煤氣化工藝系統文丘里閃蒸角閥/黑水調節閥的技術特性及應用

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黑水調節閥是德士古煤氣化工藝系統中的一種關鍵設備，它主要是應用于氣化工段的閃蒸和水循環系統，主要作用是對氣化爐和碳洗塔排出的黑水進行閃蒸，以便于回收灰水和熱量。黑水調節閥主要是對于在高壓差工況下并且腐蝕性很強的氣、液、固三相流介質進行流量和壓力控制。

在煤化工系統中高壓閃蒸罐、真空閃蒸罐及高閃罐頂分離器等系統設備上的閥門使用工況苛刻，流體介質主要為高溫的黑水、渣水及灰水。黑水、渣水及灰水含有氯離子、氨、鉀鹽、硫化氫或磷酸等強腐蝕介質，并且閥門前后壓差大。在節流口，流體介質混雜著硬質顆粒高速流動，具有強大的動能，閥門的閥芯或閥座等表面很快被沖出流線形的細槽，形成侵蝕，同時有阻塞流發生，高速流體產生閃蒸或空化。在這里可以看到介質在閥腔內的聚泡爆裂過程，會釋放很大的能量，對閥體內部及節流元件等零件產生強力破壞，形成氣蝕。對于閥門性能要求必須達到耐高腐蝕、耐高沖刷和耐高溫度的要求。傳統的工藝管線上主要采用進口的結構形式為偏心旋轉調節閥，其結構耐腐蝕、耐高溫性能好，但是耐沖刷性能差。其閥芯、閥座及閥體流道等噴涂碳化鎢處理，其壽命約為3個月，而國內產品僅僅使用半個月左右。受此影響，裝置運行需要頻繁地更換閥門，既浪費工時又加大了生產成本。

煤化工系統原工藝選擇偏心旋轉調節閥，雖然能夠滿足工藝要求，但是偏心旋轉調節閥的結構型式決定其耐沖刷能力差。傳統的單座閥門允許前后壓差小，無法滿足壓差要求。如果是清潔介質，套筒閥將是最理想的閥門，但是由于介質含有大量固體顆粒的原因無法使用。最終確定特殊種類的單座角式調節閥，既有傳統單座閥的優點，又有套筒閥的耐壓差大和能量沖擊消耗的特點，并且是有清潔作用的高進低出閥門，設計了特殊種類的文丘里黑水調節閥。

結構性能

閥體不僅是閥門主要承壓件，也是所有零件連接安裝的核心零件，并決定著閥門的結構及性能。閥體設計成腰鼓型，并且對閥座和導向套采用了改進后的安裝方式。其優點為①閥體分為上下兩腔，導向套安裝在上下腔隔離面上，從而使導向套大幅下移，解決了高進低出單座閥閥芯的穩定性，避免高頻振動的噪聲及提高了閥芯的壽命。②在上下兩腔的隔離面上設計平衡孔，在導向套上設計平衡槽，不僅達到套筒閥壓力平衡的作用，同時也能使閥芯與導向套實現自清潔，避免閥芯、導向套刮傷和卡塞等問題。③閥體上腔介質不直接流過，僅通過平衡孔對流，不僅介質顆粒減少，而且在靠近上閥蓋與閥體的上腔空間，會形成介質死區，顆粒介質無法流入填料函內，從而保證閥門無外泄漏，避免閥桿與填料在相對運動時刮傷的問題。④閥體下腔為流道，為防止沖蝕，流道表面噴涂碳化鎢，并且下腔設有倒流翼，防止渦流對閥芯及內件的沖蝕。 


閥芯、閥桿、導向套
閥芯是調節流量的關鍵件，也是沖蝕最嚴重的零件之一，對閥芯結構及材料的選擇決定了閥門的性能。而導向套的設計，對閥芯穩定性、調節性及運動性都起決定作用。導向套安裝在上下腔隔離面上，使導向面下移穩定閥芯，克服了傳統文丘里角閥高進低出時的高頻振動、噪聲及調節性能不好問題。在導向套內孔設有凹槽，與隔離面上的孔形成壓力平衡效果。導向套的內孔及暴露在流道區的外圓都經過表面硬化處理，保證內孔的耐磨性能、外圓的抗沖蝕性能。

閥芯采用特殊碳化鎢整體燒結成型（硬度≥89HRA），具有一定的抗沖擊性能和良好的抗腐蝕性能。閥芯與閥桿連接，既保留了閥芯高硬度、高耐磨和抗腐蝕的特性，又使閥芯組件具有了相當韌性，杜絕了閥芯組件脆裂現象發生。在閥芯上設有螺旋導槽，與導向套的凹槽形成刮刀效應，避免了閥芯與導向套間隙沖入顆粒卡塞和刮傷。同時與隔離面的孔形成流動平衡，帶走槽內顆粒，實現自清潔功能。

閥座、文丘里基座、變徑法蘭
閥座、文丘里基座由閥體與變徑法蘭通過螺紋夾緊連接，從而組成閥座部件。閥座的安裝位置與傳統閥座安裝完全不同，其優點是在現場只需將變徑法蘭拆下，即可對閥門進行在線維護。煤化工系統中流體介質對閥芯、閥座及介質出口部位的沖刷和腐蝕特別嚴重，此設計保證了閥門關鍵節流易損件的方便更換，降低用戶的運營成本。閥座及文丘里基座直孔段采用特殊碳化鎢整體燒結后鑲嵌至不銹鋼基材上，在調節過程中閥芯、閥座承受的沖蝕最大，所以通過采用整體特殊碳化鎢合金材料來抵御介質的沖蝕。鑲嵌式結構保證了閥座既有很高的硬度，又有很強的韌性。裸露的流道部分及文丘里管擴散段內孔均采用噴涂碳化鎢，保證了閥座組件的整體性能。

介質在流經閥座時有阻塞流發生，高速流體產生閃蒸、空化，介質在閥腔內的聚泡爆裂過程，會釋放很大的能量，對閥體內部及節流元件等零件產生強力破壞，形成氣蝕。而文丘里基座的設計，減少了壓力恢復時氣泡的數量，降低了氣蝕破壞，使氣蝕盡可能發生在擴散段內，從而保證下游管壁不被破壞，降低下游管件因氣蝕造成的安全隱患。


文丘里黑水調節閥已成功應用在煤化工工藝系統上，它改變了傳統調節閥閥座與閥體的安裝方式，實現了在線安裝和維修等。與傳統的調節閥理念有著非常大的創新，解決了煤化工系統閥門耐高腐蝕、耐高沖刷和耐高溫的難題，保證了煤化工工藝系統的需要，節約了生產成本。文丘里黑水調節閥在其他苛刻工況領域也將有廣泛的應用前景，并會產生良好的經濟效益和社會效益。