再谈水煤浆气化中氧气控制阀的选型

发布时间：2019-03-23 16:18所属平台：学报论文发表咨询网浏览： 次

摘要：通过分析化工项目中氧气管线、阀门燃烧爆炸的几个典型原因，重点阐述了水煤浆气化工艺中氧气控制阀的选型要点，为设计同类装置的工艺和仪表选型提供了重要依据。 关键词：O2,控制阀,材质,选型 随着煤化工装置规模的扩大以及标准规范的升版更新，水煤浆

　　摘要：通过分析化工项目中氧气管线、阀门燃烧爆炸的几个典型原因，重点阐述了水煤浆气化工艺中氧气控制阀的选型要点，为设计同类装置的工艺和仪表选型提供了重要依据。

　　关键词：O2,控制阀,材质,选型

　　随着煤化工装置规模的扩大以及标准规范的升版更新，水煤浆气化流程中氧气控制阀的选型、材质越来越凸显其重要性。根据最新欧洲氧气标准及ASME相关内容，针对65Kg气化反应压力的气化炉流程中，从介质情况、反应条件、阀门的选材、密封材质方法等方面，对氧气管线控制阀的选型变化进行了简单介绍。

　　1概述

　　1.1水煤浆气化中氧气控制阀的重要性

　　为适应市场的需求，装置的规模在不断扩大，O2的应用及需求量也越来越大。加压后的水煤浆和O2按照一定比例经烧嘴混合雾化后，进入气化炉燃烧室进行高温高压气化反应。气化反应的目的是尽量提高合成气中有效气体(H2+CO)的百分含量。这就需要严格控制氧/碳比(O/C)O/C比值较低时，气化炉的炉温较低，煤渣流动性变差，就易堵塞气化炉的排渣口及下降管，不利于气化炉稳定地连续运转;O/C比值较高时，气化炉炉温高，会加快炉内耐火砖的熔蚀，导致气化炉的运行寿命受到影响。

　　O/C比值达到高高时，还可能引起整个气化炉停车。由此可见，氧气控制阀在O/C比的调节，甚至装置的正常运行过程中，都起到了至关重要的作用。同时，氧气控制阀也是气化炉安全仪表系统(SafetyInstrumentedSystem)中的一个重要执行元件，参与气化炉的重要联锁。近年来，随着O2相关标准规范的变化，以及多年来的应用经验，水煤浆气化的氧气控制阀在阀门选型上也发生了相应的变化。

　　1.2O2介质特性

　　O2是自然界中分布最广的一种元素，按容积计算，空气中O2含量为20.93%。在常温下，O2是无色、无味的透明气体，比空气略重。O2的化学性质比较活泼，属于助燃剂，与绝大部分的化学元素都能发生反应。

　　1.3化工项目中氧气管线、阀门燃烧爆炸的几个典型原因

　　1)管道内清洗吹扫不严格，遗留的铁屑、粉尘、焊渣等摩擦产生高温后爆炸。它与杂质颗粒大小、多少，氧气管线流速有关系：颗粒越大，数量越多，流速越高，则产生的摩擦热越高，而热度积累过高会产生自燃甚至爆炸。2)氧气管道内禁油、脱脂措施不合格，使得油脂、橡胶类的物质局部高温，引起燃烧。3)绝热压缩后产生的高温，可促使燃烧物燃烧。4)高纯度的高压O2，使得其所流经的管线或者阀门金属活性增强，材质选择不合适的时候，就会对管线和阀门造成出现燃烧的隐患。

　　2氧气控制阀的选型要点

　　2.1水煤浆气化流程中，氧气管线主要参数

　　对于65Kg气化反应压力的水煤浆气化流程，氧气管线的操作温度T=30℃，阀前操作压力P=8.06MPa(G)，压降为0.3MPa(G)，管径一般为6”或8”。氧气管线的设计温度T=60℃，设计压力P=9.3MPa(G)。

　　2.2阀门型式的选择

　　介于O2介质的特殊物性，用于O2介质的控制阀，流通效果一定要好，流道要简单。因此，单座柱塞阀或者笼式阀，应该是首选。在欧洲工业气体协会的“氧气管线系统”IGCDoc13/12/E中，对氧气控制阀的型式也有明确要求。此标准中的第5.3.2.3章节描述为：“过程控制阀一般是腔体为球形的阀，改进的球阀，偏心旋塞阀或蝶阀……”。

