水煤漿氣化工藝中的儀表選型

婁承

(中國天辰工程有限公司，天津 300400)

1 GE德士古水煤漿氣化工藝流程

德士古水煤漿氣化工藝流程簡介如下： 將原料煤、水及添加劑等輸送至研磨機研磨成水煤漿，由高壓煤漿泵送入氣化爐燒嘴。來自空分裝置的氧氣在氣化爐內加溫加壓后發生部分氧化反應，氣化爐膛內溫度達1 350～1 400 ℃。離開氣化爐的粗合成氣和熔渣進入激冷室，粗合成氣經第一次洗滌并被水淬冷后，溫度降低與水及蒸汽形成飽和合成氣后出氣化爐；氣體經文丘里洗滌器、碳洗塔洗滌除塵冷卻后送至變換工段。氣化爐、洗滌塔等排出的黑水經四級閃蒸后送往澄清槽處理或循環利用。氣化爐反應中生成的熔渣經水浴分離后，由撈渣機從渣池撈出后裝車外運。

水煤漿、氧氣、合成氣及黑水等是水煤漿氣化工藝流程中的關鍵工藝介質，針對這些工藝介質的特殊儀表選型方案逐一展開介紹。

2 水煤漿流量計與切斷閥的選型

2.1 水煤漿電磁流量計

水煤漿是非牛頓流體，由于其特殊的物理特性，固體質量分數達55%～65%，動力黏度在0.7～3.0 Pa·s，流速只有不到1 m/s，同時具有一定的腐蝕性。要求流量計具有抗沖刷性，低流速抗干擾性及抗腐蝕性，所以需要采用專用的煤漿電磁流量計測量流量。水煤漿電磁流量計特點：

1)通常采用抗沖刷襯里，材質如耐磨ETFE或PFA，也有采用聚氨酯襯里的。

2)采用低噪音或雙頻勵磁電極，材質如哈氏合金C加陶瓷。

3)采用分體式變送器，具有濾波降噪功能。

4)需要有良好的接地裝置，可選內置接地和外置接地環兩種，外置接地環還可以起到保護襯里翻邊的作用。

2.2 水煤漿氣動切斷球閥

水煤漿切斷球閥通常采用固定球型式，閥體材質采用碳鋼WCB，其下游切斷閥接近爐頭位置，需考慮回火425 ℃高溫要求，材質采用碳鋼WC6或WC9，可要求基材進行NACE處理，閥芯閥座采用SS316加STELLITE6或碳化鎢(WC)硬化處理，閥芯采用刮刀設計，閥桿采用防噴出結構，材質為17-4PH加熱處理，閥座后彈簧材質為INCONEL750，開關行程時間均要求小于5 s，選用彈簧復位氣缸式執行機構，在出廠前根據配管要求旋轉一定的角度。

GE工藝包目前通常要求在水煤漿主管線及回流管線上均設置上、下游兩道切斷閥，4臺煤漿閥均為參與開車順控及安全聯鎖的重要切斷閥，所以對閥門的泄漏等級要求較高，一般推薦TSO，V級雙向密封，但根據煤漿閥的切斷特性，同時要求閥門能達到API598雙向零泄漏密封等級。

3 氧氣流量測量與控制閥的選型

3.1 氧氣流量測量元件

主管氧氣流量測量通常采用文丘里流量計，管線上設置溫壓補償，整體材質為INCONEL625，可采用焊接或法蘭連接方式，采用均壓環式的3對取壓口進行“2003”聯鎖，由于管道存在振動，故建議取壓口與導壓管之間采用焊接的連接形式。

中心氧管線流量測量通常采用標準孔板，孔板及取壓法蘭材質為INCONEL625。主氧管線爐頭處通常設置1臺限流孔板，由于限流孔板離爐頭較近，易受高溫影響變形，故要求孔板具有足夠的厚度以保證其強度。

氧氣流量變送器膜片選擇時，應避免硫、氯的腐蝕，膜片應選用MONEL材質。

3.2 氧氣控制閥選型

氧氣主管上設置的控制閥有氧氣主管流量控制閥、遙控閥及主管上下游切斷閥。氧氣放空管上設置的控制閥有放空管流量控制閥、放空管切斷閥。中心氧管線上設置的控制閥有流量控制閥。此外還有隔離高壓氮氣的氮塞、緩沖及吹掃閥等。

