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                         煤化工調節閥選用

                        上海申弘閥門有限公司

 之前介紹化工截止閥在三門峽化工機械應用，現在介紹煤化工調節閥選用隨著煤化工項目在全國各地的建設和開車，煤化工在國民經濟中的地位也越來越突出。由于煤化工工藝的特殊性，在生產過程中所使用的各類控制閥關乎著生產的平穩和安全，在煤化工項目中起著至關重要的作用。筆者根據多年的實踐經驗，對煤化工各個裝置區的各類關鍵控制閥進行闡述和剖析，以供大家交流借鑒。煤化工是以煤為原料，經過化學加工，使煤轉化為氣體、液體、固體燃料以及化學品，并生產出各種化工產品的工業。煤化工包括煤的一次化學加工、二次化學加工和深度化學加工，煤的焦化、氣化、液化，煤的合成氣化工、焦油化工和電石乙炔化工等等。根據生產工藝與產品的不同主要分為煤焦化、煤電石、煤氣化和煤液化4條主要生產鏈。其中，煤焦化、煤電石、煤氣化中的合成氨等屬于傳統煤化工，而煤氣化制醇醚燃料，煤液化、煤氣化制烯烴等則屬于現代新型煤化工領域。目前已成功地開發出對煤種適應性廣、氣化壓力高、生產能力大、氣化效率高、污染少的新一代煤氣化工藝，主要有荷蘭殼牌（Shell）的粉煤氣化工藝、德國克魯伯-考柏斯（Krupp-Koppers）的Prenflo工藝，美國德士古（Texaco）和Destec的水煤漿氣化工藝以及德國黑水泵的GSP工藝等。

煤化工調節閥選用煤化工現階段的主要產業鏈
    產業鏈1：煤制烯烴
    產業鏈2：煤制油
    產業鏈3：碳一化工（主要是甲醇）下游精細化工產品，以醋酸、甲胺及DMF、BDO、DMAC、DMC為代表
    產業鏈4：傳統的合成氨及焦化

煤化工工藝分類

煤化工閥門應用場合
    1）煤漿（粉）輸送，包括水煤漿（間接液化）、油煤漿（直接液化）等
    2）吹灰系統
    3）廢水處理系統
    4）排渣系統

煤化工行業閥門控制介質特點
    1）介質溫度高，輸送溫度zui高可達350℃
    2）氣液固三相流體工況復雜
    3）工作壓力高，壓差可達10Mpa以上，導致介質流速高
    4）介質中含有氯離子、氨、鉀鹽、硫化氫或磷酸等強腐蝕介質

    一、鍋爐裝置區

    煤化工項目的鍋爐給水壓力16Mpa，鍋爐出產的蒸汽基本為9.8Mpa、540℃，大部分用于拖動透平汽輪機，其余部分經過多次減壓后供生產使用。所以鍋爐裝置區，給水控制閥和蒸汽減壓閥非常重要，而且造價*。煤化工行業用閥現狀
    1）煤化工裝置關鍵閥門基本依靠進口，由于進口閥門價格昂貴，使用壽命短，導致頻繁停車，再加上制造廠遠離中國，售后服務不及時，成為煤化工裝置正常運行的“瓶頸”。
    2）以現在的煤化工裝置為例，每運行3-6個月，就需停車檢修。關鍵控制閥沖刷、腐蝕嚴重，不能長周期穩定運行，是制約裝置正常運行的“卡脖子”設備。

    上海申弘閥門有限公司主營閥門有：截止閥,電動截止閥,氣動截止閥,電動蝶閥,氣動蝶閥,殼牌及GSP氣化工藝粉煤氣化爐用煤粉輸送閥是氣化爐前進料送料關鍵設備之一。流體為氣固兩相系統，固相濃度較高，采用普通閥門易引起流動不穩定或堵塞現象，高濃度輸送（40-400kg/h）固體粉料采用氣力輸送，流量操作范圍在50%-120%。公司針對介質壓力及煤粉流量大小設計有大彎徑單座式角閥及側通徑波紋管密封輸送角閥，供不同工況條件的選擇。
典型工況參數

