水煤浆气化工艺中的仪表选型

娄承

(中国天辰工程有限公司，天津 300400)

1 GE德士古水煤浆气化工艺流程

德士古水煤浆气化工艺流程简介如下： 将原料煤、水及添加剂等输送至研磨机研磨成水煤浆，由高压煤浆泵送入气化炉烧嘴。来自空分装置的氧气在气化炉内加温加压后发生部分氧化反应，气化炉膛内温度达1 350～1 400 ℃。离开气化炉的粗合成气和熔渣进入激冷室，粗合成气经第一次洗涤并被水淬冷后，温度降低与水及蒸汽形成饱和合成气后出气化炉；气体经文丘里洗涤器、碳洗塔洗涤除尘冷却后送至变换工段。气化炉、洗涤塔等排出的黑水经四级闪蒸后送往澄清槽处理或循环利用。气化炉反应中生成的熔渣经水浴分离后，由捞渣机从渣池捞出后装车外运。

水煤浆、氧气、合成气及黑水等是水煤浆气化工艺流程中的关键工艺介质，针对这些工艺介质的特殊仪表选型方案逐一展开介绍。

2 水煤浆流量计与切断阀的选型

2.1 水煤浆电磁流量计

水煤浆是非牛顿流体，由于其特殊的物理特性，固体质量分数达55%～65%，动力黏度在0.7～3.0 Pa·s，流速只有不到1 m/s，同时具有一定的腐蚀性。要求流量计具有抗冲刷性，低流速抗干扰性及抗腐蚀性，所以需要采用专用的煤浆电磁流量计测量流量。水煤浆电磁流量计特点：

1)通常采用抗冲刷衬里，材质如耐磨ETFE或PFA，也有采用聚氨酯衬里的。

2)采用低噪音或双频励磁电极，材质如哈氏合金C加陶瓷。

3)采用分体式变送器，具有滤波降噪功能。

4)需要有良好的接地装置，可选内置接地和外置接地环两种，外置接地环还可以起到保护衬里翻边的作用。

2.2 水煤浆气动切断球阀

水煤浆切断球阀通常采用固定球型式，阀体材质采用碳钢WCB，其下游切断阀接近炉头位置，需考虑回火425 ℃高温要求，材质采用碳钢WC6或WC9，可要求基材进行NACE处理，阀芯阀座采用SS316加STELLITE6或碳化钨(WC)硬化处理，阀芯采用刮刀设计，阀杆采用防喷出结构，材质为17-4PH加热处理，阀座后弹簧材质为INCONEL750，开关行程时间均要求小于5 s，选用弹簧复位气缸式执行机构，在出厂前根据配管要求旋转一定的角度。

GE工艺包目前通常要求在水煤浆主管线及回流管线上均设置上、下游两道切断阀，4台煤浆阀均为参与开车顺控及安全联锁的重要切断阀，所以对阀门的泄漏等级要求较高，一般推荐TSO，V级双向密封，但根据煤浆阀的切断特性，同时要求阀门能达到API598双向零泄漏密封等级。

3 氧气流量测量与控制阀的选型

3.1 氧气流量测量元件

主管氧气流量测量通常采用文丘里流量计，管线上设置温压补偿，整体材质为INCONEL625，可采用焊接或法兰连接方式，采用均压环式的3对取压口进行“2003”联锁，由于管道存在振动，故建议取压口与导压管之间采用焊接的连接形式。

中心氧管线流量测量通常采用标准孔板，孔板及取压法兰材质为INCONEL625。主氧管线炉头处通常设置1台限流孔板，由于限流孔板离炉头较近，易受高温影响变形，故要求孔板具有足够的厚度以保证其强度。

氧气流量变送器膜片选择时，应避免硫、氯的腐蚀，膜片应选用MONEL材质。

3.2 氧气控制阀选型

氧气主管上设置的控制阀有氧气主管流量控制阀、遥控阀及主管上下游切断阀。氧气放空管上设置的控制阀有放空管流量控制阀、放空管切断阀。中心氧管线上设置的控制阀有流量控制阀。此外还有隔离高压氮气的氮塞、缓冲及吹扫阀等。

