黑水調節(jié)閥是水煤漿氣化工藝關鍵閥門之一，其介質具有很強的腐蝕性，且含有硬質固體顆粒，由于閥門前后壓差大，將導致閃蒸現象發(fā)生，閥后出現高速的汽液固三相流體。若黑水調節(jié)閥的選型或計算不當，會導致閥門不能滿足工藝過程的要求，將對氣化裝置的穩(wěn)定運行造成影響。簡要介紹了水煤漿氣化工藝黑水調節(jié)閥的應用工況、選型、計算及其他特殊要求，以期為同類裝置提供一些參考。

　　水煤漿氣化工藝具有技術成熟、流程簡單、過程控制安全可靠、原料適應性強、碳轉化率高、粗合成氣質量好、環(huán)保性能好、裝置建設投資低、建設周期短等特點。近年來，煤化工產業(yè)蓬勃發(fā)展，水煤漿氣化工藝在煤制氫、煤制甲醇、煤制烯烴、煤制合成氨等工程中得到了廣泛應用。氣化裝置通常為上游裝置或關鍵的工藝裝置，當氣化裝置停車時，將導致下游裝置或與之配套的生產裝置中斷生產，造成較大的經濟損失。因此，氣化裝置的長周期穩(wěn)定運行至關重要。根據多家企業(yè)的水煤漿氣化裝置運行情況，除了耐火磚、工藝燒嘴等關鍵設備外，關鍵閥門也是影響氣化裝置長周期穩(wěn)定運行的重要因素，特別是黑水調節(jié)閥。筆者將基于某項目中的水煤漿氣化工藝對黑水調節(jié)閥的選型與計算作一探討。

1、工藝流程簡介

　　水煤漿氣化工藝中的氣化爐和洗滌塔在生產過程中將產生黑水，需要通過黑水閃蒸系統(tǒng)對黑水進行處理，解析黑水中的酸性組分、回收熱量并提濃黑水，工藝流程如圖1所示。

圖1 黑水閃蒸系統(tǒng)流程示意

　　來自氣化爐和洗滌塔的黑水分別經調節(jié)閥LV-01和FV-01減壓后進入高壓閃蒸罐，閃蒸出的水汽以及大部分溶解的酸性氣組分經冷卻、分離后送至下游單元進一步處理。高壓閃蒸罐底的黑水經調節(jié)閥LV-02減壓后進入低壓閃蒸罐，閃蒸出的氣相進入除氧器作為汽提用汽。低壓閃蒸罐底部的黑水經調節(jié)閥LV-03減壓后進入1號真空閃蒸罐，1號真空閃蒸罐底部的黑水經調節(jié)閥LV-04減壓后進入2號真空閃蒸罐。1號和2號真空閃蒸罐閃蒸出的水汽和氣相組分經冷卻、分離后由真空泵系統(tǒng)排放。2號真空閃蒸罐底部的黑水經沉降槽給料泵送至后續(xù)單元。

2、工況分析

　　以上工藝流程中采用了四級黑水閃蒸系統(tǒng)，共有5臺調節(jié)閥用于黑水減壓，該5臺調節(jié)閥通常稱為黑水調節(jié)閥。黑水中含有H2S，Cl等強腐蝕性介質，同時還含有氣化反應產生的硬質固體顆粒，固體顆粒的質量分數最多能達到4%。黑水中的固體顆粒易發(fā)生沉積，且極易發(fā)生結垢現象，堵塞閥門流道和工藝管道。

　　根據節(jié)流原理，流體在節(jié)流時流速增加而靜壓降低，在節(jié)流處后流束截面并不立即擴大，而繼續(xù)縮小到某最小值，此處流速最大且靜壓最低，稱為縮流斷面�？s流斷面后隨著流通截面的擴大，流體流速減慢，靜壓回升，稱為壓力恢復，而閥門入口壓力p1和出口壓力p2差p1-p2=Δp為不可恢復的壓力損失�？s流斷面處的壓力pvc為節(jié)流過程中最低的靜壓，如果該處的流速增加到足夠高，那么pvc將會降低到不大于閥門入口溫度下的流體飽和蒸汽壓pv，此時部分液體就會氣化成氣體或蒸汽，形成氣泡。流體流出節(jié)流區(qū)后，壓力回升，若壓力回升不超過入口溫度下的流體飽和蒸汽壓(p2≤pv)，如圖2所示，那么流體還將繼續(xù)汽化，在閥門出口形成汽液共存的現象，即兩相流，這種現象稱為閃蒸。

圖2 閃蒸工況調節(jié)閥的壓力變化趨勢

　　在黑水閃蒸系統(tǒng)中，黑水調節(jié)閥的主要作用是對閥門入口的黑水介質進行減壓，且黑水調節(jié)閥需承受較大的壓差。經過減壓，黑水調節(jié)閥的出口壓力p2低于入口溫度下的介質飽和蒸汽壓pv，形成閃蒸。通過黑水調節(jié)閥的閃蒸，解析黑水中的酸性組分、回收熱量并提濃黑水。正是由于發(fā)生了閃蒸現象，閥后部分黑水汽化成水蒸氣，閥后的流體體積急劇膨脹，較閥前的體積流量增加了數十倍甚至數百倍，形成了高速流動的汽液固三相流。黑水液滴、硬質固體顆粒高速沖刷閥內件和閥后管道管件，對閥內件和閥后管道管件造成嚴重的沖刷磨蝕破壞，同時產生噪音和劇烈的震動。