閥門結構特點
▼采用波紋管及填料雙重密封結構，防止煤粉進入閥桿導向部分，有效防止了閥桿卡死現象的發生；
▼閥桿配有防轉板，有效防止閥芯的旋轉脫開；
▼閥體內腔采用碳化鎢硬質合金襯套或PTA等離子堆焊WC合金，閥芯、閥座采用碳化鎢硬質合金以提高抗沖刷性；
▼流量控制通過閥芯側壁開槽的流量窗口來實現，流通能力大小根據用戶需求設計，同時煤粉沿著錐形閥芯內壁滑下，進入下游管道設備；
▼閥體組件設計氮氣吹掃裝置，以保持煤粉不會沉積在閥體內腔及堵塞波紋管間隙中，同時要求氮氣長期供應，只有在停車時才能停止；
▼進口管道與出口管道夾角120°；

    1、鍋爐給水閥

    用于的控制汽包液位，給水壓力高（16Mpa）溫度高（220℃），對閥體及其內件沖刷極大，閥門選型不當極易產生振動。閥芯結構可用籠式套筒。閥芯與閥桿連接形式要求焊接，不采用螺紋、銷釘和螺栓被帽的形式，避免在高壓沖蝕下閥桿與閥芯脫落。閥門本體材質通常為WC6或CF8M，閥內件材質304或316，閥桿材質可選304、17-4PH（馬氏體不銹鋼，強度*）如選用304，要求有1.5-2倍強度余量。執行機構可選用電動或氣動薄膜式執行機構，考慮到控制安全的需要，要求事故狀態下閥門保持開度。

    2、鍋爐給水泵zui小回流閥

    鍋爐給水泵往往為10級以上的多級泵，進出口壓差極大，為了保證給水泵的安全運行，zui小回流閥是給水泵重要的安全控制附件。由于壓差高達16Mpa，溫度220℃，對閥本體和內件沖蝕極大，控制難度也較大，加之價格較高。許多地方往往采用帶定位器的套筒控制閥代替，通過定位器控制難度大，往往伴隨著振動和沖蝕，使用壽命較短。真正的zui小回流閥為自力式閥門，閥芯須經噴涂碳化鎢處理，閥芯和閥體可堆焊司太立合金。

    3、蒸汽減壓閥

    這里重點介紹9.8Mpa減1.0Mpa的閥門，其他等級的減壓閥國內基本可以滿足生產要求。對于9.8Mpa減1.0Mpa的閥門目前世界范圍內*還是CCI迷宮式套筒減壓閥，雖然多數廠家也可制造生產此種閥門而且有一定的使用業績，但是關鍵核心技術還在套筒的結構和制造工業。CCI采用的迷宮式減壓套筒，此部件目前還是CCI計算和制造的。但是閥桿和閥塞的連接還要避免通過銷釘和螺紋，是整體或焊接方式。注意的是，其他進口品牌，往往可能在閥門進口或出口增加整流或降噪孔板，其實也是起到減壓作用，但這種結構帶來很大的問題，通常此種閥門基本通過焊接方式與管道連接，一旦孔板破損對于整個系統帶來的問題都是致命的，而且在低負荷下，孔板的減壓降噪效果下降極快，基本起不到正常作用。這也是使用選型中需要注意的。

空分裝置區

    空分裝置區基本為低溫閥、氧閥和分子篩再生閥門（機組的閥門單獨說明）

    1、低溫閥門

    目前低溫閥較為成熟，基本國內外均可制造，如福斯、Fisher、山武、koso等，此種閥門填料和閥桿加長處理。閥體及閥內件材料以316為主。

    2、氧氣放空閥

    作為空分裝置氧氣超壓后緊急放空，特點是壓差大，動作速度快，放空量大（取決于氣化的設計負荷）。由于氧氣的特點，對于一般有色金屬。原則上線速度不超過25米/秒（與氧氣純度和壓力都有關系，這里取一個通常值）。所以對于高壓差下的氧氣放空閥，材質一般選擇Inconel625或Menel500以上。由于閥體及內件均采用此種特材，成本非常高。閥門類型可以為：Globe閥、套筒閥和球閥，通常不采用球閥（除了用于切斷作用的閥門）當然主要是價格因素。同時Globe閥、套筒閥也有很好的使用效果。由于壓差較大，在閥門開啟與閉合時，需要執行機構輸出較大的力量，往往執行機構非常大，閥桿也很粗，動作時間較長。這里介紹一種平衡式閥芯，可以克服大壓差下閥門控制。

