黑水闪蒸系统控制阀碳化钨阀芯设计探讨

黑水调节阀选型与计算的探讨刘建兵【摘要】黑水调节阀是水煤浆气化工艺关键阀门之一,其介质具有很强的腐蚀性,且含有硬质固体颗粒,由于阀门前后压差大,将导致闪蒸现象发生,阀后出现高速的汽液固三相流体.若黑水调节阀的选型或计算不当,会导致阀门不能满足工艺过程的要求,将对气化装置的稳定运行造成影响.简要介绍了水煤浆气化工艺黑水调节阀的应用工况、选型、计算及其他特殊要求,以期为同类装置提供一些参考.【期刊名称】《石油化工自动化》【年(卷),期】2014(050)004【总页数】5页(P24-27,30)【关键词】水煤浆气化;黑水调节阀;选型;计算;闪蒸;阻塞流【作者】刘建兵【作者单位】中石化宁波工程有限公司,浙江宁波315103【正文语种】中文【中图分类】TH138水煤浆气化工艺具有技术成熟、流程简单、过程控制安全可靠、原料适应性强、碳转化率高、粗合成气质量好、环保性能好、装置建设投资低、建设周期短等特点。

近年来，煤化工产业蓬勃发展，水煤浆气化工艺在煤制氢、煤制甲醇、煤制烯烃、煤制合成氨等工程中得到了广泛应用。

气化装置通常为上游装置或关键的工艺装置，当气化装置停车时，将导致下游装置或与之配套的生产装置中断生产，造成较大的经济损失。

因此，气化装置的长周期稳定运行至关重要。

根据多家企业的水煤浆气化装置运行情况，除了耐火砖、工艺烧嘴等关键设备外，关键阀门也是影响气化装置长周期稳定运行的重要因素，特别是黑水调节阀[1-2]。

笔者将基于某项目中的水煤浆气化工艺对黑水调节阀的选型与计算作一探讨。

1 工艺流程简介水煤浆气化工艺中的气化炉和洗涤塔在生产过程中将产生黑水，需要通过黑水闪蒸系统对黑水进行处理，解析黑水中的酸性组分、回收热量并提浓黑水，工艺流程如图1所示[3]。

来自气化炉和洗涤塔的黑水分别经调节阀LV-01和FV-01减压后进入高压闪蒸罐，闪蒸出的水汽以及大部分溶解的酸性气组分经冷却、分离后送至下游单元进一步处理。

我国的能源结构决定了在未来相当长的一段时间内，能源仍是以煤炭为主。

而煤炭资源的清洁高效利用则是需要更加深化推进的发展方向。

煤化工是指以煤为原料，经化学加工使煤转化为气体、液体和固体燃料以及化学品的过程。

主要包括煤的气化、液化、干馏，以及焦油加工和电石乙炔化工等。

其工艺固有的介质高温、高流速、高压差、高腐蚀性、流体高含固量等工艺特点，对阀门的工况适应性以及整体寿命等提出了严峻的挑战。

尤其煤化工行业里气化炉黑水、灰水等严苛工况的介质中含有较高硬度及含量的固态颗粒、腐蚀性组分，对调节阀耐腐蚀、抗冲刷性能及整体寿命要求越来越高，所以这类严苛工况的阀门提高耐腐蚀抗冲刷性能，延长平均无故障周期和整体寿命成为了煤化工工业调节阀急需突破的难题。

黑水处理是煤化工中最重要的环节之一。

该步骤主要是将合成气洗涤废水和液渣水浴后的废水，回收并重新循环使用，保证粗合成气质量合格。

因此，黑水处理系统能否高效、稳定运行，制约着煤气化生产的稳定和长周期运行。

什么是黑水黑水是从气化炉、水洗塔、渣池排除的冲洗水，灰水是黑水经闪蒸、过滤、澄清后形成的水，大部分灰水经脱氧处理后循环使用。

黑水介质中的固体含量大且硬度比较高（一般在1000ppm 以上），当黑水介质中固体悬浮物的浓度很高时，固体悬浮物会诱发黑水中的碳酸钙等结晶，从而堵塞管道及阀门的通道。

煤化工黑水主要指煤气化系统形成的带有煤渣的固、液混合物，混合物中大部分是液体。

黑水介质具有高悬浮物、高温、高碱、高硬度等特点，且含有氨、氯离子、硫化氢、磷酸等强腐蚀介质，同时还有气化反应所产生的高硬度的固体颗粒，固体颗粒的含量最多可达到4%。

