賈國華 張 劍
(1.國能包頭煤化工有限責任公司;2.天華化工機械及自動化研究設計院有限公司)
某煤制烯烴生產(chǎn)廠的氣化裝置采用德士古氣化爐水煤漿加壓氣化技術(shù),該氣化爐只設計有一個燒嘴, 在磨煤單元配置好的60%的水煤漿和從空分來的高壓氧氣同時經(jīng)過此燒嘴進入氣化爐燃燒,爐膛的燃燒溫度控制在1 100~1 300 ℃,此過程為不完全燃燒反應,燃燒反應產(chǎn)生的合成氣主要以CO和H2為主,合成氣經(jīng)過從激冷室引入的激冷水水洗和降溫后,沿下降管從氣化爐流出后又進入洗滌塔,洗滌掉大部分灰分和部分水溶性氣體,最后進入水煤氣分離器,氣體折流向上,在水煤氣分離器內(nèi)部進行旋風分離,旋風分離的目的是清除合成氣中攜帶的灰分和液滴;經(jīng)過水煤氣分離器清除掉灰分和液滴的合成氣,再由設有瓷球過濾床層的過濾器過濾掉細灰后送往變換系統(tǒng)。
水煤氣分離器的作用是通過頂部設置的旋風分離器,將粗煤氣中攜帶的灰分和水分與合成氣分離, 將合成氣的水氣比控制在合理范圍,如果液位控制不好或無法控制,會導致合成氣帶水嚴重,對后續(xù)變換爐觸媒催化劑的活性造成很大影響,導致變換爐床層溫度波動甚至停車,分離后的灰水通過水煤氣分離器液位控制閥進入后續(xù)高壓閃蒸水處理系統(tǒng)。 水煤氣分離器液位控制閥的運行環(huán)境是含灰分顆粒物的高壓冷凝液,操作溫度241 ℃,操作關閉壓差7.15 MPa,該閥原設計為4″(1″=25.4 mm)硬密封單座閥,閥芯和閥座材料為316L+STELLITE,閥體材料WC6。筆者就水煤氣分離器液位控制閥在運行過程中存在的問題進行分析,并給出解決辦法。
水煤氣分離器的液位控制閥在運行過程中故障率極高,使用周期短(一般約一個月),主要故障表現(xiàn)為閥芯和閥座沖蝕嚴重、內(nèi)漏大以及閥體穿孔泄漏。
分析液位控制閥發(fā)生以上故障的原因如下:
a. 水煤氣分離后,高壓冷凝液含灰,而且控制閥前后壓差大,由于閃蒸的作用,沖刷和氣蝕嚴重。
b. 閥門口徑選型不合理, 此閥閥體尺寸4″,在運行過程中,閥門一直處于小開度工作,加重了對閥內(nèi)件的沖蝕。
c. 閥體材料選型不合理, 在這種高壓差、高氣蝕和強腐蝕性工況下,閥體應該選擇硬度更高的材料。
筆者針對水煤氣分離器液位控制閥使用過程中故障率高、閥芯和閥座沖蝕嚴重、內(nèi)漏大、液位無法控制及閥體穿孔泄漏等問題提出解決辦法。
通過對控制閥運行實際工況的深入分析,確定對水煤氣分離器液位控制閥從閥體結(jié)構(gòu)[1]、口徑選擇及閥體材料等方面進行徹底改造,達到在高壓差工況下耐沖刷、 耐氣蝕和抗腐蝕的效果,延長設備使用壽命,提升水煤氣分離器液位調(diào)節(jié)精度,進一步保證水煤氣分離器對合成氣的分離效果,為后續(xù)變換工況提供合格的原料氣。
基于實際工況,從以下6方面進行分析:
a. 閥門前后壓差過大容易造成流體在經(jīng)過閥門節(jié)流件時壓降過大,低于飽和蒸汽壓時形成氣蝕[2,3],氣泡在閥腔內(nèi)部爆裂,對閥體和閥內(nèi)件造成嚴重侵蝕,閥壁變薄、坑坑洼洼,嚴重時甚至打穿閥體,嚴重縮短了閥門的使用壽命。
b. 介質(zhì)凝液中含氯離子,具有腐蝕性。
c. 介質(zhì)中含有少量灰分,長期使用,對閥內(nèi)件密封有損傷。