这些控制阀均参与开停车顺控、泄压吹扫顺控等重要安全联锁，通常设置互为备用的双电磁阀控制，并通过限位开关2个关位和阀位变送器反馈信号组成“2003”联锁控制。

对于高压氧气，氧气控制阀以及管线的材质一直是比较关注的焦点问题，欧洲工业气体协会EIGA在其氧气管道系统规定上不断地调整常用材质INCONEL625，INCONEL600以及MONEL 400，MONEL K500的豁免压力，尤其INCONEL625和INCONEL600的豁免压力在欧洲氧气管道系统规范IGC DOC 13/02/E—2002和欧洲氧气管道系统规范IGC DOC 13/12/E—2012上更是进行了一次相当于对调的调整，对于最小厚度3.18 mm时，INCONEL625的豁免压力降到了6.9 MPa，而INCONEL600的豁免压力却提升到了8.7 MPa。但由于INCONEL625具有良好的耐高温性及耐腐蚀性，该工艺包还是推荐INCONEL625作为首选，并声明通过GE的测试，INCONEL625在厚度为6.35 mm时，其耐压特性会提升至11.7 MPa，并将其测试结果提交EIGA。

为避免控制阀出现过多的冲击工况，阀体口径应尽量与管道保持一致，阀内件材质的选择一般有两种，早期为INCONEL625堆焊STELLITE6，由于STELLITE6的豁免压力较低，只有3.44 MPa，该堆焊方式理论上讲存在降低阀内件整体豁免压力的可能，目前不宜推荐，后期改为INCONEL625喷涂镍基合金，符合规范要求，但能做的供货商不多且造价较高。还有一种为满足豁免压力采用的新的方式，阀体还是采用INCONEL625，阀内件采用MONEL K500，理由是K500拥有超高豁免压力，当厚度0.762 mm时，豁免压力为20.68 MPa的同时，还具有高温下的耐压特性保证强度，不会像MONEL 400在高温下耐压能力骤降，需提高整体压力等级才能满足要求，需提醒制造商考虑MONEL K500与INCONEL625两种材质的膨胀系数以避免出现阀内件卡塞现象。

关于控制阀的结构，氧气控制阀应尽量首选低进高出的阀体结构，按照ASTM G88的要求，氧气介质先进入阀腔再节流，可减小介质对阀体流道的冲击，不易形成湍流。

此外，阀门前后直管段还需遵循GB16912—2008《深度冷冻法生产氧气及相关气体安全技术规范》及欧洲氧气管道系统规范IGC DOC 13/12/E—2012，尤其阀后直管段宜为5D～8D，建议值为1.5 m。

4 炉膛及炉壁的温度测量仪表选型

4.1 气化炉高温热电偶

气化炉高温热电偶的使用寿命主要取决于套管的设计及材质的选择，通常为进口碳化硅内衬纳米陶瓷管，且管内进行填充密封形成一个实体腔，避免气体对偶丝的腐蚀和还原。

4.2 气化炉表面热电偶

以1台6.5 MPa德士古气化炉为例，拱顶通常设9个温区，变径段设3个温区，直筒段设18个温区，并覆盖高温热电偶位置及顶部法兰。每个温区使用1支温度等级CT2C的热点探测器对其炉壁表面进行热点探测，每台炉一般使用30支热点探测器。同时，通过温度采集系统将热点探测器信号传输到DCS，可采用温度输入输出模块来实现。

4.3 间接测量法

一般还可以通过分析洗涤塔出口合成气中CH4的含量来判断炉温。

5 合成气放空控制阀的选型

5.1 合成气放空控制阀

合成气放空控制阀一般采用多级降噪的套筒阀及阀后出口加降噪板的配置方式，同时选用大小2种口径的阀门通过分程调节的方式来实现开车阶段及紧急放空阶段的多种工况。

合成气放空调节阀应用于高压差6.5 MPa，同时又是高温约240 ℃的场合，合成气在开车工况时容易含灰等固体颗粒，所以在阀门选型时需注意，阀体材质通常为WC6，阀内件材质通常为SS316堆焊STELLITE6，降噪套筒开孔一般不小于8 mm，可在合理噪音控制范围内，有效避免控制阀出现堵或卡的现象而影响开车。由于管道高温及振动的影响，阀杆可选用散热型或延长型，阀门定位器可采用分体式或加仪表空气吹扫的方式降温。此外，大阀尽量选用足够大的流通能力可有效优化开车控制。

近两年，合成气放空控制阀也有采用迷宫式调节球阀来实现调节及切断两种功能。

5.2 合成气切断阀

合成气切断阀通常采用三偏心蝶阀，一路用于切断合成气火炬放空，另一路用于切断合成气去变换单元。阀体材质通常为WC6，由于蝶阀阀板不承压，材质可与阀体相同，应注重阀座密封环的选型，最好采用全金属密封环以增强耐磨损能力和使用寿命。

