煤化工黑水系统工艺以及阀门应用

我国的能源结构决定了在未来相当长的一段时间内，能源仍是以煤炭为主。而煤炭资源的清洁高效利用则是需要更加深化推进的发展方向。煤化工是指以煤为原料，经化学加工使煤转化为气体、液体和固体燃料以及化学品的过程。主要包括煤的气化、液化、干馏，以及焦油加工和电石乙炔化工等。其工艺固有的介质高温、高流速、高压差、高腐蚀性、流体高含固量等工艺特点，对阀门的工况适应性以及整体寿命等提出了严峻的挑战。尤其煤化工行业里气化炉黑水、灰水等严苛工况的介质中含有较高硬度及含量的固态颗粒、腐蚀性组分，对调节阀耐腐蚀、抗冲刷性能及整体寿命要求越来越高，所以这类严苛工况的阀门提高耐腐蚀抗冲刷性能，延长平均无故障周期和整体寿命成为了煤化工工业调节阀急需突破的难题。黑水处理是煤化工中最重要的环节之一。该步骤主要是将合成气洗涤废水和液渣水浴后的废水，回收并重新循环使用，保证粗合成气质量合格。因此，黑水处理系统能否高效、稳定运行，制约着煤气化生产的稳定和长周期运行。什么是黑水黑水是从气化炉、水洗塔、渣池排除的冲洗水，灰水是黑水经闪蒸、过滤、澄清后形成的水，大部分灰水经脱氧处理后循环使用。黑水介质中的固体含量大且硬度比较高（一般在1000ppm以上），当黑水介质中固体悬浮物的浓度很高时，固体悬浮物会诱发黑水中的碳酸钙等结晶，从而堵塞管道及阀门的通道。煤化工黑水主要指煤气化系统形成的带有煤渣的固、液混合物，混合物中大部分是液体。黑水介质具有高悬浮物、高温、高碱、高硬度等特点，且含有氨、氯离子、硫化氢、磷酸等强腐蚀介质，同时还有气化反应所产生的高硬度的固体颗粒，固体颗粒的含量最多可达到4%。固体颗粒沉积后经常堵塞阀门节流口处，在节流口处流体混杂着硬度较高的固体颗粒高速运动，所以对阀芯、阀座等阀门工艺介绍黑水处理是将来自激冷罐、湿洗塔和除渣系统的废水和系统的雨水污水等回收处理再循环利用的水处理系统。主要包括合成气洗涤系统、锁斗系统，合成气初步净化单元和黑水处理系统4个部分。整个工艺就是来自气化炉激冷室、旋风分离器及水洗塔底部的高温黑水送往蒸发热水塔闪蒸并与洗涤灰水换热，同时使部分酸性气体解析，底部浓缩黑水经过低压、真空闪蒸进一步得到浓缩，经过澄清槽及灰水池分离出细渣和澄清灰水循环使用，部分灰水作为废水排放。合成气洗涤系统自气化炉出来的饱和合成气进入文丘里洗涤器，在这里与激冷水泵送来的黑水混合，使合成气夹带的固体颗粒完全湿润，以便在洗涤塔内能尽可能的完全沉降。工况用于送入文丘里洗涤器的黑水量调节阀，阀前压力5.0MPa，阀后压力4.65MPa，黑水温度220℃，黑水含固质量分数0.3%～1.0%。在生产使用中，阀门检修频率高，每3～4个月检修1次，6～8个月更换阀内件，主要体现在密封面冲刷、阀体腐蚀、冲刷严重。锁斗系统锁斗系统一般分为：泄压、清洗、排渣、充压、收渣5各阶段。由锁斗程序自动控制，循环时间一般为30分钟。通常气化炉内气化压力在2.7~8.5MPa，而渣池通大气，要想将炉内的灰渣排到渣池，应把介质的压力减至常压。当1、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，锁斗与渣池处于一个系统，压力相等，此时可以将锁斗内的黑水排入渣池。工况在整个过程运行中工艺介质一般为固体颗粒含量为20%的渣水混合物，混合物中固体颗粒直径在3~50mm之间。阀门入口压力范围在4.4~8.4MPa区间，温度范围在140~260℃区间。由于工况的特殊性所以此装置系统的阀门设计不仅要满足具有可靠的耐腐蚀而且要考虑阀门具有可靠的耐磨性能。闪蒸系统工艺流程由气化工段排出的黑水，在闪蒸系统里通过两段或三段闪蒸罐的减压和蒸发，释放出大部分气体，之后的黑水送入澄清池除渣和再循环利用。这里我们以三级闪蒸系统为例，黑水分别经过高压闪蒸罐、低压闪蒸罐和真空闪蒸罐的处理。具体工艺流程如下：黑水经减压阀进入高压闪蒸罐，高温液体在罐内突然降压膨胀，闪蒸出水蒸气及二氧化碳、硫化氢等气体。