固体颗粒沉积后经常堵塞阀门节流口处，在节流口处流体混杂着硬度较高的固体颗粒高速运动，所以对阀芯、阀座等阀门关键零部件的冲蚀严重。

工艺介绍黑水处理是将来自激冷罐、湿洗塔和除渣系统的废水和系统的雨水污水等回收处理再循环利用的水处理系统。

主要包括合成气洗涤系统、锁斗系统，合成气初步净化单元和黑水处理系统4个部分。

煤气化装置中黑水角阀内部流场优化研究王永洲;陈畅;李作为【摘要】为解决煤气化装置中黑水角阀阀体损坏严重的问题,建立3种具有不同流动曲面的黑水角阀几何模型,采用CFD软件Fluent中k-ε模型,对黑水角阀内部流场进行了仿真计算和分析.结果表明,通过改变阀体入口和出口的曲率半径,在黑水角阀内部流场的不同位置产生涡流,可改变流体的流动方向,从而影响闪蒸和气蚀的发生位置,避免在阀体处发生气蚀,减轻对阀体的损坏.【期刊名称】《煤化工》【年(卷),期】2015(043)002【总页数】4页(P24-26,38)【关键词】煤气化;黑水角阀;内部流场;曲率半径;CFD;模拟;优化【作者】王永洲;陈畅;李作为【作者单位】兖州煤业榆林能化有限公司甲醇厂,陕西榆林719000;北京航天石化技术装备工程公司,北京100076;北京航天石化技术装备工程公司,北京100076【正文语种】中文【中图分类】TQ055黑水角阀是德士古煤气化装置上的关键阀门，用于控制气化炉、洗涤塔和闪蒸罐出口处黑水的流量、压力，其工况具有高压差、强冲刷、强腐蚀、介质中含有固体颗粒的特点。

在煤气化工段中，介质主要为高温的黑水、渣水或灰水，最高温度可达240℃左右，最大压差可达7.5 MPa，使用工况非常苛刻[1-2]。

黑水、渣水及灰水中含有氯离子、氨、钾盐、硫化氢或磷酸等强腐蚀介质，并含有固体颗粒，因此流体在阀门中的流场分布以及流速的分布对黑水角阀阀体及阀芯阀座等节流零部件的使用寿命会产生较大的影响[3-4]。

具有不同结构的国内外黑水角阀，会使流体在阀体内的流向发生90°变化，其流路简单，阻力小，渗漏少，适用于高压差、高黏度、含有悬浮物和颗粒状物质流体的调节，可以避免结焦、堵塞，也便于自清洗。

通过了解黑水角阀某现场使用情况，发现具有不同流动曲面的阀体使用寿命相差较大。

为了研究不同流动曲面曲率对黑水角阀内部流场的影响，优化黑水角阀内部流场，北京航天石化技术装备工程公司调节阀组选用相同阀体口径、相同内件结构和尺寸，相同阀门开度，不同流动曲面的阀体结构的黑水角阀，利用三维造型软件Solidworks2012，对黑水角阀建立了流道模型，用Gambit软件进行网格处理，用CFD数值模拟软件Fluent进行三维流场模拟[5]，对具有3种不同流动曲面的黑水角阀模拟结果进行对比分析，为进一步优化设计，提供理论依据。

黑水闪蒸系统角阀损坏原因及处理针对德士古煤化工系统气化和渣水处理装置的黑水角阀在实际应用中出现的阀体及阀座后流道冲蚀、气蚀、阀瓣脱落和阀门卡塞等现象，从结构设计、关键零部件的材料选择等方面分析了原因，提出了相应的解决方法。

1、概述用于德士古系统煤气化装置的气化和渣水处理装置中的黑水角阀，由于介质温度高、压降大、灰渣含量高、颗粒硬度高、腐蚀性强，且介质为固、液、气三相流等因素，对阀门造成极大程度的冲蚀及气蚀破坏，严重影响阀门的使用寿命和系统正常运行。

2、原因分析黑水角阀在德士古系统使用中常见的问题主要为阀体穿孔、阀瓣脱落、阀内件冲蚀和阀门卡塞等。

2.1、阀体穿孔某煤化工现场使用的黑水角阀在装置运行2 个月后出现阀体穿孔，其现场介质为含有固体颗粒的黑水，温度为200℃，进口压力为8MPa，出口压力为0. 4MPa，阀门关闭压差为10. 34MPa，管道尺寸为DN150，阀门进口法兰公称直径为DN100，阀门出口法兰公称直径为DN150，最大流量为160m3 /h。