此外，需注意去变换单元的三偏心蝶阀可能存在双向承压的工况，泄漏等级应考虑双向密封要求，同时阀门所受压差大，三偏心蝶阀是靠扭矩密封，应考虑足够扭矩的执行机构。

6 黑水流量测量及控制阀的选型

6.1 楔式流量计

气化产生的渣水、黑水介质，具有高温，含固量高，不同粒径的硬质颗粒掺杂在高速流体中流动，冲刷性强，富含硫及氯离子，腐蚀性强，停车后容易结垢等特点。

对于黑水流量的测量，通常采用楔式流量计，其楔块采用喷涂WC碳化钨或直接采用实体碳化钨，硬度达到HRC70，具有良好的抗冲刷性能，选型时需注意楔块的顶角角度，应尽量大，最好控制在90°～120°，可有效避免介质的冲刷而损坏测量管，如果介质在测量管中流速超过4 m/s，建议测量管尤其是楔块对面处做硬化处理涂层以增强其耐磨性，提升其使用寿命。

6.2 锁渣阀

通常把锁斗系统的锁斗入口上、下游切断阀，锁斗出口切断阀及冲洗水切断阀该4台阀门称作锁渣阀，锁渣阀的应用工况除了耐高温、耐磨损、耐腐蚀外，还有很重要的一点就是其高频次开关特性，大约每30 min开关1次，同时锁渣阀还参与气化炉的安全联锁。

该工艺包目前开始分析渣水中的硫、氯离子含量，并将锁渣阀的阀体材质提高至双相钢2205，甚至超级双相钢2507，同时对阀体、阀球流道及阀球唇口处进行硬化处理以增强阀体的耐腐蚀性及耐冲刷性。

多数情况下，锁渣阀及黑水球阀的阀座后弹簧材质采用INCONEL750，这种材质很硬，如果采用碳钢阀体，弹簧腔内长时间渗进黑水后产生腐蚀，容易被很硬的弹簧磨损，阀体材质的提高可有效避免问题。

为节约成本，该阀也有采用阀体衬套或堆焊硬质合金等成熟的制造工艺，以提高锁渣阀的使用寿命。

锁渣阀的阀球及阀座的硬化处理方式有很多种，通常有堆焊STELLITE、超音速火焰喷涂碳化钨或碳化铬(冷喷)及等离子堆焊等方式，每种方式都有自己的特点，后期加工及最终厚度也不太一样，实际应用效果相差不大。

由于渣水中的固体颗粒多且细小，容易渗透到阀轴间隙、阀座密封垫及阀腔内等部位，造成卡塞导致阀门失灵，所以刮刀设计、导灰槽设计、蝶形弹簧，以及浮动阀座等特殊设计可根据需要选型。

此外，通常要求锁渣阀成套调速排气阀，可根据现场实际情况调整阀门开关行程时间，并控制在5～8 s，以控制渣水对管道的冲击力。

6.3 黑水角阀

黑水角阀主要用于黑水进闪蒸罐的工况，该处容易出现闪蒸和气蚀的工况。经过流体动力学的计算，阀体为流线型，无死区，材质多为双相钢，阀芯采用实体碳化钨，阀座采用嵌套碳化钨，文丘里扩散段采用整体STELLITE合金，整体构造能有效避免闪蒸及气蚀现象对阀体及阀内件的磨损。角阀一般都会要求加机械限位以避免阀内件碰撞的产生的损伤。角阀出口管道应要求采用厚壁管，如条件允许最好进行硬化处理，以避免被冲蚀。

7 其他需注意的仪表选型事项

7.1 氢气压力仪表

合成气中含有一定量的氢气，应考虑氢脆现象的发生，最好采用镀金膜片。

7.2 开车工况的控制阀选型

气化工艺中有一些控制阀在开车工况和正常运行工况存在较大差压，如洗涤塔液位控制阀，正常运行时流量大、压差很小，偏心旋转阀可调，但开车工况中则存在大压差的现象，所以该类控制阀可采用窗口式的套筒阀进行调节。

7.3 分析仪表的选型

气化洗涤塔出口合成气分析有多种组合方案，如单表方案、色谱方案及质谱方案。单表方案投资小，但后期维护量大；色谱方案投资偏高，性能可靠，后期维护量相对小，但分析周期相对长；质谱方案投资最高，性能先进，后期维护量小，分析周期相对短很多，实时性和精度相对高。

8 结束语

气化装置是煤化工项目的核心，因此，首先要选用使用寿命长、质量及性能优越、更安全可靠的仪表，同时更要紧跟自动化仪表现代化科技发展的步伐，不断从设计中优化仪表选型，给最终用户提供最优的选型方案，能够为气化装置的安全稳定运行提供可靠的保证。