黑水调节阀设计与应用 | |
来源:哲成阀门 作者:哲成阀门贸易部 发布时间:2024-1-15 阅读:次 | |
在煤制甲醇、煤制乙烯、煤制合成氨等领域,水煤浆气化工艺促进了煤化工产业的量产化、经 济化。在水煤浆气化工艺中,除了闪蒸罐作为合 成转换的核心装置外,气化炉与洗涤塔内的黑水调节阀也是不可缺少的组成部分。黑水调节阀的长期稳定运行影响整体装置的持续生产,但在严苛工况下,黑水调节阀使用寿命极短。 1 黑水工况分析 黑水闪蒸系统承接来自气化炉、洗涤塔、闪蒸 罐的流体、液位调节任务。 由于固相含量高、颗粒硬度大,在高压差、高 流速的条件下,固体颗粒成为调节阀设计的首要 难点。首先,高速冲击下的固体颗粒会撞击流体 通路上阻碍前进的零件,比如阀芯、阀座、阀杆等。 这部分起调节功能的零件由于其加工材料、原材 料二次处理的方式、抵抗冲击的结构,导致在其表 面产生凹坑、刮伤、裂纹。这些因固体颗粒冲击造 成的缺陷,会随着液体闪蒸、空化的影响,再次侵 蚀零件,直至零件破碎、弯曲、折断。 由于黑水闪蒸系统中,调节阀面对的是高压 差工况,因此黑水液相是检验调节阀强度的重要 组成部分。由于在高压差工况下,为了减少阀门 启闭,在阀腔内设置用于平衡阀芯与阀杆上下两 侧压力的平衡区。液体在高压作用下,会冲击调 节阀腔内部的平衡区域,流道形状若不能对流体 产生疏导、转向、减速作用,则会加大阀腔内隔板 的压力承载,导致阀腔出现裂纹、贯通等现象。 黑水调节阀面临高压差工况,闪蒸与空化无 法避免。汽化后的黑水流体体积急剧膨胀,对阀 芯表面、阀座密封面、阀门出口处的文丘里扩口延 伸管或管道产生冲击,甚至造成零件表面破碎与 管道破损。同时,也会导致管道及下游工艺设备 管口产生振动。 3. 1 调节阀的结构类型 设计者首先要确定调节阀的结构类型。缩短 介质在调节阀内流通的时间。调节阀结构一般分 为直通式和角式,见图 1。 图 1 调节阀的结构模型 在对黑水进行调节时直通式调节阀需要进行 2 次急转向,并且固体颗粒易沉降在管道与转向 处底部。而具有平滑转向、不易沉降的角式,其结 构能够很好地引导介质流动。阀门打开时,介质几乎不受任何阻力就可以流出调节阀,最大限度减少介质对调节阀的冲击。 阀内零件直接暴露在流体通路中,固体颗粒 直接冲击作用下,大幅降低零件的使用寿命,见 图 2。
3.2.1 强化零件 零件的材料材质及结构尺寸决定了其使用寿命。加粗调节阀阀杆,并在关键冲击点喷涂硬质 合金,以提升零件的使用寿命。 对介质流动进行疏导,或者对零件的流动结构进行优化,避免零件直接承受冲击,见图 3。在流体进入芯之前,通过流道弯曲将其引导至与阀芯形成一定角度,大幅弱化对阀芯径向的冲击,同时也可减少震动,保证阀门稳定运行。 阀内零件可具有一定角度、弧度,减少突起、台阶 凹槽等可能影响流体流动并加剧冲蚀的结构。
3. 3 固体颗粒沉积 细小的固体颗粒易堆积在调节阀内腔死角或 结痂在阀芯、阀座、阀杆表面,导致流通受阻,见图 4。 图 4 优化前沉积示例 3.3.1 减少沉积位置 将阀腔与零件设计成与液体流向一致的结 构,与阀腔路径形成整体的流线型,主动减少阀腔 的静态死角、零件易沉积的台阶等结构。流体在 流动过程中可自发地将固体颗粒带出阀腔内部 ( 见图 5) ,有助于减少固体颗粒沉积,改善阀腔结 构的流通能力。