经初步计算分析，入口流速为5. 7m /s，出口流速为2. 5 m /s。

介质流动状态为阻塞流，由于阀后压力0. 4MPa 远小于阀前200℃时的饱和蒸汽压( 1. 55MPa) ，阀后存在严重气蚀现象。

通过流体有限元分析软件( 2.2、阀瓣脱落目前在高温闪蒸工位使用的黑水角阀，其阀杆和阀瓣多采用机械紧固连接。

由于介质的高速冲击或波动，连接处易出现松动，引起阀瓣的振动。

而阀瓣材料为整体烧结的硬质合金，硬度高、脆性大，在这种循环振动的工况阀瓣容易震碎。

如使用中引发共振对阀瓣的破坏更大。

2.3、阀座后流道冲蚀和气蚀从黑水液固两相流经角阀减压后的流动状态分析，介质对阀座后流道主要产生冲蚀和气蚀破坏。

在节流口处，根据伯努利方程，静压能转变为动能，其流速急剧增加( 流动状态为湍流) 。

夹杂在黑水中的硬质颗粒( SiO2 等) 以切削、犁沟和刺入的方式对阀内件进行高速冲刷形成冲蚀。

第23卷第2期2008年6月河北工业大学成人教育学院学报J oum al of A d ul t Educat i∞s ch00l of H ebei U ni ver s时of T e chnol ogyV ol-23N o．2Jun．2008控制阀流量特性分析及闪蒸、汽蚀预防探讨殷国军1’殷锐2秦莉1l．天津市成套设备工程监理有限公司天津300384；2．国家发展银行天津分行天津30006l摘要：本文首先整体综合地介绍了控制阀的基本知识，并且就控制阀的一个重要特性——流量特性进行了深入剖析。

本文还就控制阀经常出现的两个主要问题——闪蒸和汽蚀，探讨了其产生的原因及应对措施。

文章的最后简要阐述了控制阀附件中最为重要的阀门定位器的作用及其分类。

关键词：控制阀；流量特性；闪蒸；汽蚀中图分类号：T B492文献标识码：A文章编号：1008—911X(2008)02一0036—04A n A nal ys i s of t he C ont r ol V a l ue’s Fl owC har a ct e r i st i c and I t’s Pr event i on T r eat m ent sf or t he Fl ashi ng and t he C aV i t at i onY i n G uo-j unl Y i n R I I i2Q i l l L i l(1．Ti删i n co唧I ek Eq ui p m ent E ngi n∞r i呜Super vi si on A n d M肌鸳em eⅡt Co．L坩，酬i n300384，Chi】咂；2．C M m DeVel op嗍t B a I ll【，Ti anj i n300061。

C M啮)A bs t r acl：T hi s p印er fi rs t l y舀V e s a br i ef oveⅣi ew of t he bas i c know kdge of eont rol val ve，and t hengi V e s a com pr ehens i V e anal ysi s of t he now char a ct er i st i c f or cont rol V al V e．T w o i m po nant ph enom e-non——nashi ng and ca vi t a t i on of connIol val V e ar e aL l so i l l ust r at ed i n t hi s pap er and t he a ut hor i nves-t i ga t es t he r ea s o n f or t hes e phenom e nons and gi ve s t he sol ut i on t o sol ve or pr eve nt t he pm b l em．A t t he end of出i s p印er t her e i s a br i e f i nt roduct i on of t he cont m l val ve posi t i one r w hi ch i s t he m ost i m—port ant a c ce s sor y f or cont r D l V al V e．K9y w or d：cont I D l val ve；now c ha ra ct e ri st i c；nas hi ng；c avi t a t i on阀门是专门设计成的机械器件用以直流、启动、停止、混合或调解工艺流体的流量、压力或温度。

探讨调节阀气蚀和闪蒸的控制摘要：浅析闪蒸及气蚀的成因的，探讨其产生的影响，详细地分析了调节阀在阀门结构和材料选择方面有效防止闪蒸和汽蚀影响的方法，从而减少危害的发生，为工业安全生产提供了新的思路。

关键词：气蚀；闪蒸；饱和压力；气蚀系数；压力恢复系数1、概论调节阀是常用的执行器也是自控系统中的终端控制部件，但在使用过程当中，轻易地会出现气蚀及闪蒸现象。

在气蚀的流动中，渐渐地会出现一些蒸汽气泡，与此同时，其产生的爆炸会对调节阀内部产生一定程度的破坏，造成调节阀使用寿命的逐渐缩短，而且发生的闪蒸现象，不可回避地冲刷阀芯组件，发生很严重的损毁。