　　这里应注意在选型过程中，很多人将GLOBE阀单纯的理解为单座柱塞阀，这个概念是不对的。套筒阀也属于GLOBE阀的范畴。对于高压差的高纯度O2，由于压差大，一般不选用迷宫式阀门，而选用套筒阀+节流装置的形式。

　　2.3阀门口径

　　阀门口径的选择除根据工程项目中的工艺参数进行CV值计算外，还应考虑工作压力与流速的关系。使O2流动方向突然改变或产生漩涡的位置，从而引起流体中颗粒对管壁的冲击，这样的位置称作冲击场合。冲击场合容易产生激发能量，引起燃烧与爆炸。因此，在这种危险场合，要求严格控制O2最高允许流速。GLOBE阀有迂回曲折的通道，应按冲击场合考虑。

　　氧气阀门口径的确定，要在高峰负荷情况下满足冲击场合安全流速(最高允许流速)的要求，并留有余地，确保安全。从安全角度考虑，在通常情况下，阀门不允许缩径设计，并且为整体法兰。在水煤浆气化的氧气分支管线上的控制阀通常设计都是不允许缩径的。

　　2.4阀门材质的选择

　　对于氧气管线、阀门材质的选择，通常使用的设计规范有：1)国内标准：氧气站设计规范(GB50030-2013)。2)欧洲标准：“OxygenPipelineandPipingSystems”，即欧洲工业气体协会的“氧气管线和管道系统”，其最新版次为IGCDoc13/12E[3]。欧洲气体协会的标准，是目前条件最严苛的标准。国标的氧气站设计规范中，大部分原则也是源于欧洲的标准。

　　因此，氧气管线控制阀的材质选择，更多参考的是欧洲气体协会的标准进行选择。早期的65Kg气化反应压力的水煤浆气化装置中，氧气管线控制阀的阀体材质是按照IGCDoc13/02E进行的设计，该标准中，5.3.3.5章节提到，“Globevalvesarecommonlyusedincontrolapplicationsandareusuallyautomated”，并且，“Exemptmaterialsarecommonlyused”，即GLOBE球阀门的材质可以根据压力选用豁免压力下对应的材料。在关于豁免压力对应的材质、壁厚表中，Inconel625合金的豁免压力是8.7MPa(最小厚度3.18mm)，Inconel600的豁免压力是6.9MPa(未指定壁厚)。因此，控制阀的阀体材质，通常选为Inconel625，阀芯和阀座材质为Inconel625+硬化处理，阀杆材质为Inconel750。

　　采用这种材质的控制阀，目前仍在运行的装置有：大化合成氨搬迁、国宏、内蒙荣信、贵州金赤等项目。标准IGCDoc13/02E中，对于豁免压力的解释是指：在可能发生颗粒碰撞的高纯度O2(公称99.7%)中不受速率限制的最大压力。随着标准的变化和更新，欧洲氧气管线和管道系统标准由IGCDoc13/02E更新为IGCDoc13/12E。在新版规范中，对于豁免压力和最小厚度的列表发生了变化，将Inconel625和Inconel600对应的豁免压力进行了修改，Inconel600的豁免压力改为8.61MPa(最小厚度3.18mm)，Inconel625的豁免压力改为6.9MPa(最小厚度3.18mm)[3]。

　　根据新版本的标准内容，国内的水煤浆气化装置氧气分支管线控制阀的材质就产生了相应变化。由于Inconel600具有较强的抗氧化性和在高温下的较高强度，所以阀体更适合选用Inconel600。阀门内件、阀芯、阀座，由于流体进入阀体，流道区别于普通管线，阀门属于撞击流的区域，所以内件的材质应该为锻件，并且在阀体材质基础上进行硬化，或者选择更高一些镍基合金，如MonelK-500系列。

　　2.5氧气控制阀压力磅级的选择

　　从IGC标准中可以确认Inconel600的材质属于豁免压力材料，但是到底能否在实际工程中使用，还需要根据氧气分支管线的设计温度、设计压力值与美国机械工程师协会的ASMEB16.5标准中的压力-温度额定值相关条款进行核实。锻件的镍基合金B564Gr.N06600即为通常所说的Inconel600，它的公称化学成份为72Ni-15Gr-8Fe[9]。

　　温度在50℃时候，锻件的B564Gr.N06600在CL600磅级的工作压力为103.4bar(10.34MPa)，满足氧气管线设计压力9.3MPa，可以使用。但是，综合考虑阀门加工难易程度以及性价比，控制阀通常选用的是铸件阀体材料，在ASTMA494《镍及镍基合金的铸件标准规范》[10]中，CY-40的公称化学成份和Inconel600的成份很接近。