闪蒸气经灰水加热器降温后，水蒸气冷凝成水，在高压闪蒸分离器中分离出来，送到洗涤塔给料槽。黑水经高压闪蒸后固体含量有所增高，然后送到低压灰浆闪蒸罐，进行第二级减压膨胀，闪蒸气进入洗涤塔给料槽，其中的水蒸气冷凝，黑水被进一步浓缩后，送到真空闪蒸罐，在负压下蒸出酸性气体及水蒸气。从真空闪蒸罐底部排出的黑水，含固体量约为1%，用沉淀给料泵送到沉淀池。工况工艺流程中涉及的调节阀都是黑水调节阀。黑水中含有Cl-、H2S等强腐蚀性介质，会对阀门造成侵蚀。同时流体中还含有大量的硬质颗粒，其质量分数最高能达到30%。这些固体颗粒在流经调节阀时，很容易堆积在阀门内部，阻塞其流路，从而会影响到调节阀的调节性能，而且当流体流过节流断面时，还有可能产生气液两项共存的状态，即发生闪蒸现象，这对阀芯和阀体造成了很大的危害。渣水处理系统工艺经三级闪蒸单元初步处理后的黑水，加入适量絮凝剂混合搅拌后进入澄清槽，在絮凝作用下，黑水中细小固体颗粒聚集，并在重力作用下自然沉降，再经灰浆槽底流泵送真空带式过滤机吸附过滤掉水分，形成滤饼排出界外，而滤液经收集后用滤液泵送回澄清槽。澄清槽澄清后的上清液溢流进入灰水槽，经泵送至其他系统循环利用。为了防止氯离子等物质的累积腐蚀管道，同时也保证水质，部分灰水外排到后序水处理工序。工况渣水系统的工况特点为温度高、压差高、流速高等，且介质在逐级减压时容易发生闪蒸，所以系统中所使用的装置失效的风险很大。目前，煤化工系统气化和渣水处理装置的耐磨球阀在使用过程中经常出现严重的密封件磨损，阀体及阀座流道冲蚀、气蚀和阀门卡塞等故障。阀门用于黑水系统中出现的问题在黑水处理系统中，介质主要为高温黑水、灰水和渣水，黑水温度可达到240℃左右，最大压差可达到6.0MPa，工况具有高压差、强冲刷、强腐蚀、介质为固液气三相流等特点。阀门使用环境极为恶劣，黑水、灰水及渣水中含有氯离子、硫化氢或磷酸等强腐蚀介质，并含有大量固体颗粒。阀门在使用中不但要承受阀门压力降引起的高流速煤灰颗粒的冲刷，还要耐受闪蒸溶解的气蚀、黑水汽化引起的腐蚀。阀门卡涩和外漏阀门在开关调节过程中硬质固体颗粒进入阀杆与填料的间隙处，经长期运行后引起颗粒堆积甚至结垢而将阀杆卡住，导致阀杆输出力不足，引起阀门卡涩。并且填料被硬质固体颗粒破坏后极易出现外漏现象。冲蚀和气蚀从黑水液固两相流经角阀减压后的流动状态分析，介质对阀内件主要产生冲蚀和气蚀破坏。在节流口处，根据伯努利方程，静压能转变为动能，其流速急剧增加(流动状态为湍流)。夹杂在黑水中的硬质颗粒(SiO2等)以切削、犁沟和刺入的方式对阀内件进行高速冲刷形成冲蚀。在节流口处静压能最低，若缩截面处的压力等于或小于该液体入口温度下的饱和蒸汽压时部分气体将气化，使阀后形成气、固、液这三相流共存的现象，出现闪蒸，继而压力恢复至高于饱和蒸汽压时气泡破裂，形成气蚀使阀内流道的内表面形成蜂窝状的小孔。在冲蚀和气蚀的双重作用下，阀内件采用一般高硬度的耐磨材料或表面硬化工艺的话，很难满足工况要求。阀门内漏由于多相流中含有高浓度的固体颗粒，在流体的加速作用下，颗粒会持续冲击固体壁面，导致阀芯和缓冲罐底部区域出现严重的磨损，最后造成阀门内漏，密封失效。目前，高压黑水阀门的寿命仅为4~6个月，且缓冲罐底部的减薄十分严重，装置的运行和检维修成本很高。阀体穿孔在黑水处理系统中，多使用角阀，然而介质在阀腔拐点和出口缩径处流速极高，黑水中的硬质悬浮固体颗粒对阀腔造成严重的冲蚀破坏。出口法兰与管道筒体连接处内壁厚度不均匀，而该结构在铸造时很容易引起厚度突变，容易产生砂眼和裂纹等缺陷，在该恶劣的工况下，阀体容易出现穿孔。陶瓷阀门应用在黑水介质位置的优势材料优势材料硬度结构陶瓷具有良好的抗磨耗性和较低的动、静摩擦系数，因为他的结构致密且硬度高，不容易在常温下发生塑性变形。他的硬度通常都高于工业上的常用合金材料，近年来，陶瓷材料在工业行业得到了广泛应用。