d. 閥門要求硬密封Ⅴ級以上(長期使用),所以要考慮閥門執(zhí)行器長時間使用的彈簧力衰減,執(zhí)行器推力安全系數(shù)加大到兩倍以上。
e. 閥門口徑選型不合理,此閥選型閥體尺寸4″,在運行過程中,閥門一直處于小開度工作,加重了對閥內(nèi)件的沖蝕。
f. 閥體材料選型不合理,在高壓差、高氣蝕和強腐蝕工況下應該選擇抗腐蝕、耐沖刷材料。
針對以上分析的問題,進行相應改造:
a. 重新設計閥門口徑。 原閥口徑4″,但根據(jù)工藝參數(shù)重新計算閥門的流通能力CV為8, 所以閥體尺寸設計為″,閥芯尺寸設計為1″,正常工況時閥門開度在50%以上, 這樣就能完全滿足工況最佳開度。
b. 重新設計閥門結(jié)構(gòu)。 閥門結(jié)構(gòu)是第一關鍵,原閥門選用單座閥,未設計減壓閥內(nèi)件(圖1)。 閥內(nèi)介質(zhì)流速高、壓差大(5.5 MPa)、含雜質(zhì)、工況有氣蝕且含Cl-腐蝕,致使原單座閥無法長期使用,氣蝕對內(nèi)件損傷極大,原閥門未考慮復雜工況的苛刻程度。 改造時,選用了軸流式多級降壓閥內(nèi)件(8級減壓軸流式閥內(nèi)件),如圖2所示,逐級降壓,以抵消氣蝕對閥門的破壞作用,適應嚴苛工況。
圖1 原單座調(diào)節(jié)閥閥體結(jié)構(gòu)示意圖
圖2 軸流式多級降壓閥體結(jié)構(gòu)示意圖
c. 對閥門材料進行升級。 閥門材料是第二關鍵,閥芯和閥座選用碳化鎢材料,閥體選用雙相鋼2205材料。
碳化鎢具有優(yōu)良的耐沖刷、 耐氣蝕性能,硬度很高,但是容易碎裂,要達到既耐沖刷又耐腐蝕的效果, 生產(chǎn)碳化鎢的配方和工藝很關鍵,例如純的碳化鎢很容易碎裂,但是加入少量鈷或鈦等金屬元素,其韌性就會增強,脆性就會降低。
雙相不銹鋼具有高強度的沖擊韌性和優(yōu)良的抗腐蝕性能,尤其在抗點腐蝕和晶間腐蝕方面更具優(yōu)越性,雙相不銹鋼具備相當高的抗腐蝕性能。 雙相不銹鋼是奧氏體不銹鋼抗壓強度的兩倍,所以在設計時可以減輕重量,降低成本。 雙相鋼抗腐蝕表如圖3所示,可以看出,雙相不銹鋼的抗氯離子腐蝕和酸腐蝕性能優(yōu)異。
圖3 雙相鋼抗腐蝕表
碳化鎢材料的硬度不小于HRC70,具有很好的抗沖刷、抗氣蝕和抗腐蝕作用,而雙相鋼2205閥體則有非常好的抗腐蝕作用,以上材料的完美結(jié)合,延長了閥門的使用周期。
閥門結(jié)構(gòu)采用軸流式多級降壓閥內(nèi)件,很好地消除了氣蝕對閥門的破壞作用,極大地延長了閥門的使用壽命。
閥芯材料升級,采用整體燒結(jié)的碳化鎢(硬度HRC70以上),極大地提升了閥內(nèi)件的抗沖刷、抗腐蝕性能,很好地延長了閥門使用周期。
閥套筒、閥桿和閥體采用雙相鋼2205材料加以升級, 雙相鋼2205具有很強的抗腐蝕性能,完全滿足閥門在此工況下的抗腐蝕要求。
通過對水煤氣分離器液位控制閥在使用過程中出現(xiàn)的故障問題的原因進行深入剖析,從設計選型、工況條件、介質(zhì)成分等多方面了解問題的本質(zhì),從而進行了行之有效的改造,既保證了裝置的安全穩(wěn)定生產(chǎn)又節(jié)約了采購和維修費用,并且在實際使用中實現(xiàn)了很好的效果,為同行業(yè)同類型裝置提供良好的解決方案,具有一定的借鑒意義。