浅谈新型水煤浆气化炉控制阀的特殊要求
新型多喷嘴对置式水煤浆气化技术是兖矿集团有限公司与华东理工大学在消化、吸收德士古水煤浆气化技术的基础上成功开发出具有自主知识产权的先进技术，该技术是世界上最先进的气流床煤气化技术之一。在生产操作控制过程中，控制阀起着十分重要的作用，针对气化高温、高压、易燃易爆、反应剧烈、炉渣冲刷等特殊工况，选择合适的、高质量的氧气、煤浆、炉渣控制阀门用于生产操作、联锁控制过程中，达到安全、稳定控制温度、压力、流量工艺操作条件。着重介绍控制阀在新型水煤浆气化系统中的特殊要求及成功应用。
1、引言
中国“863”国家重点科技攻关项目——“多喷嘴对置式水煤浆气化炉装置”(下文简称气化炉)，由华东理工大学和天辰化学工程公司联合设计开发，在兖矿国泰化工有限公司实现工业化生产使用，标志着中国的煤气化技术进入了国际先进行列。新型气化炉不但节煤、节氧，而且转化率高，又不污染环境，生产控制方便，已在国内迅速推广。
气化炉内的燃烧压力4.0~6.3MPa，温度1100~1300℃，是一个高温高压燃烧罐，是高度危险的装置，一旦发生意外事故，后果不堪设想，所以它的安全可靠性是第一位的；其次，为维持正常的燃烧状态，要求喷入的水煤浆流量和混入的氧气流量必须匹配，否则有可能煤粉燃烧不完全或产生无用气体，氧气过量时有可能发生爆炸，因此要求自控系统的控制精度高、稳定性好；第三，气化炉是连续工作的装置，必须有相当长的使用周期。由于气化炉装置以上特点，相应地对它的附属设备和相关控制仪表也提出了很多技术要求，控制阀直接控制生产介质，必须具有特殊结构适合气化工况使用，对几个典型的控制阀介绍如下。
2、氧气切断阀和氧气流量控制阀
气化炉内高压高速地燃烧，大量的氧气进入，为保证正常的燃烧状态，确保气化炉的安全，必须严格调节控制氧气的流量，快速无泄漏的地切断氧气，由于对调节和切断2个功能的要求都很高，所以通常用3个控制阀来完成，即氧气流量控制阀、氧气切断阀、氧气放空阀，统称氧气阀。与一般工业过程控制阀相比，对气化炉用氧气阀有几个特殊要求：
a)高压差。氧气切断阀的关闭压差最高，达5.0~7.0MPa，如此高的压差条件下同时要求其泄漏等级达到Ö级，一般控制阀是很难达到的，只有用O形球阀。由于高压差作用，球体承受的侧向推力很大，所以采用固定球结构，由上下轴承来承受推力，大大减小球体表面与阀座之间的摩擦力矩。氧气流量控制阀主要是精确地调节流量，要求它具有良好的流量特性;其次是关闭时的切断性能，泄漏等级为Ö级，所以一般选用套筒型控制阀。
b)材料。高压氧气在阀内高速流动，可能与零件发生摩擦，产生热量，如碰到碳化物可能发生爆炸事故;因此凡与氧气流束接触的零件不能用碳钢制造;应用镍基合金(Inconel合金)或超低碳的奥氏体不锈钢(如316L，304L)，结合现场工况的差异，阀体材质选用MONEL材质，阀芯、阀座材质选用MONEL400/ALLY6号材质，为避免阀杆长期处于一个开度不变而垢死，阀杆选用K500材质。
c)工艺要求。凡接触氧气的零件必须除水、除油，确保干净清洁。因高压氧气在阀内流速为20~30m/s，若碰到毛刺、凹槽、凸肩等发生高速摩擦，因此流道内壁和阀内件的几何形状应圆滑过渡，表面光滑，所以在设计、加工、装配、试验、运输等环节，都制定严格的工艺规程，确保达到预定技术要求。因此，氧气阀的特殊要求在于材料和工艺。