这种现象不但会对阀芯组件的密封面和阀座的密封面造成损坏，更会较为严重地拉低阀门的关闭性能及使用性能。

以上这些现象的发生，一方面会造成口径选择及计算的偏差, 另一方面还会造成更为严重的后果，例如：强化噪声、加大振动、破坏材质等【1】。

总而言之，在一定程度上消除调节阀的气蚀和闪蒸，是其在使用过程中的重中之重。

2、气蚀和闪蒸的成因及影响2.1 气蚀和闪蒸的成因毋庸置疑，闪蒸及气蚀二者的出现，都与调节阀的组塞流密不可分。

组塞流是一个物理现象名词：它指的是在不可压缩流体流经控制阀的瞬间能达到的最大流速。

在控制阀中，不论哪种液体流过，如果把入口压力作为一个固定量P1，则当出口压力P2越变越小的过程中，就会出现调节阀内部的液体通过量（流量）在不断增加的现象。

巧合的是，在出口压力P2不断减少的过程中，直到其压力达到一个临界值时，调节阀内部的流量就不再改变，趋于稳定，阻塞流指的就是这个极限流量【2】。

阀门最大允许压力降，如果压差（）> ，那么就容易产生气蚀和闪蒸现象。

根据以上描述可以得出：气蚀和闪蒸的发生受制于两个压差，这两个压差值分别是：调节阀入口处状态下流体的蒸汽压Pv和缩流断面处压力Pvc。

设定FF是临界压力比，它由由流体性质决定，且恒小于FFFF1。

如果Pvc明显低于Pv，即Pvc 小于 FFPv时将会发生大量的汽化，而因气化产生的气泡会对流量的测量造成影响。

煤气化黑水角阀损坏原因与优化方案邹殿超【摘要】针对高寒条件下,某煤制化肥项目选用的高压黑水角阀在实际的生产使用中出现的冲刷、闪蒸、气蚀和阀门卡涩、运行稳定性差等现象,从高压黑水角阀的结构设计,阀芯、阀座、阀体及扩散段的材料选择等多方面提出阀门使用中的防护、阀门的线下优化等方案.实际应用表明:优化后,提高了高压黑水角阀的运行周期,保证了气化炉安全运行的稳定性.【期刊名称】《石油化工自动化》【年(卷),期】2018(054)006【总页数】4页(P82-85)【关键词】GE气化炉;煤气化;黑水角阀;阀门优化【作者】邹殿超【作者单位】中海石油华鹤煤化有限公司,黑龙江鹤岗154100【正文语种】中文【中图分类】TH138中海石油华鹤煤化有限公司煤制化肥项目是坐落于东北黑龙江鹤岗极寒地区条件下的第1套煤气化装置，该煤气化装置设有3台气化炉，为“2开1备”，采用GE 水煤浆气化技术[1-2]，以水煤浆为原料，用空分装置供给的氧气作催化剂，在温度1 400 ℃，压力6.5 MPa左右的条件下，在气化炉内进行气化反应，生成以氢气和一氧化碳为主要成分的粗合成气，经冷却洗涤后的粗煤气送至合成氨装置。

气化炉和洗涤塔底部黑水通过角阀控制进入高压闪蒸罐。

1 黑水角阀工况概述黑水角阀是GE水煤浆煤气化装置中的关键阀门，主要安装在气化炉激冷室底部到高压闪蒸罐和洗涤塔底部到高压闪蒸罐的管道上，靠近高压闪蒸罐。

在该工况中，介质主要为高温黑水、灰水和渣水，黑水温度可达到240 ℃左右，最大压差可达到6.0 MPa，工况具有高压差、强冲刷、强腐蚀、介质为固液气三相流等特点。

