锁渣阀在水煤浆加压气化装置上的应用与国产化

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1          概述


锁渣阀，也有人称之为锁斗阀，一般采用气动两位开关球阀，是液态排渣的水煤浆、多元料浆（以下统称水煤浆）和干煤粉气流床加压气化装置上最重要的阀门。如图1所示，每台气化炉设置三台锁渣阀：气化炉激冷室或破渣机下部与锁斗相连的管道上，即锁斗入口侧有两台：XV08、XV09锁渣阀，通常称为上锁渣阀，其中，XV09锁渣阀受程序控制，大约每30min开关一次，而XV08锁渣阀常开、在线备用，以备XV09锁渣阀出现泄漏等的故障随时投用，当气化炉激冷室液位低低，引起气化炉保安系统联锁动作时，XV08也联锁关闭，以防气化炉工艺气窜入锁斗系统造成不良后果。锁斗排放口一台：XV10锁渣阀，通常称为下锁渣阀，该阀的下口与大气相通。锁渣阀参加气化炉的排渣程序控制，耐受高温、高压灰渣的直接磨蚀，开关频繁，要求在高压差情况下，实现双向密封。


锁渣阀位置关键，技术要求高，造价昂贵，颇受业内人士关注。

2          工艺要求

2.1 工艺流程简介
如图所示，气化炉内压力为2.7～8.5MPa，而渣池通大气，要使炉内的灰渣排到渣池，必须将介质的压力减至常压。当XV09锁渣阀打开、而XV10锁渣阀关闭时，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XV09锁渣阀关闭，而XV10锁渣阀打开时，锁斗与渣池处于同一系统，压力相等，此时可以将锁斗内的黑水排入渣池。


2.2 使用工况
2.2.1阀门所通过的工艺介质
某操作压力6.5MPa、日投煤量750t的水煤浆气化装置，锁渣阀所通过的夹带灰渣的～270℃的黑水：正常排渣时为10578kg/h，最大为13700kg/h，渣水混合，其中渣占50%，渣的粒度一般为：3~50mm。黑水介质中含有水、Cl-、H2S、MgO、Fe2O3、SiO2、Al2O3等成份，过程具有化学腐蚀和机械磨蚀。


2.2.2开关频率
排渣周期即阀门开关频率大约为30分钟一次。


2.3 使用要求
2.3.1要求为开关球阀，应按非阻塞流开关设计，最小100，000次压力和温度循环操作。


2.3.2阀门要求双向密封，在正向和反向的双向流动方向，在下游压力为大气压下的最大差压时，达ANSI B16.104 Class v级密封要求。


2.3.3阀内件和流道的材料应考虑在介质冲击、腐蚀和磨蚀下有最好的可用性。


2.3.4阀门设计的超压范围大于其最大工作压力的150％。


2.3.5要求快速动作，从“全通→全关”或“全关→全通”的动作时间为3-8s，并确保阀门动作到位。


3          进口锁渣阀在国内水煤浆加压气化装置上的应用


3.1 进口锁渣阀的使用业绩
由于锁渣阀技术要求高，位置关键，锁渣阀本身若出现问题，会引起气化炉停车，我国早期采用水煤浆加压气化技术的单位，采购锁渣阀时大都选用了进口品牌。已经投产的水煤浆加压气化装置上使用的进口锁渣阀品牌情况见表1。


表1 已投用进口锁渣阀一览表

煤气化工厂	气化炉数量（台）	气化压力（MPa）	投产时间	进口锁渣阀品牌
兖矿鲁南化肥厂	2	2.7	1993-04	芬兰Neles
上海焦化有限公司	4	4.0	1995-05	芬兰Neles
陕西渭河化肥厂	3	6.5	1996-02	芬兰Neles
安徽淮化集团有限公司	3	4.0	2000-07	芬兰Neles
黑龙江北大荒浩良河化肥厂	3	4.0	2004-07	德国Perrin
山东华鲁恒升化工股份有限公司	3	6.5	2004-10	芬兰Neles
兖矿国泰化工有限公司	2	4.0	2005-07	芬兰Neles
金陵石化有限责任公司	3	4.0	2005-09	美国Argus
陕西神木化学工业公司	3	4.0	2005-10	芬兰Neles
南京化学工业有限公司	2	8.5	2006-01	德国Perrin 美国Mogas
惠生(南京)化工有限公司	3	6.5	2007-04	德国Perrin