由于高压氧气的易爆特性，氧气阀本身是一个易爆的危险装置;为确保安全，在选用氧气阀的公称压力时要提高2个压力等级，如气化炉的压力为6.3MPa，那么阀门的公称压力要求选PN160(ANSIClass900)。
3、煤浆切断阀和煤浆灰水控制阀
水煤浆是液相和固体粉末二相的混合介质，在阀芯与阀座之间形成的环形节流口形成很高的流速。它面临着3个问题：煤浆在阀门的节流口达到相当高的流速，由于煤浆有一定硬度，因此其冲蚀的破坏力很大;煤浆也会淤积、堵塞阀腔，所以要求阀内流道通畅无死角;煤浆很细，能渗入阀芯导向间隙，可能导致阀芯卡死。煤浆有一定的附着黏结力，在阀芯阀座的密封面上形成积垢，影响阀门全关时的泄漏等级，所以要求控制阀能自动清除这些积垢。所以对灰水阀也有3个特殊要求：耐冲蚀、防堵塞、自清洗。灰水几乎没有腐蚀性，所以阀体、阀盖可用碳钢材料，阀芯、阀座等基体材料用一般的奥氏体不锈钢，其表面热敷一层耐冲蚀的硬质合金即可;灰水形成的积垢，其附着力小于结焦层，所以不必配用大力矩的执行机构。
根据以上情况，灰水控制阀一般选用耐冲蚀型偏心旋转控制阀，这种阀的阀体内腔近似一个圆筒，通畅无死角，煤灰无法在其中屯积。其阀芯作旋转运动，在二侧的导套间隙中，灰渣很难渗入内部，即使形成积垢，因附着力不强，阀芯旋转时容易被挤碎;另外，阀芯关闭时，当它碰到阀座密封面后，由于结构的原因、阀芯与阀座有一个相对运动，能把密封面上的积垢磨碎掉，所以有自清洗功能。选用这种控制阀还有一个重要原因，它体积小、质量轻、安装方便;同口径的阀，其质量只有角形控制阀的三分之一左右，加上阀体、阀盖等零件可用碳钢，价格也便宜很多。由于气化炉中煤浆燃烧速率与其他系统的反应速率有关，还与供氧、冷却等相关，为保持稳定的燃烧状态，它在不断地调节煤浆的流量，因此要求相当高的调节精度，通常选用等百分比流量特性。
4、锁渣阀
锁渣阀工艺介质为渣水，含渣量20%，有腐蚀性、挥发性;冲洗水阀介质为灰水;动作频率每小时开关4次。选用球阀，阀体采用碳钢加流道堆焊Stellite(斯特立)合金;阀杆应采用防喷杆结构设计，材质1Cr13锻件，镀Ni，P;阀球采用固定球，密封面及流道口堆焊Stellite合金，阀球唇口堆焊斯特立合金厚度不低于12mm，球整体喷涂或堆焊硬质合金;阀座为316堆焊Stellite合金，堆焊层加工后不小于1mm，阀座后弹簧材质为Inconel750，阀座后须有防砂结构，防止灰渣进入弹簧后造成弹簧失灵，阀腔有自动卸压功能，当阀门关闭后，阀腔内压力高于关闭压力时，能自动卸压至压力低的一侧。填料采用柔性石墨(带润滑)。硬度要求为阀座HRC5254，阀球HRC5862。执行机构的选择具有足够的裕量，开关次数为100万次无故障;采用双缸双作用连杆传动机构，在额定气源压力为0.45MPa时，力矩值在30~50kN•m之间;当切断球阀被某种原因卡死时，气源压力升高，气缸能承受不小于0.12MPa的气源压力;阀杆也不会被扭断或变形。锁渣阀选用双向硬密封球阀、阀球与阀座硬化处理、三段式固定球结构，浮动阀座，确保了气化定时排渣、安全联锁运行。
5、合成气蝶阀
