.5Mpa,而渣池通大气,要使炉内的灰渣排到渣池,必须将介质的压力减至常压。当2号锁渣阀打开、下锁阀关闭时,锁斗与气化炉处于一个系统,压力相等,此时可以将气化炉内的黑水收集到锁斗;相反,当2号锁渣阀关闭,而下锁阀打开时,锁斗与渣池处于同一系统,压力相等,此时可以将锁斗内的黑水排入渣池(见图1-8-6)。

 

1-8-6 水煤浆加压气化工艺排渣系统流程


    2.4.2.2 锁渣阀的工艺参数

    介质:夹带灰渣的黑水,渣水混合,其中灰渣占50%,灰渣的颗粒一般为3mm50mm ,介质中含有水、Cl2H2SFe2O3SiO2Al2O3等成分。

    操作压力:6.5 MPa8.7 MPa

    工作温度:270℃。

    流量:正常排渣时为1057kg/h,最大为13700 kg/h


    2.4.2.3 锁渣阀技术要求

    锁渣阀主要使用在黑水、灰水、煤浆、氮气、固体粉末及颗粒等介质工况中,会产生化学腐蚀和机械磨蚀、冲刷等破坏,其结构有很多特殊性。

    1)球阀采用固定球两体对中设计,阀杆与球设计为一体,保证球体的对中性,产品使用寿命,也可防止阀杆飞出。球体采用奥氏体不锈钢,阀杆材质采用17-4PHS20910,既保证了球体硬化处理的材质要求,又保证了阀杆的连接强度。

    2)阀座采用金属宽带自刮削式结构,可以对阀球表面实现自清洁,防止灰渣沉积在密封面上。

    3)密封面采用金属对金属密封结构,填料采用柔性石墨,垫片采用不锈钢+柔性石墨,具有防火结构。

    4)球阀要求双向密封,在正向和反向的双向流动方向,在最大压差时,达ANSI/ FCI 70-2 class v级密封要求。

    5)球体表面、阀体流道与介质接触的地方需要硬化处理,硬化处理的方式为喷涂、喷焊耐磨合金(如镍基合金、WC)、整体烧结WC等。

    6)能快速动作,根据口径不同动作时间为3S- 10S,确保阀门动作到位。



    2.4.3 黑水和灰水控制阀(见图1-8-7

    2.4.3.1 黑水和灰水控制阀使用的工位

    1)闪蒸罐入口,对气化炉和洗涤塔排出的黑水进行减压闪蒸,压差较大。

    2)闪蒸罐的出口,控制闪蒸罐的液位,介质浓度较大,压力低。

    3)气化炉出口,控制急冷室液位,高压力、低压差。

    4)洗涤塔给水泵的旁路系统,最小流量保护,压差较大。


    2.4.3.2 技术要求

    1)一般采用角式阀体,流道简单,自洁性好,需用CFD软件仿真流道,以减少高速流体在阀座与阀体结合处产生涡流,对阀体产生破坏。超大球形阀腔,流动对中,不偏离,无侧面冲击,流道内表面喷涂WC,减少在高压差下,固液气三相流介质,对阀体造成较大的冲蚀。

    2)需要优化文丘里阀座型面,与阀座无缝连接,圆滑过渡,减少滞止点和死角,抑制涡流产生。阀座出口端加锥形管(用陶瓷或WC烧结)控制闪蒸和气蚀,保证控制阀寿命。

    3)阀芯阀座材质要进行硬化处理,如堆焊、喷焊、喷涂、整体烧结WC等,以防止闪蒸对控制阀造成的破坏。

    4)选型时避免阀过渡缩颈,造成阀体内部流速异常增大而形成闪蒸,减少对阀的损坏。

    5)阀杆材料一般选用不锈钢,阀芯一般选用陶瓷或烧结WC,两者连为一个整体,需要优化连接结构,避免阀头脱落的问题。

    6)国内烟台美林公司开始生产陶瓷V球阀用于灰水控制工况。



    2.4.4 氧气 氮气控制阀和切断阀

    2.4.4.1 氧气 氮气控制阀和切断阀使用工位

    1)氧气总管流量控制阀。

    2)通往每台气化炉的氧气支管流量控制阀。

    3)支管氧气联锁双重切断阀。

    4)氧气放空管线控制阀。

    5)高压氮气吹扫阀、高压氮气缓冲阀、中心管道

    氮吹阀和氧气管道相连。氧气切断阀及相关高压氮气切断阀受气化炉安全联锁系统的控制。在开车时.通过开车程序打开或关闭相关切断阀。停车或故障时,自动切断进气化炉的氧气管线并放空,然后用高压氮气吹扫、保护氧气管线。


    2.4.4.2 氧气 氮气控制阀和切断阀的技术要求

    控制阀选用直通类(见图1-8-8),切断阀选用球阀(见图1-8-9)。



1-8-8 直通类欧文凯利控制阀

1-8-9 欧文凯利球阀

    1)氧气高压输进有相当大的危险性,根据欧洲气体协会(EGA)标准,氧气管线若采用304不锈钢材质,loMPa压力下,速度限值为45m/s。要求采用整体法兰, 密封型式为RJ。阀体材质至少采用316L,阀杆、阀芯及阀座材质应选用INCONELL合金。

