1 引言
   中國(guó)863國(guó)家重點(diǎn)科技項(xiàng)目——多噴嘴對(duì)置水煤漿氣化爐裝置（以下簡(jiǎn)稱氣化爐），由華東理工大學(xué)和天辰化工公司聯(lián)合設(shè)計(jì)開發(fā)，在兗州礦國(guó)泰化工有限公司實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)，標(biāo)志著中國(guó)煤氣化技術(shù)進(jìn)入國(guó)際先進(jìn)行列。新型氣化爐不僅節(jié)約煤炭和氧氣，而且轉(zhuǎn)化率高，不污染環(huán)境，生產(chǎn)控制方便，在中國(guó)得到了迅速推廣。
   氣化爐燃燒壓力4.0~6.3MPa，溫度1100~1300℃，它是一個(gè)高溫高壓燃燒罐，是一個(gè)高度危險(xiǎn)的裝置，一旦發(fā)生事故，后果難以想象，安全可靠性第一；其次，為了保持正常燃燒狀態(tài)，噴射的水煤漿流量必須與混合氧流量相匹配，否則煤粉燃燒不完全或產(chǎn)生無(wú)用氣體，氧氣過(guò)量時(shí)可能爆炸，自動(dòng)控制系統(tǒng)控制精度高，穩(wěn)定性好；第三，氣化爐是一種連續(xù)工作的裝置，必須有相當(dāng)長(zhǎng)的使用周期。由于氣化爐裝置的上述特點(diǎn)，其輔助設(shè)備及相關(guān)控制儀器也提出了許多技術(shù)要求?？刂崎y直接控制生產(chǎn)介質(zhì)，必須有適合氣化條件的特殊結(jié)構(gòu)。介紹了以下幾個(gè)典型的控制閥。
   2 氧氣切斷閥和氧氣流量控制閥
   氣化爐高壓高速燃燒，大量氧氣進(jìn)入，為保證正常燃燒狀態(tài)，確保氣化爐安全，必須嚴(yán)格調(diào)整氧氣流量控制，快速無(wú)泄漏切斷氧氣，由于調(diào)節(jié)切斷兩個(gè)功能要求很高，通常使用三個(gè)控制閥，即氧氣流量控制閥、氧氣切斷閥、氧氣排氣閥，統(tǒng)稱為氧氣閥。與一般工業(yè)工藝控制閥相比，氣化爐氧氣閥有幾個(gè)特殊要求：
   a）高壓差。氧氣切斷閥關(guān)閉壓差最高，達(dá)5.0~7.0MPa，在如此高的壓差條件下，要求其泄漏等級(jí)達(dá)到Ö一般控制閥很難達(dá)到，只能使用O球閥。由于高壓差，球體承受大的側(cè)向推力，因此采用固定的球結(jié)構(gòu)，由上下軸承承承承受推力，大大降低了球體表面與閥座之間的摩擦扭矩。氧氣流量控制閥主要是為了準(zhǔn)確調(diào)整流量，要求其具有良好的流量特性；其次是關(guān)閉時(shí)的切割性能，泄漏等級(jí)為Ö因此，一般選用套筒控制閥。
   b）材料。高壓氧氣在閥門內(nèi)高速流動(dòng)，可能與零件摩擦，產(chǎn)生熱量，如碳化物爆炸；因此，與氧氣流束接觸的零件不能由碳鋼制成；鎳基合金（Inconel或超低碳奧氏體不銹鋼(如316)L，304L），結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工況的差異，選擇閥體材料MONEL選用材料、閥芯、閥座材料MONEL400/ALLY6號(hào)材料，為避免閥桿長(zhǎng)時(shí)間處于開度不變而垢死，選用閥桿K500材質(zhì)。
   c）工藝要求。所有接觸氧氣的零件必須清除水和油，以確保清潔和清潔。由于高壓氧氣在閥內(nèi)的流速為20~30m/s，如果遇到毛刺、凹槽、凸肩等高速摩擦，流道內(nèi)壁和閥門部件的幾何形狀應(yīng)光滑過(guò)渡，表面光滑。因此，在設(shè)計(jì)、加工、裝配、試驗(yàn)、運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)制定了嚴(yán)格的工藝程序，以確保滿足預(yù)定的技術(shù)要求。因此，氧氣閥的特殊要求在于材料和工藝。
   由于高壓氧氣的易爆特性，氧氣閥本身是一個(gè)易爆的危險(xiǎn)裝置；為確保安全，在選用氧氣閥的公稱壓力時(shí)要提高2個(gè)壓力等級(jí)，如氣化爐的壓力為6.3MPa，然后選擇閥門的公稱壓力PN160（ANSIClass900）。
   3 煤漿切斷閥和煤漿灰水控制閥