气化炉出口合成气流量大，动作快，泄漏等级要求高，因此使用蝶阀进行流量控制，蝶阀特点是气动执行器力距大，表面经阳极氧化处理，齿轮齿条结构，正常使用寿命可达100万次;阀体、阀板、阀轴同心结构设计，100%双向气Ⅵ级密封;无支架外型结构紧凑，质量轻，体积小。采用无销连接，维护简便易行;无靠背设计保证了阀门安装完毕后不增加扭距。蝶板为进口高性能喷涂板，比普通板更加耐磨，寿命更长，流量特性优良。
结合使用经验选用三偏心蝶阀，三偏心蝶阀结构特征为在双偏心的阀杆轴心位置偏心的同时使蝶板密封面的圆锥型轴线偏斜于本体圆柱轴线，经过第三次偏心后蝶板的密封断面不再是圆，而是椭圆，其密封面形状也因此而不对称，一边倾斜于本体中心线，另一边则平行于本体中心线。第三次偏心的最大特点就是从根本上改变了密封构造、不再是位置密封、而是扭力密封、即不是依靠阀座的弹性变形，而是完全用阀座的接触面压来达到密封效果，因此一举解决了金属阀座零泄漏这一难题，并因接触面压与介质压力是成正比的、耐高压高温也迎刃而解。
6、 黑水调节阀
气化炉燃烧生成的原料气和煤灰从下部分别排出，经喷淋水冷却后，大部分煤灰沉入锁斗后被排出;但冷却水中仍含有相当多的煤灰，所以从气化炉排出的冷却水俗称黑水，它经控制阀调节后进入下一道工艺，一般加热到250℃左右，此时煤粉中很多化学成分开始分解并与水发生化学反应，形成多种腐蚀性极强的物质，因此控制阀的阀体、阀盖和与热煤浆接触的所有零件必须采用抗腐蚀材料，特别是阀体、阀盖，不能用一般的奥氏体不锈钢，而是用铁素体奥氏体双相结晶的不锈钢，它不仅有极强的耐腐蚀性，而且它的机械强度比奥氏体不锈钢高出一倍以上。
根据这项技术特性要求，在众多的结构型式中，角形控制阀比较符合要求，单座结构的角形控制阀其阀芯用顶部导向结构，阀芯柄与导套之间有一定的间隙，虽然它处于主流束的上方，但是黑水不可避免地要渗入导向的间隙中，一旦停车，就在间隙中形成结焦薄膜层，有很强的附着力;当再启动时，往往阀芯被卡死。为防止卡死，在阀芯的导向段设计铲除结构，而且铲下的结焦粉末能通过逃逸槽自行排出，就是说这种控制阀同样具有自清洗能力。因铲除结焦需要很大的推力，因此经常配用大口径的气动活塞式执行机构，其推力远远大于普通的气动薄膜式执行机构;需要时还将几个活塞式执行机构串联使用，其推力可大于150kN。
因此选用单座结构的角形控制阀。因煤粉有较高的硬度，如此高的流速，其冲蚀的破坏力相当强，所以黑水流量控制阀的阀座、阀芯及可能被冲刷到的零件，用抗冲蚀材料加工，或在零件表面热敷一层抗冲蚀材料，这种材料质里紧密，表面硬度大大高于煤粉，必须选用碳化钨(WC)为主的硬质合金。
根据气化炉以上控制阀门的特点，笔者选用了国内外控制阀中的优质产品，目前已成功应用到新型水煤浆气化炉工艺生产中，运行稳定，联锁安全可靠，维修满足了工艺操作过程控制使用。正在设计、建设中的多喷嘴对置式水煤浆气化炉共计27台，另外还有多家公司(包括国外)有采用该技术的意向，标志着中国已完全具备了与国外气化技术竞争的实力，多喷嘴对置式水煤浆气化技术具有其独特优势，市场竞争力强，经济前景非常广阔。经上报的“多喷嘴对置式水煤浆气化装置仪表控制技术开发及工程应用”项目获得2007年度“石油和化工自动化行业科学技术奖”一等奖，这离不开控制阀的选型和应用。