由表1可知，国内引进的进口锁渣阀品牌主要有四家，即：芬兰Neles、德国Perrin、美国Argus和美国Mogas，其中芬兰Neles锁渣阀业绩最多。


3.2 进口锁渣阀的使用情况
3.2.1 Neles锁渣阀
鲁南化肥厂是我国最早引进Texaco水煤浆加压气化技术的企业，采用的Neles锁渣阀为硬密封气动球阀，在最多动作25000次损坏后由重庆白市驿锻造阀门研究所进行了维修，修复后的锁渣阀动作次数超过了35000次。


上海焦化、兖矿国泰采用的Neles锁渣阀质量还算可以，没出大的问题，就是使用时间长了，把被磨损的密封面修复一下。


由于煤中灰分20%左右，灰熔点高，渣量大，黑水温度高，淮化使用的Neles锁渣阀经常因在黑水冲刷下密封面损坏、阀门内漏以及开关故障导致气化炉单炉因此停车检修，锁渣阀的平均寿命12000次 。


Neles给渭化供货的锁渣阀结构形式：单阀座、固定球、硬密封气动球阀，而阀座的背压弹簧采用了波纹管。在开车初期，渭化出现的锁渣阀问题较多：多次由于XV09阀内漏，锁斗无法卸压排渣，被迫停车；由于XV10 密封不好，导致锁斗充不上压，而不能正常收集炉渣。检查发现，阀门密封面损伤，有划痕，波纹管弹簧损坏逐次严重。分析认为，锁斗充压时XV09阀承受过大反向压力，导致波纹管弹簧损坏：弹簧在过大推力下发生塑性变形、弹簧弹性力减弱，使得单座阀的阀座与球面之间无足够的密封力，最终导致密封面关不严、严重泄漏，密封面损坏。这是由于当时没有细致考虑6.5MPa气化压力下锁渣阀所处的工艺条件。渭化采取的补救措施是：更换密封垫，在波纹管间隙增设伸缩限位用卡环，增加压紧弹簧，防止波纹管受到大的推力发生塑性变形，改变运行方式，减少反向压力，以后运行情况有所好转。


Neles给华鲁恒升供货的6.5MPa水煤浆气化装置用锁渣阀，在结构上接受了在渭化的教训，采取了一些新的保证措施，其主要结构特点是：固定球、双阀座；阀杆与阀球一体化设计、加工；硬密封，采用刮削式、面密封阀座结构，阀座采用环形弹簧加载；球体表面、阀座和弹簧表面喷焊(W/Cr)C，阀体和阀球内腔做420不锈钢内衬。应该说，Neles的这种结构和配置有创新性，在当时属于比较好的结构。2005年9月，气化炉B因XV10锁渣阀问题停炉，经检查发现阀球密封面被冲刷出深40ｍｍ、宽50ｍｍ的坑，阀座密封面也被冲刷出几处凹陷，表面覆层脱落，弹簧也因变形而失效，弹簧簧丝之间局部有炉渣颗粒，造成阀门严重内漏导致气化炉无法继续运行。


华鲁恒升委托重庆白市驿锻造阀门研究所对该阀进行了修复：阀球焊补，密封面重新喷涂，更换损坏的弹簧；但用了不长时间，密封面覆层仍有局部脱落。后来，几台气化炉的XV09、XV10、XV08锁渣阀陆续出现问题，情况和上述气化炉B上的XV10阀损坏情况类似，华鲁恒升又委托上海弘盛特种阀门有限公司进行了维修，经华鲁恒升技术人员与上海弘盛特种阀门有限公司的阀门专家一起探讨，上海弘盛特种阀门有限公司维修时将密封面喷的碳化钨厚度增加，而背压弹簧，上海弘盛特种阀门有限公司则采用了具有自己知识产权的技术――环形弹簧包覆氟橡胶，累计使用时间明显延长。