   水煤漿是液相和固體粉末的混合介質(zhì)，在閥芯和閥座之間形成的環(huán)節(jié)流口形成較高的流速。它面臨三個(gè)問題：煤漿在閥門節(jié)流口達(dá)到相當(dāng)高的流速，由于煤漿具有一定的硬度，其腐蝕破壞力很大；煤漿也會(huì)沉積，堵塞閥腔，因此閥門流道暢通，無(wú)死角；煤漿非常薄，可以滲入閥芯導(dǎo)向間隙，可能導(dǎo)致閥芯卡住。煤漿具有一定的附著力，在閥芯閥座的密封面上形成規(guī)模，影響閥門的泄漏水平，因此控制閥需要自動(dòng)清除規(guī)模。因此，灰水閥也有三個(gè)特殊要求：耐腐蝕、堵塞、自清洗?；宜畮缀鯖]有腐蝕性，所以碳鋼材料可用于閥體和閥蓋，一般奧氏體不銹鋼可用于閥芯、閥座等基體材料，表面可熱敷一層耐腐蝕硬合金；灰水形成的規(guī)模小于結(jié)焦層，因此無(wú)需配備大扭矩執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
   根據(jù)上述情況，灰水控制閥一般選用耐腐蝕偏心旋轉(zhuǎn)控制閥[7]，閥體內(nèi)腔與圓柱形相似，光滑無(wú)死角，煤灰不能堆積。閥芯旋轉(zhuǎn)，灰渣難以滲入兩側(cè)導(dǎo)套間隙，即使形成結(jié)垢，由于附著力不強(qiáng)，閥芯旋轉(zhuǎn)容易擠壓；此外，當(dāng)閥芯關(guān)閉時(shí)，由于結(jié)構(gòu)原因，閥芯和閥座有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，可磨損密封面上的結(jié)垢，具有自清洗功能。選擇該控制閥的另一個(gè)重要原因是體積小、重量輕、安裝方便；直徑相同的閥只有角控制閥的三分之一左右，閥體、閥蓋等部件可使用碳鋼，價(jià)格便宜得多。由于煤漿在氣化爐中的燃燒速率與其他系統(tǒng)的反應(yīng)速率有關(guān)，但也與氧氣供應(yīng)和冷卻有關(guān)，為了保持穩(wěn)定的燃燒狀態(tài)，不斷調(diào)整煤漿的流量，因此需要相當(dāng)高的調(diào)節(jié)精度，通常選擇等百分比的流量特性。
   4 鎖渣閥
   鎖渣閥工藝介質(zhì)為渣水，含渣20%，具有腐蝕性和揮發(fā)性；沖洗水閥介質(zhì)為灰水；每小時(shí)開關(guān)4次。選用球閥，閥體采用碳鋼加流道堆焊Stellite(斯特立)合金；閥桿采用防噴桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Cr13鍛件，鍍Ni，P；閥球采用固定球，密封面和流道口堆焊Stellite閥球唇堆焊斯特立合金厚度不低于12mm，球噴或堆焊硬質(zhì)合金；閥座為316堆焊Stellite堆焊層加工后合金不小于1mm，閥座后彈簧材料為Inconel750.閥座后必須有防砂結(jié)構(gòu)，防止灰渣進(jìn)入彈簧后彈簧故障。閥腔具有自動(dòng)卸壓功能。當(dāng)閥門關(guān)閉時(shí)，閥腔內(nèi)的壓力高于關(guān)閉壓力時(shí)，壓力可自動(dòng)卸至低壓側(cè)。填料為柔性石墨（潤(rùn)滑）。硬度要求為閥座HRC5254，閥球HRC5862。執(zhí)行機(jī)構(gòu)有足夠的選擇，開關(guān)次數(shù)為100萬(wàn)次無(wú)故障；額定氣源壓力為0.45MPa力矩值為30~50kN•m之間；當(dāng)切斷球閥因某種原因卡住時(shí)，氣源壓力升高，氣缸能承受不小于0.12MPa氣源壓力；閥桿不會(huì)斷裂或變形。鎖渣閥采用雙向硬密封球閥、閥球和閥座硬化處理、三級(jí)固定球結(jié)構(gòu)和浮動(dòng)閥座，確保氣化定期排渣和安全聯(lián)鎖運(yùn)行。
   5 合成氣蝶閥
   氣化爐出口合成氣流量大，動(dòng)作快，泄漏等級(jí)高。因此，蝶閥用于控制流量。蝶閥具有氣動(dòng)執(zhí)行器力距大、表面陽(yáng)極氧化、齒輪齒條結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，正常使用壽命可達(dá)100萬(wàn)次；閥體、閥板、閥軸同心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，雙向氣體100%Ⅵ分級(jí)密封；無(wú)支架結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，體積小。采用無(wú)銷連接，維護(hù)方便；無(wú)靠背設(shè)計(jì)確保閥門安裝后不增加扭矩距離。蝶板為進(jìn)口高性能噴涂板，比普通板更耐磨，壽命更長(zhǎng)，流量特性優(yōu)良。