　　没有对应铸件的工作压-温度额定值，针对CY-40材料的最大允许工作压力，注释“{6}”提到，需要参考ASMEB16.5的600磅级下3.4材料组别的压力额定值。可查到50℃时，600磅级的工作压力80.5bar(8.05MPa)，不满足实际项目的氧气管线设计压力9.3MPa。因此，在这种情况下，阀门的磅级需要按照900磅级设计。

　　2.6阀门填料、密封方式的选择

　　为了防止有其他脂类物质脱落进入管线，引发不安全问题。因此，填料通常选用氧气协会认证的石墨。垫片也应该是适用于O2介质的特殊垫片。阀门的密封型式建议为金属硬密封。水煤浆气化技术，专利商主要有GE单喷嘴技术、华东理工大学四喷嘴技术和西北化工研究院单喷嘴技术。无论是哪种技术，在工艺包阶段，对氧气分支管线上控制阀的泄漏等级要求，都是单向ANSICLASSⅣ。

　　在以往的工程设计中，此处基本都是参考和依据工艺包的相应要求进行设计选型。随着工程的不断实践和工厂的实际应用，工程技术人员更加了解熟悉气化开停车的过程及正常运行时的控制，分支氧气管线控制阀的密封面，采用双向密封，更适合。原因是，这个位置的控制阀在气化装置开车和正常运行时对O/C比的调节都起到非常重要的作用。

　　假如在停车过程或期间，出现第一道氧气切断阀发生内泄漏的情况时，该管线上位于此切断阀前的分支氧气控制阀要承受高于管线正向设计压力的反向压力。如果该控制阀仅有单向密封，那么很容易造成控制阀的内漏，这样不仅在开车过程时均压很难实现，正常运行状态下O/C比调节，也会受到很大影响。因此，分支氧气控制阀的泄漏等级为ANSIClassV(双向密封)。中心氧气管线控制阀的泄漏等级为ANSIClassⅣ(单向密封)。

　　3其他重要问题

　　阀门在制造加工中，每一个零部件都需要根据规范进行脱脂处理，并在阀体上设置导除静电的接地装置，阀门整体还应该有防火认证，出厂前应该进行液体渗透试验。阀门其他附件，如电磁阀，由于氧气控制阀参与开停车顺控及SIS系统，所以需要用冗余连接的双电磁阀，并且建议为低功耗、24VDV隔爆型。对于装置所在地区，如果遇到极端低温时，应选择耐低温型的电磁阀。

　　4总结语

　　氧气控制阀是高压水煤浆气化反应流程中的重要设备，不仅参与开停车顺控，也参与安全仪表系统(SIS系统)，其介质特殊，作用重要。因此，阀门的选型应该结合实际工况，多方考察对比，不能以偏概全。因此，必须慎之又慎，最终选出最合适的阀门，确保工厂能够安全稳定地运行。

　　参考文献：

　　[1]贺永德.现代煤化工技术手册[M].北京:化学工业出版社,2004.

　　陆德民,张振基,黄步余.石油化工自动控制设计手册:第3版[M].北京:化学工业出版社,2000.欧洲工业气体协会.氧气管线和管道系统:IGCDoc13/12/E[S].2002.

　　国家石油和化学工业局.化工自控设计规定:HG/T20509-20515[S].2001.中华人民共和国住房和城乡建设部,中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.

　　石油化工安全仪表系统设计规范:GB/T50770-2013[S].北京:中国计划出版社,2013.

　　张清双,尹玉杰,明赐东.阀门手册—选型[M].北京:化学工业出版社,2013.

　　杨源泉.阀门设计手册[M].北京:机械工业出版社,1992.

　　康茜.控制阀在苛刻工况下的应用[J].石油化工自动化,2009,45(2):70-73.美国机械工程师协会.

　　管法兰和法兰管件规范:ASMEB16.5-2013[S].

　　美国材料与试验协会.镍及镍基合金的铸件标准规范:ASTMA494/A494M-2014[S].2014.ASMECASE1750-23[S].

　　相关期刊推荐：《高校化学工程学报》(双月刊)创刊于1986年，由浙江大学主办。《高校化学工程学报》办刊宗旨是：全心全意为化学工程与技术学科的教育和科学研究服务，全面、正确、迅速地反映我国化学工程与技术学科各个领域的科学研究成果，为专家、学者及他们的研究生提供一个进行学术交流的平台。

　　

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