    2)具有防火防静电结构。

    3)阀内件全部采用锻件,其中阀芯阀杆采用整体式。

    4)选用防剥离石墨填料。

    5)流道必须严格打磨光滑,需露出材料本色,彻底除去毛刺、粘砂等。

    6)必须进行清洗、脱脂、禁油处理,做好防护和标志。

    7)用氮气进行强压、泄漏的检测;填料用氦质检漏仪检测泄漏低于300PPM

    8)铸造阀体一般不允许补焊,需探伤检验。



    2.4.5 偏心旋转阀

    2.4.5.1 偏心旋转阀的使用工位

    煤气化装置的激冷水泵、高压回水泵、低压回水泵等泵的出入口位置,介质为灰水,容易积渣结构;硫回收装置的介质黏度较大,这些工位一般选择偏心旋转阀(见图1-8-10)。



    2.4.5.2 偏心旋转阀的技术要求

    1)偏心结构设计,减小磨损,延长寿命。

    2)灰水几乎没有腐蚀性,所以阀体可用碳钢材料,阀芯、阀座等基体材料用一般的奥氏体不锈钢。

    3)流道和球芯表面喷焊或喷涂耐腐蚀、耐冲刷、耐磨损材料。球芯也可以整体烧结碳化钨或表面熔焊厚度达3mm以上的碳化钨时,硬度可达HRC70°以上。

    4)轴与阀芯连接用花键结构,提高阀杆和球芯的传递精度和传递扭矩的能力。



    2.4.6 三偏心金属密封调节蝶阀

    2.4.6.1 三偏心金属密封调节蝶阀的使用工位

    三偏心蝶阀主要用于大口径场合,其结构见图1-8-11

 

1-8-11 欧文凯利三偏心蝶阀

 

    1)空气分离系统。

    2)压缩机防喘振。

    3)净化合成精馏系统。

    4)控制洗涤塔去变换单元的合成气流量,这些阀门关系到气化装置工艺气正常输送以及变换单元的正常生产。

    5)气化装置洗涤塔顶部合成气去火炬系统,采用三偏心金属密封切断蝶阀,这些阀门关系到气化装置开停车以及装置正常运行时系统压力的稳定。水洗塔出口合成气有2个分支,一个分支是在开停车时,合成气放空到火炬系统, 阀正常运行时,保证压力稳定,在此分支设计1台三偏心切断蝶阀;另一个分支是开车后将合成气送到下游的变换装置,在此分支中,设计1台三偏心控制阀(带切断功能),以调节合成气压力,并根据需要切断下游系统。它受联锁系统控制,作隔离切断用。


    2.4.6.2 三偏心金属密封调节蝶阀的技术要求

    1)合成气中含有湿的H2S,阀门、内件和所有与物料接触的部分应遵照NACE MR 0175选用。阀体材料选用316 L

    2)阀门采用整体法兰,以方便拆除和维修。

    3)阀门泄漏量级别相当达到美国ANSI/FCI70-2Class V级,不能低于Ⅳ级,仅正向满足密封要求。

    4)阀板、阀座材质选择SUS316 SS硬化处理,如堆焊司太立合金6号、喷焊镍基合金。

    5)阀门所有流道包括阀门法兰密封面应进行喷涂硬化处理。

    6)根据功能需要组成功能系统(如压缩机防喘振等)。



    2.4.7 智能阀门定位器

    2.4.7.1 电气定位器的作用

    电气阀门定位器是控制阀的主要附件,通常与气动控制阀配套使用,它接受控制系统的信号,控制气动控制阀的动作,控制阀阀杆的位移又反馈到阀门定位器,输入与输出达到平衡,从而实现对控制阀的控制。


    2.4.7.2 智能阀门定位器的特点

    智能阀门定位器(见图1-8-12)是利用计算机技术、通信技术和人工智能技术,嵌入式数字解决方案实现智能化,其控制原理图见图1-8-13。经过智能阀门定位器的数字化数据处理、双向通信及人工智能应用,将控制阀提升为智能现场设备并得以功能强化和具有高可用性。特别是其具有的诊断功能,满足了煤化工行业对恶劣工况使用产品的运行状态进行诊断,减少维修更换工作量。产品特点如下:

    1)控制精度高,可达0.5级。

    2)输出特性可任意选择:直线、等百分比、快开、用户任意设定等。

    3)低功耗、低耗气量、运行成本低。 

    4)抗震性能好,能适应恶劣的环境。

    5)工作运行中不受气源压力变化影响。

    6)能自动适应不同种类、规格的阀门控制。

    7)具有阀座密闭、环境温度测试、控制信号电流显示等功能。

    8)420mA控制信号范围可任意设定。

    9)可就地或远程进行参数调整、组态、自整定和监控等。

    10)具有信号超量程、输入信号中断、阀位信号中断等诊断功能及全开、全闭、保持、切换到手动等故障处理模式。

    11)能够对填料密封、阀座磨损、弹簧疲劳、膜片老化和气室泄漏等阀门故障进行诊断。实现对控制阀运行状态的管理。

1-8-12 欧文凯利智能阀门定位器

 


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