阀门使用环境极为恶劣，黑水、灰水及渣水中含有氯离子、硫化氢或磷酸等强腐蚀介质，并含有大量固体颗粒。

控制阀在使用中不但要承受阀门压力降引起的高流速煤灰颗粒的冲刷，还要耐受闪蒸溶解的气蚀、黑水汽化引起的腐蚀。

尤其是在高压闪蒸过程中，黑水经过角阀后从高压直接降到低压，由于闪蒸出大量工艺气，黑水流过角阀节流元件阀芯的速度非常高，导致阀内件冲刷磨损严重。

煤化工专用黑水阀阀座流通性能研究I. 绪论A. 研究背景和目的B. 相关领域的研究现状C. 研究方法论II. 煤化工专用黑水阀的工作原理和结构A. 工作原理B. 结构组成C. 工作环境和工况III. 黑水阀阀座流通性能的测试和分析A. 测试方法和测试设备B. 实验结果和数据分析C. 流通性能的评估和比较IV. 黑水阀阀座流通性能的影响因素和优化措施A. 影响因素的分析和探讨B. 优化设计和改进措施C. 流通性能的模拟和预测V. 黑水阀阀座流通性能的应用和展望A. 应用案例和实践效果B. 市场需求和竞争分析C. 发展趋势和未来展望VI. 结论A. 论文主要贡献和创新之处B. 研究中存在的问题和不足C. 下一步研究工作的方向和建议I. 绪论A. 研究背景和目的黑水阀是一种用于煤化工、煤制油等领域的专用阀门，它能够承受高温高压和腐蚀性介质，具有重要的工业应用价值。

黑水阀的核心部件是阀座，其流通性能对整个阀门性能和安全运行都具有重要的影响。

目前国内外对黑水阀阀座的研究主要集中在材料选择、密封性能、耐腐蚀性等方面，而对阀座的流通性能研究较为缺乏。

因此，本论文旨在对煤化工专用黑水阀阀座的流通性能进行研究，以提高黑水阀的工作效率和安全性。

B. 相关领域的研究现状目前国内外在阀门领域已经发展出一系列详细的标准和规范，例如GB、JB、API、ANSI等，这些标准和规范为阀门的设计、制造和使用提供了依据。

同时，阀门领域的相关研究也在不断深入和扩展，涉及材料、结构、密封、流体力学等多个方面。

但是对于黑水阀阀座流通性能的研究较少，尤其是在高温高压和腐蚀性介质等特殊环境下的研究还不够深入。

C. 研究方法论本论文采用实验研究和数值模拟相结合的方法，通过实验测试黑水阀阀座在特定条件下的流量、压降等参数，并在此基础上建立数值模型，从而分析阀座的流通性能和影响因素。

研究结果可以为优化黑水阀的设计和选择阀座材料提供参考。

II. 煤化工专用黑水阀的工作原理和结构A. 工作原理黑水阀是一种用于控制介质流量的阀门，其工作原理基于阀芯和阀座之间的密封作用，用来实现介质的开启、关闭、调节和流量控制等功能。

48水煤浆加压气化工艺是国内目前广泛应用、规模较大、技术成熟稳定的煤气化工艺，其核心设备之一工艺烧嘴的安全、稳定、长周期运行，对整个煤化工生产企业的安全、长周期、满负荷生产运行和高效益生产起着决定性作用。

一、高闪气产量及回收利用价值分析气化炉与洗涤塔排出黑水量设计值分别为144t/h和15t/h，经减压阀减压后进入设计压力为0.9MPa、温度为179℃的高压闪蒸罐中，在高压闪蒸罐中闪蒸出大量的闪蒸气，经冷却及气水分离后闪蒸气设计流量为403.2m3/h（即标况下的流量为18kmol/h）；高闪气组分设计含量为CO27.20%（摩尔分数，下同）、H218.27%、CO220.37%、H2O33.62%、C l20.06%、A r0.06%、N20.11%、H2S0.39%、NH30.04%。

若所有的气体都视为标况下的理想气体，则有效气（H2+CO）的流量为18×1000×(27.20% +18.27%)×22.4/1000=183.3m3/h，那么5台在运气化炉的有效气（H2+CO）流量为183.3×5=916.5m3/h。

实际生产中，为满足工艺要求、缓解系统结垢，均加大了系统的水循环量——气化炉大黑水的排量在190t/h、洗涤塔小黑水排量在50t/h，远大于设计值，因此，实际高闪气量也远大于设计值;又因为大、小黑水量增大，黑水至低压闪蒸、真空闪蒸系统后，导致低压闪蒸系统超压，真空闪蒸系统真空度不好，使灰水温度升高，影响污水处理。

于是，据实际情况将高压闪蒸系统压力降至0.65MPa运行，以满足后系统工况要求，而高压闪蒸系统操作压力降低后，闪蒸出的闪蒸气更多，正常生产中，据高压闪蒸罐闪蒸气出口流量计示数得出实际每套闪蒸系统的高闪气量约800m3/ h，5套闪蒸系统高闪气总量为4000m3/ h；高闪气取样分析组分为CO24.20%、H228.21%、N20.23%、CO247.06%、CH4475mL/m3、H2S2000mL/m3，则高闪气中有效气（H2+CO）的流量为4000×（24.20%+28.21%）=2096m3/h。