    3、分子篩純化系統用的三桿閥

    根據分子篩再生的工藝特點：管道通常較粗（一般直徑在900mm以上。大的到1500mm），再生頻次高，介質較為清潔、壓力和溫度適中。對閥門要求零泄漏，可單項密封。對于這樣大口徑管道，通常選用蝶閥，對于泄露的要求，可選用三偏心蝶閥。三桿閥就是一種特殊三偏心形式的蝶閥，轉動軸*偏離中心，類似一種機械人手臂式的結構。動作時，閥板先沿介質流向反方向移動，使閥板與閥座分開，然后翻轉閥板，克服了閥板與閥座的摩擦。典型的閥門是歐賓諾斯的三桿閥，閥門具有防火功能，高溫下，閥座軟密封破壞后，其閥座與閥板形成第二道密封，保證氣體不泄露。概述
    偏心旋轉閥因流通能力強、可調比大、流道簡單、防堵能力強等特點，因此常用于水回收系統的灰水或黑水控制上。根據灰水顆粒成分及壓差，通過現代計算流體軟件（CFD）的模擬分析，設計了低流阻，耐沖刷球芯型面及適應小開度調節的型腔及球芯型面。設計的具有知識產權的三類特殊結構，可以采用PTA等離子堆焊特殊硬質粉末合金、HVOF超音速火焰噴涂技術，也可選用燒結WC技術，大大提高閥內件及閥體的耐沖刷能力，完夠適應更加廣泛的苛刻的使用條件。
典型工況參數

閥門結構特點
    灰水偏心閥具有鍛件閥體結構、鑄件閥體結構兩類，并具備法蘭式及對夾式兩種形式，可實現60°轉角及90°轉角。鍛件閥體可很好的進行超音速噴涂、等離子堆焊等工藝操作，硬化層與基體材料結合力強，適用于固體含量大場合，鑄件閥體易于成型，適宜固體顆粒小、含量少、壓差低的灰水工況。閥芯、閥座可采用等離子堆焊鎳基WC(WESC03)、超音速噴涂WC(WESC01)、整體實體WC等工藝方式。產品結構經過CFD流體分析軟件進行了不同開度下流體參數分析，可有效避免薄弱環節的沖刷。

    煤化工瑣渣、鎖斗閥及沖洗水閥的介質為含用固態礦渣和灰分的高溫渣水，不但對閥體的流道具有較大的沖蝕，對閥門的球體及閥座等動部件及密封面沖蝕和磨蝕更大，要求閥內件必須經過高技術的硬化處理使閥門具有較高的耐磨性能。產品除了考慮硬化材質硬度外，更重要的考慮到硬化工藝，以達到除了硬度指數以外的其它指數達到要求，如：厚度、與基材結合力度、在溫度驟變工況的硬度值及結合力、局部超大壓力因素、局部大顆粒因素。由于集渣和排渣的周期為30分鐘，因此在正常生產中該閥的開關次數頻繁，高壓到低壓，高溫到低溫的交替變化較大，要求閥門除標準產品具有非常好的使用壽命和較高的密封等級外，更要考慮*嚴酷工況的設計和制造，檢測工藝。

閥門結構特點
    1.閥體結構為兩片全通徑、金屬密封固定球式球閥，整體式法蘭。作為固定球的結構，當上游介質超大壓力作用在球體上時，大部分應力會經軸樞及時消解于閥體及管線上，其它作用于閥桿的應力則會消解于閥桿上下軸套，延長閥門的使用壽命，尤其在鎖斗閥的應用上，因開關頻繁，若采用浮動球，則閥桿與閥球連接處容易損壞。由于固定球的密封是靠閥座后的彈簧驅動形式密封面，若介質中含有大量的顆粒，這些顆粒若卡在閥球與閥座間，固定球結構可避免閥門被卡死的現象。
    2.閥座后采用彈簧壓載，進一步加強密封作用，即使在小壓差工況下，確保足夠的密封比壓。閥球所承受的介質壓力并不作用在閥座上，即閥座不承受支撐閥球的作用，延長了閥座的壽命。
    3.閥座密封特點：