3.2.2 其它品牌进口锁渣阀
Perrin锁渣阀结构特点为：单阀座、固定球，阀球、阀杆两体式靠四方连接传递动力；硬密封，阀座采用若干个柱形弹簧（成一圈布置）加载；冲洗水设计为选项：Perrin的意见是阀门在每次开关过程中都进行冲洗可以达到最优的效果，但这样会使锁渣阀的配管复杂化，浩良河、南化公司都选择了这一选项；阀球可设计为V型切口，V型切口可使球阀在小开度时的物料顺畅地进入下游管道。2007年1～4月，南化公司陆续发现气化炉A、气化炉B上使用的Perrin锁渣阀阀杆有裂纹并有部分材料脱落，阀球、阀座局部被冲刷出豁口；2007年5月，南京惠生发现气化炉B下锁渣阀出现泄漏，拆检后确认阀球、阀座硬质合金层脱落。


Argus锁渣阀结构特点为：固定球、双阀座，阀球、阀杆两体式靠花式销键连接传递动力；硬密封，阀座具有刮刀式边缘结构设计，采用碟形弹簧或柱形弹簧加载；阀体两侧设有吹扫口。金陵石化使用的Argus锁渣阀，出现过硬化层剥落现象。


Mogas给南化公司提供的锁渣阀为浮动球，阀球与阀杆为两体式，下游阀座固定，上游阀座可移动，密封端为下游阀座，管道内介质的压力(上、下游压差) 将球体推向下游阀座，使两者紧密接触，而上游阀座通过碟形弹簧与球体紧密接触。南化公司反映Mogas锁渣阀自投用到2007年7月31日运行基本平稳。其主要缺点是所需工作转矩大[5]；浮动球阀的阀球、阀杆连接处必须设计得有一定间隙，长时间或频繁动作后存在间隙变大、打滑、滑脱的隐患，到时候可能会使阀球不能开关到位。


4          锁渣阀的国产化


4.1　国产化锁渣阀概况
进口锁渣阀价格昂贵，制造周期长，零配件供应不及时，维修不方便，一旦故障会造成单炉停车，对这种阀门急需国产化。一些采用水煤浆加压气化技术的煤化工企业对此进行了积极的探索，相应地，目前已经有上海弘盛特种阀门有限公司、浙江五洲阀门有限公司、重庆白市驿锻造阀门研究所和浙江超达阀门制造有限公司、武汉汉德阀门股份有限公司等阀门厂家涉足了锁渣阀的国产化工作。


2002年初，淮化使用上了重庆白市驿锻造阀门研究所生产的锁渣阀，以替换经常损坏的进口锁渣阀，与进口锁渣阀互为备用，该锁渣阀结构为固定球、硬密封、阀座采用蝶簧压紧。2006年，淮化又从浙江超达阀门制造有限公司定做了两台锁渣阀，其结构为固定球、硬密封、阀座采用一圈柱簧压紧，阀球、阀杆呈两体机械连接，该锁渣阀刚投用时因局部问题曾造成了单台气化炉系统停车，后又进行了维修、改造。


2005年7月，兖矿国泰在采用进口锁渣阀的同时，局部也尝试采用了浙江五洲阀门有限公司生产的锁渣阀，据说五洲锁渣阀因为泄漏问题，后来兖矿国泰锁渣阀又全部改用进口的了。


2006年5月份投产的山西丰喜肥业集团临猗分公司，水煤浆气化采用了上海耐莱斯·詹姆斯伯雷和浙江五洲阀门有限公司两家企业的锁渣阀。后来因浙江五洲阀门有限公司产的锁渣阀泄漏导致充压时间长，因阀门设计制造问题经常出现灰渣进入阀球与阀座之间导致阀球与阀座卡死现象，又采购了三台上海弘盛特种阀门有限公司的锁渣阀，该锁渣阀使用情况还不错，一年多没出过问题，就是笨重了些。


金陵石化开始时也部分采用了浙江五洲阀门有限公司的锁渣阀，由于频繁出问题，后来全部改成了Argus的。


上海弘盛特种阀门有限公司给华鲁恒升维修的进口锁渣阀，局部采取了一些新的结构、材料，属于改进式维修，维修后的锁渣阀与原来相比，累计使用时间有明显延长。由于修复需要一定周期，而这些阀门出现问题一般又比较集中，为了不影响生产，华鲁恒升又委托上海弘盛特种阀门有限公司制造了三台备用锁渣阀。


5          结语


引进外国产品和技术后，在使用中注意研究其优缺点，在对其维修、改进式维修中消化吸收，是一种切实可行的方式。有关单位采用国产化的锁渣阀对相应进口产品或代用，或备用，有的使用性能比进口产品还好，有效地保障了水煤浆加压气化装置的稳定运行。