3. 3.2 疏导沉积 在温度、溶质、压力等因素下,固体颗粒会附着于阀腔与零件表面,需要对阀腔结构与零件表面设置静态疏导结构。阀腔内部易沉积位置设计排污口,通过曲面、倾斜、凹坑等结构,利用重力引 导固体颗粒向排污口聚集,也可以利用流体冲刷 沉积位置以达到辅助清理的作用( 见图 6) 。
在零件表面,用沟槽、环槽等结构引导附着的 固体颗粒,防止过渡配合导致固体颗粒的侵入而 卡死,见图 7。
对于需要小配合的导向部分来说,固体颗粒附着与配合表面无法避免,可以选择螺旋环槽 + 竖直沟槽将部分附着与配合表面的固体颗粒挂下,已经进入配合表面的固体颗粒受液体冲刷及重力作用下顺环槽排出,减少故障卡死几率。环槽和沟槽形状可与流体通路配合以辅助排出固体颗粒。 在设计黑水调节阀时,应充分考虑流体介质 的腐蚀性与固体颗粒的冲刷性。对于运输作用大于承压作用的基础管道,可 使用含碳量较低的耐腐蚀碳钢或不锈钢材质,其 中易冲刷的重点部位如弯头、变径法兰处使用不 锈钢基底并堆焊或喷涂的方式加强管道的耐冲刷 与耐腐蚀性能。 黑水介质的主体是流体,因此阀腔内部流道 的形状、结构影响阀体的压力恢复系数,是保证阀 体稳定性与安全性的关键。不合理的流道设计( 见图 8) 会使内墙部分隔 板承受不必要的冲击,流道内部转向僵硬; 过渡部 分中无用的沟槽会使流体在流动过程处于紊乱的 状态,导致阀腔内部产生涡流和紊流,冲击阀芯、 阀腔,引起震动。
3. 4 液体腐蚀 在设计黑水调节阀时,应充分考虑流体介质 的腐蚀性与固体颗粒的冲刷性。对于运输作用大于承压作用的基础管道,可 使用含碳量较低的耐腐蚀碳钢或不锈钢材质,其 中易冲刷的重点部位如弯头、变径法兰处使用不 锈钢基底并堆焊或喷涂的方式加强管道的耐冲刷 与耐腐蚀性能。对于承压作用大于调节作用的黑水调节阀, 可使用抗腐蚀、结构强度高的奥氏体不锈钢或者 双相不锈钢材质,其中在流体转向、密封等主要冲 刷点增加局部厚度,保证腐蚀余量,提高可靠性。 黑水介质的主体是流体,因此阀腔内部流道 的形状、结构影响阀体的压力恢复系数,是保证阀 体稳定性与安全性的关键。不合理的流道设计( 见图 8) 会使内墙部分隔 板承受不必要的冲击,流道内部转向僵硬; 过渡部 分中无用的沟槽会使流体在流动过程处于紊乱的 状态,导致阀腔内部产生涡流和紊流,冲击阀芯、 阀腔,引起震动。
(1)黑水调节阀在阀门出口处需要应对高压差带 来的液体汽化以及体积膨胀所造成的空化效果, 会对阀座出口及下游管道产生严重冲刷。此时结 构性设计能够起到的作用比较有限,只能考虑其他的方法改善出口条件。 ( 1) 首次对各项工艺控制指标进行调整,打 破原有控制入口 COD 的思维,改变了生物处理系 统内的工艺走向。 实施该方案后,运行状况较好,各项工艺指标 调整在一定范围内,总氮指标稳定在 20 mg / L 半 月有余。但该数据是在控制厂区大量高浓度排水之后得到,且仅接受了一部分污水,出口总氮指标 仅能在一段时间内维持达标。根据前期经验判 断,逐步细化各工艺控制指标,总氮质量浓度日均 值现可维持在 10 ~ 35 mg / L,其数值受进水水质 和水量多种因素制约。 通过对污水处理系统内各工艺指标的调整进 行突破性创新,将总氮、COD 等指标保持在相对 稳定的范围内。在进行技术革新的过程中,理论 结合现场实操,建立起一套以运行优化为目标的 操作流程,避免了环保方面的事故问责及处罚。 |
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