耐磨性陶瓷材料突出的优点之一就是耐磨性，将陶瓷作为耐磨材料是耐磨技术的发展趋势但是陶瓷的抗冲蚀性能不仅与组分及纯度有关，也与其制备工艺密切相关。例如：纯度为100%的氧化铝陶瓷的耐磨性比95%~98%的氧化铝陶瓷高1.5倍，比纯度为70%的氧化铝陶瓷高10倍。因此，在冲蚀磨损条件下选用陶瓷材料时，应选择高致密度和高纯的陶瓷。有实验表明，在相同的冲蚀条件下，结构陶瓷的抗冲蚀磨损能力比钨铬钴合金高2~10倍。材料韧性陶瓷是脆性材料，弯曲或拉伸时，裂纹一旦产生，极易断裂。陶瓷的高温力学性能、抗化学侵蚀能力、耐磨性、电绝缘性等均优于金属材料，但其脆性限制了它的使用。目前改善陶瓷材料脆性、增加韧性的方法有以下几种：通过晶须或纤维增韧；异相弥散强化增韧氧化锆相变增韧显微结构增韧表面强化增韧复合增韧耐腐蚀性材料的腐蚀可以分为化学腐蚀和物理复试，结构陶瓷的耐腐蚀性表现在高温时不会被氧化，可在高温下连续工作上小时不会损坏，几乎可以耐受除氢氟酸以外的无机酸的腐蚀。而且，许多陶瓷材料能够抵抗熔融金属的高温侵蚀，成为熔炼各种金属材料的坩埚材料。陶瓷材料的腐蚀行为相对于金属材料虽然轻得多，因此，在很多恶劣的腐蚀工况中，常常会选用以陶瓷为材料的工业设备。结构优势陶瓷球阀陶瓷球阀的结构与普通金属球阀相同，但阀球和阀座的材料被结构陶瓷材料所代替。由于陶瓷材料具有良好的优越性，陶瓷阀门在腐蚀磨损方面可以替代普通的金属阀门。阀球与阀座之间密封保证了陶瓷阀门的密封性能。在高腐蚀和强腐蚀的介质中，阀内件承受的腐蚀和冲击最大，将陶瓷材料作为阀内件，就可以很好地避免阀内件的腐蚀与磨损，并且，使得介质不会与阀体直接接触，有效的延长了阀门的使用寿命。对于切断阀，其流道与球芯多为O型，对流体进行开关控制，气动型陶瓷球阀由限位器、电磁阀、过滤减压阀、陶瓷球阀、气路等构成。进口陶瓷开关球阀，O型球芯与阀座密封面粗造度可以达到小于0.1μm，陶瓷球芯与阀座之间密封等级可以实现高于金属球阀。另外，陶瓷球芯与阀座有自研磨性，启闭扭矩小，高抗腐蚀性能等优点。内衬陶瓷流道与阀体之间的金属部分完全隔离，针对应用腐蚀性与纯度要求高的介质工况等，具有良好的表现。对于调节阀，多选用进口V型球阀，其中，电动V型陶瓷调节球阀由电动执行机构与V型球阀二部分组成，阀芯选用优质陶瓷。V型开口球体与阀座之间具有剪切作用，当介质中含有纤维或固体颗粒时，球体不会卡死，仍保证良好的密封性。阀芯采用优质陶瓷，有较高的抗磨蚀性能，阀座保护环可防止流体直接冲刷阀座，延长阀座寿命。目前常用的进口陶瓷球阀品牌有：Samson旗下的cerasystem、美国flowserve、美国GE旗下的masonielian、芬兰metso、美国SSZ。陶瓷偏心旋转阀偏心旋转阀是一个偏心转动的扇形球阀，利用偏心球面与阀座相切，打开时，阀芯脱离阀座，关闭时，阀芯逐步接触阀座，从而阀芯对阀座产生压紧力，达到可靠密封。通常阀芯和阀座会选用陶瓷材料，有效的避免了阀门在运转的过程中被介质中的颗粒物或结晶物质卡死的情况。具有结构简单，经济实用的特点，同时具有较大的调节范围和良好的控制精度。整体式阀体的设计，消除了潜在的泄漏通道，可以有效地抵抗管道应力。黑水对阀门的腐蚀与磨损进口结构陶瓷具有良好的化学稳定性，几乎不与强酸强碱发生反应，而且具有较高的硬度，能抵御高硬度颗粒物介质的磨蚀。这些优良的化学与物理特性，保证了进口陶瓷球阀不仅能有效的抵抗强烈的腐蚀，而且在恶劣工况中能保持阀门的内部结构不因磨损损坏导致阀门开关失效，出现内漏和外漏的情况。阀门使用寿命短进口陶瓷阀门的使用寿命能达到金属阀门的6~8倍，减少了现场停机和阀门更换的次数，不仅提高了生产效率，而且还降低了人工维护的次数和成本，有效地延长了阀门的使用寿命。检修成本高进口陶瓷阀采用进口结构陶瓷材料制作阀门的密封部件和易损部件，提高了阀门产品的耐磨性、防腐性及密封性，大大延长了阀门的使用寿命。进口陶瓷阀门的使用可以大大降低现场的维修更换次数，提高配套设备运行系统的安全性、稳定性，节约设备修理费用。了解更多公