      1）球閥為雙向金屬密封，密封等級滿足ANSI FCI 70-2 CLASS VI標準；
      2）閥座采用與閥球同樣的硬化工藝，其平均硬度達到63HRC，閥座后采用碟型合金彈簧助力，在確保密封性能的同時能避免彈簧前后聚集顆粒異物，同時也避免了柱狀彈簧由于腐蝕或進入顆粒而發生推力不均勻，使閥門發生泄漏。
      3）金屬閥座特殊刮刀設計（Scraper action），閥座采用特殊的刮刀環設計，閥門動作時，能刮擦沾粘在閥球上的顆粒介質，避免異物刮傷密封面，同時鋒利的邊緣可對結焦或結塊，體積較大的煤渣切斷。閥座后部設計成尾翼式，使閥座后不會存留介質；
      4）閥座、閥球經過數控設備的配對研磨，除確保精密的密封面外，在閥球表面產生大于閥座面積的相應密封面，提高密封面的使用壽命；
      5）關于閥門安裝方式對閥座的影響。由于鎖斗閥采用垂直安裝，對于固定球結構，閥球所承受的介質壓力及閥自重作用力對閥座產生的影響較小，在垂直安裝的時候，建議執行器加有支撐，但閥球及執行機構的自重及閥門開動、關閉時產生的側向沖擊力仍然會作用在閥軸上，閥門閥桿上下均有保護軸樞護套，從而消除了作用在閥桿上的不平衡力，避免閥桿填料承壓受到破壞，也避免因閥桿受不平衡力增大撓度而導致扭矩增大，直至閥門無法打開。
    4.閥桿的密封特點：
      1）閥桿密封為雙層密封設計，閥桿上下均有軸套，避免顆粒介質進入填料，彈簧加載閥桿密封填料盒，自動補償由于介質溫度壓力變化引起的閥桿密封比壓的變化。
      2）閥桿對外泄露等級遠遠超過TA-LUFT(VDI 2440LAST EDITION)，以及EPA對外排放標準。閥桿采用防噴本質安全設計，并帶有防靜電環。
    5.材料選擇及硬化處理方式：
      鎖渣閥和沖洗水閥門閥體采用鍛造低溫碳鋼，ASTM標準為：ASTM A350 LF2材料各種指標遠優于普通鑄造閥體ASTM A216 WCB，相比鑄件而言，閥體缺陷少，同時閥門的力學延展性好，能充分克服因閥門頻繁動作而產生的應力沖擊。閥球、閥座、閥桿采用雙相鋼，同時閥體與閥球及閥桿均為鍛件，整體閥內件的熱膨脹系數相近，同時根據具體工況參數，進行了相應特殊部件間膨脹間隙計算，在此基礎上進行精密的機加工，有效防止了在高、低溫和高低壓變化的情況下閥門抱死的現象。閥腔內壁與閥座接觸部分焊接雙相鋼耐磨層，閥體流道內部安裝可更換耐磨襯套，襯套整體雙相鋼材質，無須拆卸工具，可有效耐受煤氣化熱爐渣的沖蝕、磨蝕和腐蝕。閥桿采用雙相鋼，閥球、閥座和閥桿采用碳化鎢涂層硬化處理。閥球、閥座和閥桿材質選用雙相鋼，材料代號為X2 CiNiMoN 2252,ASTM 標準ASTM A582 Gr.430F。在雙相鋼基材上進行硬化處理。

結構原理
    本控制閥主要有耐磨球閥和執行機構（氣動、電動、電液動）兩大部件組成。在執行機構的驅動下形成閥門開啟或關閉的動作原理，耐磨球閥的結構及原理如下：
    1.耐磨球閥主要有左右對開閥體、閥座、閥芯部件、閥座壓圈、定位軸套、閥座填料函和自動吹掃裝置等零部件組成。其特征在于：左閥體和右閥體組成對開始結構；整體閥芯部件由球體與閥桿及導柱一體化組成，不但保證了同心度而且消除了閥桿與球體的連接的間隙誤差。
    2.采用固定球、浮動閥座，左右閥體內設填料函實現閥座密封。利用閥座壓圈可調、碟簧彈力補償原理和填料自身回彈率，使閥座緊貼球體，達到無間隙，防止雜質進入密封副，并實現萬向自由活動與密封要求。提高密封副的密封效果并減少了磨損，延長了閥門的使用壽命。
    3.耐磨球體表面與閥座密封采用新材料、新工藝，材料用鎳、鉻基合金噴焊熔接密封面，厚度不小于1mm，從而提高了密封面硬度（可達HRC68-72），達到耐磨、耐腐蝕、耐沖刷性。
    4.設計*自動吹掃裝置，它與閥門開/關形成過程中同步實現自動吹掃功能，不需要其他控制元件。閥座處設有彈性刮渣機構，閥芯轉動時將沉積在球體表面的雜志清理，保持球體無粘著；與劃傷現象，減少泄露，提高閥門的使用壽命。
    綜上所述，本閥密封副的密封面采用鎳-鈷基合金熔焊層，具有耐高溫、耐腐蝕、耐沖刷等性能。閥座內含填料采用鍥形增加機構調整，使填料的壓緊力受到控制。浮動閥座在碟簧的作用下實現萬向浮動或擺動，此密封的設計合理*，無論閥門在低壓、高壓、真空及高溫下都能良好的實現密封。閥門設置自動吹掃系統，解決了閥門在啟閉時介質易進入密封副的難題，減少密封副的磨損，延長閥門的使用壽命。該閥特別適用于焦化、煤粉等嚴苛工況的工業自動控制。
    該閥門也可根據特殊工況，閥體與球體流道采用鑲內襯套的方式，有效地增強了閥門的抗磨損性。