   根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)選擇三偏心蝶閥。三偏心蝶閥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在雙偏心閥桿軸位置偏心時(shí)，蝶板密封面的錐形軸向本體圓柱形軸傾斜。第三偏心后，蝶板的密封截面不再是圓形的，而是橢圓形的，因此其密封面形狀不對(duì)稱。一方面，它傾斜于本體的中心線，另一方面，它與本體的中心線平行。第三偏心最大的特點(diǎn)是從根本上改變了密封結(jié)構(gòu)，不再是位置密封，而是扭矩密封，即不依賴閥座的彈性變形，而是完全利用閥座的接觸面壓力來(lái)達(dá)到密封效果。因此，金屬閥座零泄漏的問題一舉解決，由于接觸面壓與介質(zhì)壓力成正比，耐高壓高溫也很容易解決。
   6 黑水調(diào)節(jié)閥
   氣化爐燃燒產(chǎn)生的原料氣和煤灰分別從下部排出。噴水冷卻后，大部分煤灰沉入鎖斗后排出；但冷卻水仍含有相當(dāng)多的煤灰，因此從氣化爐排出的冷卻水通常被稱為黑水，通過(guò)控制閥進(jìn)入下一個(gè)過(guò)程，通常加熱到250℃此時(shí)，煤粉中的許多化學(xué)成分開始分解并與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成各種腐蝕性物質(zhì)。因此，控制閥的閥體、閥蓋和與熱煤漿接觸的所有部件必須使用耐腐蝕材料，特別是閥體和閥蓋。一般奧氏體不銹鋼不能使用，而是鐵素體奧氏體雙相結(jié)晶不銹鋼，不僅具有很強(qiáng)的耐腐蝕性，而且其機(jī)械強(qiáng)度是奧氏體不銹鋼的兩倍多。
   根據(jù)該技術(shù)特點(diǎn)，在許多結(jié)構(gòu)類型中，角控制閥滿足要求，單座結(jié)構(gòu)角控制閥芯頂部導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，閥芯手柄與導(dǎo)套之間有一定間隙，雖然在主流束上方，但黑水不可避免地滲入導(dǎo)向間隙，一旦停止，在間隙中形成結(jié)焦膜層，附著力強(qiáng)；再次啟動(dòng)時(shí)，閥芯經(jīng)?？ㄗ?。為了防止卡住，在閥芯的導(dǎo)向段設(shè)計(jì)了一個(gè)去除結(jié)構(gòu)，去除的結(jié)焦粉末可以通過(guò)逃生槽排出，也就是說(shuō)，該控制閥也具有自清洗能力。由于去除結(jié)焦需要很大的推力，經(jīng)常配備大口徑氣動(dòng)活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其推力遠(yuǎn)大于普通氣動(dòng)膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)；必要時(shí)串聯(lián)使用多個(gè)活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)，推力大于150kN。
   因此，選擇單座結(jié)構(gòu)的角控制閥。由于煤粉硬度高，流速高，腐蝕破壞力強(qiáng)，因此黑水流控制閥座、閥芯和可能被沖刷的零件，采用腐蝕材料加工，或在零件表面熱壓一層腐蝕材料，材料緊密，表面硬度高于煤粉，必須選擇碳化鎢（WC）硬質(zhì)合金為主。
   根據(jù)氣化爐上述控制閥的特點(diǎn)，作者選擇了國(guó)內(nèi)外控制閥中的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。目前已成功應(yīng)用于新型水煤漿氣化爐的生產(chǎn)，運(yùn)行穩(wěn)定，聯(lián)鎖安全可靠，維護(hù)滿足了工藝操作過(guò)程的控制和使用。設(shè)計(jì)建設(shè)中有27臺(tái)多噴嘴對(duì)置水煤漿氣化爐，許多公司（包括國(guó)外）有意使用該技術(shù)，標(biāo)志著中國(guó)與國(guó)外氣化技術(shù)完全競(jìng)爭(zhēng)，多噴嘴對(duì)置水煤漿氣化技術(shù)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)前景廣闊。報(bào)告的多噴嘴對(duì)置水煤漿氣化裝置儀表控制技術(shù)開發(fā)與工程應(yīng)用項(xiàng)目獲得2007年石油化工自動(dòng)化工業(yè)科技獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)，與控制閥的選擇和應(yīng)用密不可分。