我國的能源結構決定了在未來相當長的一段時間內，能源仍是以煤炭為主。而煤炭資源的清潔高效利用則是需要更加深化推進的發展方向。

煤化工是指以煤為原料，經化學加工使煤轉化為氣體、液體和固體燃料以及化學品的過程。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。其工藝固有的介質高溫、高流速、高壓差、高腐蝕性、流體高含固量等工藝特點，對閥門的工況適應性以及整體壽命等提出了嚴峻的挑戰。

黑水處理是煤化工中最重要的環節之一。該步驟主要是將合成氣洗滌廢水和液渣水浴后的廢水，回收并重新循環使用，保證粗合成氣質量合格。介質中含有較高硬度及含量的固態顆粒、腐蝕性組分，對調節閥耐腐蝕、抗沖刷性能及整體壽命要求越來越高，所以這類嚴苛工況的閥門提高耐腐蝕抗沖刷性能，延長平均無故障周期和整體壽命成為了煤化工工業調節閥急需突破的難題。

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。黑水介質具有高懸浮物、高溫、高堿、高硬度等特點，且含有氨、氯離子、硫化氫、磷酸等強腐蝕介質，同時還有氣化反應所產生的高硬度的固體顆粒，固體顆粒的含量最多可達到4%。

固體顆粒沉積后經常堵塞閥門節流口處，在節流口處流體混雜著硬度較高的固體顆粒高速運動，所以對閥芯、閥座等閥門關鍵零部件的沖蝕嚴重。

工藝介紹

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

主要包括合成氣洗滌系統、鎖斗系統，合成氣凈化單元和渣水處理系統4個部分。

整個工藝就是來自氣化爐激冷室、旋風分離器及水洗塔底部的高溫黑水送往蒸發熱水塔閃蒸并與洗滌灰水換熱，同時使部分酸性氣體解析，底部濃縮黑水經過低壓、真空閃蒸進一步得到濃縮，經過澄清槽及灰水池分離出細渣和澄清灰水循環使用，部分灰水作為廢水排放。

合成氣洗滌系統

自氣化爐出來的飽和合成氣進入文丘里洗滌器，在這里與激冷水泵送來的黑水混合，使合成氣夾帶的固體顆粒完全濕潤，以便在洗滌塔內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節閥，閥前壓力5.0MPa，閥后壓力4.65MPa，黑水溫度220℃，黑水含固質量分數0.3%～1.0%。在生產使用中，閥門檢修頻率高，每3～4個月檢修1次，6～8個月更換閥內件，主要體現在密封面沖刷、閥體腐蝕、沖刷嚴重。

鎖斗系統

鎖斗系統一般分為：泄壓、清洗、排渣、充壓、收渣5各階段。由鎖斗程序自動控制，循環時間一般為30分鐘。

通常氣化爐內氣化壓力在 2.7~8.5MPa，而渣池通大氣，要想將爐內的灰渣排到渣池，應把介質的壓力減至常壓。當 1、2號鎖渣閥打開、下鎖閥關閉時，鎖斗與氣化爐處于一個系統，壓力相等，此時可以將氣化爐內的黑水收集到鎖斗；相反當 2 號鎖渣閥關閉，而下鎖閥打開時，鎖斗與渣池處于一個系統，壓力相等，此時可以將鎖斗內的黑水排入渣池。

工況

在整個過程運行中工藝介質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 區間，溫度范圍在140~260℃區間。由于工況的特殊性所以此裝置系統的閥門設計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

由氣化工段排出的黑水，在閃蒸系統里通過兩段或三段閃蒸罐的減壓和蒸發，釋放出大部分氣體，之后的黑水送入澄清池除渣和再循環利用。這里我們以三級閃蒸系統為例，黑水分別經過高壓閃蒸罐、低壓閃蒸罐和真空閃蒸罐的處理。

黑水經減壓閥進入高壓閃蒸罐，高溫液體在罐內突然降壓膨脹，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，送到洗滌塔給料槽。