插板閥CB643

    CB643氣動插板閥主要應用于煤化工煤粉原料的氣體輸送和反應尾氣的回收工藝管線上，同時也可應用于其他泄露要求不高的顆粒狀物料傳送、環保工藝管線等場合使用。

閥門結構特點
    1.閥體部件采用板材、管材、型材等原材料進行焊接加工，便于采購、組織生產；
    2.閥板采用碳鋼板或不銹鋼加鍍鉻，提高表面硬度。氮氣吹掃、導流槽設計；
    3.閥體多級填料密封機構設計；
    4.金屬閥座全接觸密封，提高泄露等級；
    5.采用外置安裝行程開關，可有效提高開、關信號控制，便于安裝、更換和維修。

    三、氣化裝置

    氣化裝置zui為復雜，也是煤化工的核心裝置，此裝置使用的閥門種類繁多而且要求非?？量蹋瑫r又與氣化爐的形式有很大關系。目前氣化爐有德士古、GSP及四噴嘴水煤漿爐。

    1、煤漿及煤粉系統

    煤漿做原料的控制系統，煤漿作為輸送和流量調節設備，閥門起到控制煤漿的循環和切斷。根據煤漿的特點，為球閥，雙向硬密封固定球，內件可選316及以上材質，可做滲氮及堆焊司太立合金進行硬化處理；

    煤粉做原料的控制系統較為復雜，而且由于煤粉產生的磨損效果較為嚴重，當然根據9大類閥門的特點，球閥依然是，雙向硬密封固定球，內件可選316及以上材質，可做滲氮、堆焊司太立合金進行硬化處理甚至噴涂碳化鎢。這里要強調幾點：1、閥門的軸承選擇上，盡量保證軸承密封效果，避免煤粉進入軸承對其造成磨損加速閥門損壞2、閥座蝶型彈簧材質上的選擇，建議選擇高速鋼如：SKH-23；3、閥門安裝時應對執行機構安裝支架或吊架避免執行太重對閥桿及軸承的影響。這三點注意同樣適用于氣化鎖渣閥，而且選型情況與鎖渣閥基本一樣。這里推薦兩種閥型供參考，可能效果會更好。1、軌道球閥，也就是所謂彈性球球閥。需要注意的就是軌道球閥需要考慮物料對軸承和閥桿及執行機構的影響，這里在密封上需要進行處理；2、盤閥，聽說有一定的使用業績，并且效果也不錯，但選擇需要選擇雙向密封，同樣需要考慮對閥桿及執行機構的密封的問題。

    2、鎖渣閥

    與上面煤粉系統選擇的球閥一致，不再重復。

    四、合成及后續其他裝置

    甲醇合成及后續其他裝置閥門選型基本遵循了閥門選用的基本要求，根據工藝的特點，需要注意和關注的1、溫度，低溫閥門材料選型注意使用304L或316L；2、腐蝕介質如含硫化氫的，除316L外可高選317L或雙相鋼材質；3、對于含毒性大或有強刺激的介質可選用波紋管密封型式；4、氣體法生產聚丙烯，需要高頻閥門，開關次數多，目前只有少數幾家產品業績較好，選型中需要注意。

    綜述，目前閥門基本分為九大類：1、單座閥2、雙座閥3、角閥4、隔膜閥5、球閥6、蝶閥7、套筒閥8、偏心旋轉閥9三通閥。根據閥門自身的特點，根據工藝不同的要求和介質的特點進行選擇，優化。當然還有許多閥門屬于從九大類中衍生出來的，如插板閥和盤閥屬于蝶閥類，旋塞閥屬于球閥類，換向閥屬于三通閥門類等。在閥門選型上，除了注意閥門的類型和材料外，閥門附件同樣非常重要，執行機構、定位器和空氣減壓原件、閥位反饋原件等，由于篇幅的問題不再一一敘述。與本文相關的產品有： 化工過濾器使用及維護