3、閥門選型

　　通常在工程設計中遇到閃蒸工況，應首選消除閃蒸。基于工藝流程和管道布置的需要，黑水調節(jié)閥的閥前和閥后壓力無法調整，不能實現p2>pv。如果采用串聯(lián)調節(jié)閥或者在閥后增加限流孔板，可以提升上游調節(jié)閥的閥后壓力，消除上游調節(jié)閥的閃蒸，但是下游調節(jié)閥和下游限流孔板的閃蒸依然無法消除，這兩種方法只是轉移了閃蒸發(fā)生的位置;而且，根據工況分析，黑水調節(jié)閥并非單純的閃蒸，伴隨著壓力的降低，黑水中已溶解氣體的解析不可避免，下游調節(jié)閥和下游限流孔板的入口也將出現汽、液、固三相流，工況仍然十分惡劣，同時串聯(lián)系統(tǒng)的調節(jié)性能也受到局限。因此，不推薦采用串聯(lián)的方法，建議仍由單個閥門實現減壓調節(jié)。

　　黑水調節(jié)閥的工況具有高壓差、閃蒸、入口為液體固體混合流體而出口為汽液固三相流體、出口高流速、含硬質固體顆粒且易沉積和結垢等苛刻條件，因而應選用具有自清潔功能的角閥。自清潔角閥的設計應滿足以下要求：

　　1)閥體流道采用流線型結構，避免介質流動時形成急轉彎或滯流點，同時能有效控制閥門入口的流速，避免介質對閥體和閥桿產生高速沖刷。

　　2)閥腔內無沉積死角，避免固體顆粒的沉積和堵塞。

　　3)閥芯、閥座采用碳化鎢材質，以抵御含硬質固體顆粒三相流體的高速沖刷。

　　4)具有可靠的碳化鎢閥芯連接結構和工藝，避免出現閥芯斷裂或脫落。

　　5)增強型閥桿設計和穩(wěn)定的導向結構，以承受高壓差和閃蒸產生的振動，同時便于匹配大推力執(zhí)行機構。

　　6)自清洗導向設計，便于清除閥桿表面附著的固體顆粒和垢質，防止固體顆粒進入導向套管間隙而造成閥門卡澀，也避免填料函損壞而導致黑水泄漏。

　　7)閥門出口配碳化鎢材質的文丘里擴口延伸管，避免閃蒸后的高速三相流體沖蝕閥體、閥門出口法蘭、下游管道或管件，保證閥門長期穩(wěn)定運行。

　　在進行黑水調節(jié)閥選型時，還應特別關注各部件材質的選擇。閥體材質的選擇應充分考慮耐腐蝕性和耐磨蝕性，通常選用奧氏體不銹鋼或雙相鋼，由于各裝置原料煤的腐蝕成分差別較大，所選閥體材質不應低于工藝管道材質。為抵御含硬質固體顆粒三相流體造成的沖蝕，閥芯、閥座和文丘里擴口延伸管通常選用碳化鎢材質，碳化鎢具有較高的硬度和較好的耐磨蝕性，但同時也較脆，如閥芯和閥座發(fā)生撞擊容易導致碎裂，因而執(zhí)行機構應具有可調整的機械限位。閥門安裝調試后應立即設定最小機械限位，防止發(fā)生碰撞。閥門投用前應確保上游的管道和容器設備內無雜物，避免較大尺寸雜物在閥座處卡塞，導致閥芯和閥座發(fā)生間接撞擊。

　　國內外多家閥門制造商都針對黑水閃蒸工況開發(fā)了專門的自清潔角閥，各品牌的自清潔角閥具有各自的設計特點。近年來，國產品牌通過產品性價比的提升和快速的現場服務響應在黑水調節(jié)閥應用領域取得了顯著的進步。

5、其他問題

　　在工程設計中除了關注黑水調節(jié)閥的選型和計算外，還應重視和管道設計的協(xié)同配合。黑水調節(jié)閥后汽液固三相流體的流速很高，管道設計中應該采取合理的措施降低閥后管道或管件損壞的風險。例如，在閥后設置大口徑的緩沖罐，在高流速區(qū)域采用硬質合金內襯，在沖擊區(qū)域采用加厚耐磨材料等。由于黑水調節(jié)閥處于閃蒸工況，閥門和與之相連的管道系統(tǒng)震動劇烈。閥門的氣源連接推薦采用金屬軟管，信號電纜應預留伸縮裕量。同時，應加強管道支撐的設計，避免由于劇烈震動損壞閃蒸罐的設備管口。

6、結束語

　　黑水調節(jié)閥作為水煤漿氣化工藝中工況最苛刻的調節(jié)閥，其運行的可靠性直接關系到氣化裝置的長周期穩(wěn)定運行。工程設計中應高度重視黑水調節(jié)閥的選型與計算，為氣化裝置的安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)運行打好基礎。