黑水經高壓閃蒸后固體含量有所增高，然后送到低壓灰漿閃蒸罐，進行第二級減壓膨脹，閃蒸氣進入洗滌塔給料槽，其中的水蒸氣冷凝，黑水被進一步濃縮后，送到真空閃蒸罐，在負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節閥都是黑水調節閥。黑水中含有Cl-、H2S等強腐蝕性介質，會對閥門造成侵蝕。同時流體中還含有大量的硬質顆粒，其質量分數最高能達到30%。這些固體顆粒在流經調節閥時，很容易堆積在閥門內部，阻塞其流路，從而會影響到調節閥的調節性能，而且當流體流過節流斷面時，還有可能產生氣液兩項共存的狀態，即發生閃蒸現象，這對閥芯和閥體造成了很大的危害。

渣水處理系統

經三級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入澄清槽，在絮凝作用下，黑水中細小固體顆粒聚集，并在重力作用下自然沉降，再經灰漿槽底流泵送真空帶式過濾機吸附過濾掉水分，形成濾餅排出界外，而濾液經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入灰水槽，經泵送至其他系統循環利用。為了防止氯離子等物質的累積腐蝕管道，同時也保證水質，部分灰水外排到后序水處理工序。

工況

渣水系統的工況特點為溫度高、壓差高、流速高等，且介質在逐級減壓時容易發生閃蒸，所以系統中所使用的裝置失效的風險很大。目前，煤化工系統氣化和渣水處理裝置的耐磨球閥在使用過程中經常出現嚴重的密封件磨損，閥體及閥座流道沖蝕、氣蝕和閥門卡塞等故障。

閥門在黑水系統中出現的問題

在黑水處理系統中，介質主要為高溫黑水、灰水和渣水，黑水溫度可達到240℃左右，最大壓差可達到6.0MPa，工況具有高壓差、強沖刷、強腐蝕、介質為固液氣三相流等特點。閥門使用環境極為惡劣，黑水、灰水及渣水中含有氯離子、硫化氫或磷酸等強腐蝕介質，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

閥門在開關調節過程中硬質固體顆粒進入閥桿與填料的間隙處，經長期運行后引起顆粒堆積甚至結垢而將閥桿卡住，導致閥桿輸出力不足，引起閥門卡澀。并且填料被硬質固體顆粒破壞后極易出現外漏現象。

沖蝕和氣蝕

從黑水液固兩相流經角閥減壓后的流動狀態分析，介質對閥內件主要產生沖蝕和氣蝕破壞。

在節流口處，根據伯努利方程，靜壓能轉變為動能，其流速急劇增加(。夾雜在黑水中的硬質顆粒(SiO2等)以切削、犁溝和刺入的方式對閥內件進行高速沖刷形成沖蝕。

在節流口處靜壓能最低，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部分氣體將氣化，使閥后形成氣、固、液這三相流共存的現象，出現閃蒸，繼而壓力恢復至高于飽和蒸汽壓時氣泡破裂，形成氣蝕使閥內流道的內表面形成蜂窩狀的小孔。

在沖蝕和氣蝕的雙重作用下，閥內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，顆粒會持續沖擊固體壁面，導致閥芯和緩沖罐底部區域出現嚴重的磨損，最后造成閥門內漏，密封失效。目前，高壓黑水閥門的壽命僅為4~6個月，且緩沖罐底部的減薄十分嚴重，裝置的運行和檢維修成本很高。

閥體穿孔

在黑水處理系統中，多使用角閥，然而介質在閥腔拐點和出口縮徑處流速極高，黑水中的硬質懸浮固體顆粒對閥腔造成嚴重的沖蝕破壞。出口法蘭與管道筒體連接處內壁厚度不均勻，而該結構在鑄造時很容易引起厚度突變，容易產生砂眼和裂紋等缺陷，在該惡劣的工況下，閥體容易出現穿孔。

陶瓷閥門的應用優勢

陶瓷材料優勢

材料硬度

結構陶瓷具有良好的抗磨耗性和較低的動、靜摩擦系數，因為他的結構致密且硬度高，不容易在常溫下發生塑性變形。他的硬度通常都高于工業上的常用合金材料，近年來，陶瓷材料在工業行業得到了廣泛應用。

耐磨性

陶瓷材料突出的優點之一就是耐磨性，將陶瓷作為耐磨材料是耐磨技術的發展趨勢但是陶瓷的抗沖蝕性能不僅與組分及純度有關，也與其制備工藝密切相關。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，應選擇高致密度和高純的陶瓷。