這些控制閥均參與開停車順控、泄壓吹掃順控等重要安全聯鎖，通常設置互為備用的雙電磁閥控制，并通過限位開關2個關位和閥位變送器反饋信號組成“2003”聯鎖控制。

對于高壓氧氣，氧氣控制閥以及管線的材質一直是比較關注的焦點問題，歐洲工業氣體協會EIGA在其氧氣管道系統規定上不斷地調整常用材質INCONEL625，INCONEL600以及MONEL 400，MONEL K500的豁免壓力，尤其INCONEL625和INCONEL600的豁免壓力在歐洲氧氣管道系統規范IGC DOC 13/02/E—2002和歐洲氧氣管道系統規范IGC DOC 13/12/E—2012上更是進行了一次相當于對調的調整，對于最小厚度3.18 mm時，INCONEL625的豁免壓力降到了6.9 MPa，而INCONEL600的豁免壓力卻提升到了8.7 MPa。但由于INCONEL625具有良好的耐高溫性及耐腐蝕性，該工藝包還是推薦INCONEL625作為首選，并聲明通過GE的測試，INCONEL625在厚度為6.35 mm時，其耐壓特性會提升至11.7 MPa，并將其測試結果提交EIGA。

為避免控制閥出現過多的沖擊工況，閥體口徑應盡量與管道保持一致，閥內件材質的選擇一般有兩種，早期為INCONEL625堆焊STELLITE6，由于STELLITE6的豁免壓力較低，只有3.44 MPa，該堆焊方式理論上講存在降低閥內件整體豁免壓力的可能，目前不宜推薦，后期改為INCONEL625噴涂鎳基合金，符合規范要求，但能做的供貨商不多且造價較高。還有一種為滿足豁免壓力采用的新的方式，閥體還是采用INCONEL625，閥內件采用MONEL K500，理由是K500擁有超高豁免壓力，當厚度0.762 mm時，豁免壓力為20.68 MPa的同時，還具有高溫下的耐壓特性保證強度，不會像MONEL 400在高溫下耐壓能力驟降，需提高整體壓力等級才能滿足要求，需提醒制造商考慮MONEL K500與INCONEL625兩種材質的膨脹系數以避免出現閥內件卡塞現象。

關于控制閥的結構，氧氣控制閥應盡量首選低進高出的閥體結構，按照ASTM G88的要求，氧氣介質先進入閥腔再節流，可減小介質對閥體流道的沖擊，不易形成湍流。

此外，閥門前后直管段還需遵循GB16912—2008《深度冷凍法生產氧氣及相關氣體安全技術規范》及歐洲氧氣管道系統規范IGC DOC 13/12/E—2012，尤其閥后直管段宜為5D～8D，建議值為1.5 m。

4 爐膛及爐壁的溫度測量儀表選型

4.1 氣化爐高溫熱電偶

氣化爐高溫熱電偶的使用壽命主要取決于套管的設計及材質的選擇，通常為進口碳化硅內襯納米陶瓷管，且管內進行填充密封形成一個實體腔，避免氣體對偶絲的腐蝕和還原。

4.2 氣化爐表面熱電偶

以1臺6.5 MPa德士古氣化爐為例，拱頂通常設9個溫區，變徑段設3個溫區，直筒段設18個溫區，并覆蓋高溫熱電偶位置及頂部法蘭。每個溫區使用1支溫度等級CT2C的熱點探測器對其爐壁表面進行熱點探測，每臺爐一般使用30支熱點探測器。同時，通過溫度采集系統將熱點探測器信號傳輸到DCS，可采用溫度輸入輸出模塊來實現。

4.3 間接測量法

一般還可以通過分析洗滌塔出口合成氣中CH4的含量來判斷爐溫。

5 合成氣放空控制閥的選型

5.1 合成氣放空控制閥

合成氣放空控制閥一般采用多級降噪的套筒閥及閥后出口加降噪板的配置方式，同時選用大小2種口徑的閥門通過分程調節的方式來實現開車階段及緊急放空階段的多種工況。

合成氣放空調節閥應用于高壓差6.5 MPa，同時又是高溫約240 ℃的場合，合成氣在開車工況時容易含灰等固體顆粒，所以在閥門選型時需注意，閥體材質通常為WC6，閥內件材質通常為SS316堆焊STELLITE6，降噪套筒開孔一般不小于8 mm，可在合理噪音控制范圍內，有效避免控制閥出現堵或卡的現象而影響開車。由于管道高溫及振動的影響，閥桿可選用散熱型或延長型，閥門定位器可采用分體式或加儀表空氣吹掃的方式降溫。此外，大閥盡量選用足夠大的流通能力可有效優化開車控制。

近兩年，合成氣放空控制閥也有采用迷宮式調節球閥來實現調節及切斷兩種功能。

5.2 合成氣切斷閥

合成氣切斷閥通常采用三偏心蝶閥，一路用于切斷合成氣火炬放空，另一路用于切斷合成氣去變換單元。閥體材質通常為WC6，由于蝶閥閥板不承壓，材質可與閥體相同，應注重閥座密封環的選型，最好采用全金屬密封環以增強耐磨損能力和使用壽命。