有實驗表明，在相同的沖蝕條件下，結構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，裂紋一旦產生，極易斷裂。陶瓷的高溫力學性能、抗化學侵蝕能力、耐磨性、電絕緣性等均優于金屬材料，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：

通過晶須或纖維增韌；異相彌散強化增韌；氧化鋯相變增韌；顯微結構增韌；表面強化增韌；復合增韌。

耐腐蝕性

材料的腐蝕可以分為化學腐蝕和物理復試，結構陶瓷的耐腐蝕性表現在高溫時不會被氧化，可在高溫下連續工作上小時不會損壞，幾乎可以耐受除氫氟酸以外的無機酸的腐蝕。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，常常會選用以陶瓷為材料的工業設備。

陶瓷閥門結構優勢

陶瓷球閥

陶瓷球閥的結構與普通金屬球閥相同，但閥球和閥座的材料被結構陶瓷材料所代替。由于陶瓷材料具有良好的優越性，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。

在高腐蝕和強腐蝕的介質中，閥內件承受的腐蝕和沖擊最大，將陶瓷材料作為閥內件，就可以很好地避免閥內件的腐蝕與磨損，并且，使得介質不會與閥體直接接觸，有效的延長了閥門的使用壽命。

切斷閥

對于切斷閥，其流道與球芯多為O型，對流體進行開關控制，氣動型陶瓷球閥由限位器、電磁閥、過濾減壓閥、陶瓷球閥、氣路等構成。

進口陶瓷開關球閥，O型球芯與閥座密封面粗造度可以達到小于0.1μm，陶瓷球芯與閥座之間密封等級可以實現高于金屬球閥。另外，陶瓷球芯與閥座有自研磨性，啟閉扭矩小，高抗腐蝕性能等優點。內襯陶瓷流道與閥體之間的金屬部分完全隔離，針對應用腐蝕性與純度要求高的介質工況等，具有良好的表現。

調節閥

對于調節閥，多選用進口V型球閥，其中，電動V型陶瓷調節球閥由電動執行機構與V型球閥二部分組成，閥芯選用優質陶瓷。

V型開口球體與閥座之間具有剪切作用，當介質中含有纖維或固體顆粒時，球體不會卡死，仍保證良好的密封性。閥芯采用優質陶瓷，有較高的抗磨蝕性能，閥座保護環可防止流體直接沖刷閥座，延長閥座壽命。目前常用的進口陶瓷球閥品牌有：Samson旗下的cera system、美國flowserve、美國GE旗下的masonielian、芬蘭metso、美國SSZ。

陶瓷偏心旋轉閥

偏心旋轉閥是一個偏心轉動的扇形球閥，利用偏心球面與閥座相切，打開時，閥芯脫離閥座，關閉時，閥芯逐步接觸閥座，從而閥芯對閥座產生壓緊力，達到可靠密封。通常閥芯和閥座會選用陶瓷材料，有效的避免了閥門在運轉的過程中被介質中的顆粒物或結晶物質卡死的情況。

偏心旋轉閥具有結構簡單，經濟實用的特點，同時具有較大的調節范圍和良好的控制精度。整體式閥體的設計，消除了潛在的泄漏通道，可以有效地抵抗管道應力。

黑水對閥門的腐蝕與磨損

結構陶瓷具有良好的化學穩定性，幾乎不與強酸強堿發生反應，而且具有較高的硬度，能抵御高硬度顆粒物介質的磨蝕。

這些優良的化學與物理特性，保證了陶瓷球閥不僅能有效的抵抗強烈的腐蝕，而且在惡劣工況中能保持閥門的內部結構不因磨損損壞導致閥門開關失效，出現內漏和外漏的情況。

使用壽命短

陶瓷閥門的使用壽命能達到金屬閥門的6~8倍，減少了現場停機和閥門更換的次數，不僅提高了生產效率，而且還降低了人工維護的次數和成本，有效地延長了閥門的使用壽命。

檢修成本高

陶瓷閥采用結構陶瓷材料制作閥門的密封部件和易損部件，提高了閥門產品的耐磨性、防腐性及密封性，大大延長了閥門的使用壽命。

陶瓷閥門的使用可以大大降低現場的維修更換次數，提高配套設備運行系統的安全性、穩定性，節約設備修理費用。

 

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