此外，需注意去變換單元的三偏心蝶閥可能存在雙向承壓的工況，泄漏等級應考慮雙向密封要求，同時閥門所受壓差大，三偏心蝶閥是靠扭矩密封，應考慮足夠扭矩的執行機構。

6 黑水流量測量及控制閥的選型

6.1 楔式流量計

氣化產生的渣水、黑水介質，具有高溫，含固量高，不同粒徑的硬質顆粒摻雜在高速流體中流動，沖刷性強，富含硫及氯離子，腐蝕性強，停車后容易結垢等特點。

對于黑水流量的測量，通常采用楔式流量計，其楔塊采用噴涂WC碳化鎢或直接采用實體碳化鎢，硬度達到HRC70，具有良好的抗沖刷性能，選型時需注意楔塊的頂角角度，應盡量大，最好控制在90°～120°，可有效避免介質的沖刷而損壞測量管，如果介質在測量管中流速超過4 m/s，建議測量管尤其是楔塊對面處做硬化處理涂層以增強其耐磨性，提升其使用壽命。

6.2 鎖渣閥

通常把鎖斗系統的鎖斗入口上、下游切斷閥，鎖斗出口切斷閥及沖洗水切斷閥該4臺閥門稱作鎖渣閥，鎖渣閥的應用工況除了耐高溫、耐磨損、耐腐蝕外，還有很重要的一點就是其高頻次開關特性，大約每30 min開關1次，同時鎖渣閥還參與氣化爐的安全聯鎖。

該工藝包目前開始分析渣水中的硫、氯離子含量，并將鎖渣閥的閥體材質提高至雙相鋼2205，甚至超級雙相鋼2507，同時對閥體、閥球流道及閥球唇口處進行硬化處理以增強閥體的耐腐蝕性及耐沖刷性。

多數情況下，鎖渣閥及黑水球閥的閥座后彈簧材質采用INCONEL750，這種材質很硬，如果采用碳鋼閥體，彈簧腔內長時間滲進黑水后產生腐蝕，容易被很硬的彈簧磨損，閥體材質的提高可有效避免問題。

為節約成本，該閥也有采用閥體襯套或堆焊硬質合金等成熟的制造工藝，以提高鎖渣閥的使用壽命。

鎖渣閥的閥球及閥座的硬化處理方式有很多種，通常有堆焊STELLITE、超音速火焰噴涂碳化鎢或碳化鉻(冷噴)及等離子堆焊等方式，每種方式都有自己的特點，后期加工及最終厚度也不太一樣，實際應用效果相差不大。

由于渣水中的固體顆粒多且細小，容易滲透到閥軸間隙、閥座密封墊及閥腔內等部位，造成卡塞導致閥門失靈，所以刮刀設計、導灰槽設計、蝶形彈簧，以及浮動閥座等特殊設計可根據需要選型。

此外，通常要求鎖渣閥成套調速排氣閥，可根據現場實際情況調整閥門開關行程時間，并控制在5～8 s，以控制渣水對管道的沖擊力。

6.3 黑水角閥

黑水角閥主要用于黑水進閃蒸罐的工況，該處容易出現閃蒸和氣蝕的工況。經過流體動力學的計算，閥體為流線型，無死區，材質多為雙相鋼，閥芯采用實體碳化鎢，閥座采用嵌套碳化鎢，文丘里擴散段采用整體STELLITE合金，整體構造能有效避免閃蒸及氣蝕現象對閥體及閥內件的磨損。角閥一般都會要求加機械限位以避免閥內件碰撞的產生的損傷。角閥出口管道應要求采用厚壁管，如條件允許最好進行硬化處理，以避免被沖蝕。

7 其他需注意的儀表選型事項

7.1 氫氣壓力儀表

合成氣中含有一定量的氫氣，應考慮氫脆現象的發生，最好采用鍍金膜片。

7.2 開車工況的控制閥選型

氣化工藝中有一些控制閥在開車工況和正常運行工況存在較大差壓，如洗滌塔液位控制閥，正常運行時流量大、壓差很小，偏心旋轉閥可調，但開車工況中則存在大壓差的現象，所以該類控制閥可采用窗口式的套筒閥進行調節。

7.3 分析儀表的選型

氣化洗滌塔出口合成氣分析有多種組合方案，如單表方案、色譜方案及質譜方案。單表方案投資小，但后期維護量大；色譜方案投資偏高，性能可靠，后期維護量相對小，但分析周期相對長；質譜方案投資最高，性能先進，后期維護量小，分析周期相對短很多，實時性和精度相對高。

8 結束語

氣化裝置是煤化工項目的核心，因此，首先要選用使用壽命長、質量及性能優越、更安全可靠的儀表，同時更要緊跟自動化儀表現代化科技發展的步伐，不斷從設計中優化儀表選型，給最終用戶提供最優的選型方案，能夠為氣化裝置的安全穩定運行提供可靠的保證。