干煤粉气化炉仪表及控制阀选型和优化探讨

于广吉，王俊杰

(国家能源集团宁夏煤业有限责任公司 煤制油分公司，宁夏 银川 750411)

国家能源集团宁煤4 Mt/a煤炭间接液化项目气化装置采用GSP气化炉和神宁炉共计28台，数量远大于目前为止所有的单套煤化工装置，在设计和选型上更加容易暴露存在的问题，本文以两种气化炉为例，探讨干煤粉气化炉仪表及控制阀选型、调试和优化经验。

面对中国多煤、少油、缺气的能源格局，以煤为原料生产甲醇、烯烃、乙二醇、天然气和油品的工艺生产路线越来越受到关注，也是中国煤化工产业发展的重点领域。气化炉作为煤化工的龙头装置，不同于传统石油化工行业，由于工艺介质为煤粉，容易对仪表和阀门造成冲刷，同时由于煤粉成分复杂，所产生的黑水和灰水腐蚀性强、容易结垢，而气化炉具有高温、高压，煤粉及合成气具有易燃、易爆等特点，对仪表和阀门的性能都提出了较高的要求。如果仪表和控制阀选型不合理，轻则出现测量不准确、控制阀控制不稳定等情况，影响装置的安全运行；重则发生泄漏，造成火灾、爆炸等事故。本文就该项目干煤粉气化炉仪表及控制阀选型、调试和优化经验进行探讨。

1 流量计和盘阀的选型

1.1 煤粉流量计

1.1.1应用工况简介

煤粉和氧气在气化炉内4.52 MPa压力和1 400～1 600 ℃的温度下进行气化反应，气化反应所需的氧气量由粉煤的质量流量决定；氧煤比根据气化炉的不同负荷进行相应调节；气化温度由液态渣特性以及粉煤中灰质量分数决定。如果煤粉质量流量测量不准，气化炉出现过氧情况，轻则导致烧嘴损坏，水冷壁烧穿，重则出现炉内燃烧、爆炸，严重影响装置安全运行。

传统方法是采用电容式速度计和放射性密度计组合测量煤粉质量流量。由于采用分体设计，增加了故障点数，测量的稳定性与灵敏度方面差强人意，该装置运行以来多次出现因速度计和密度计故障引起的气化炉跳车，并且放射性仪表需要专业人员维护，在寿命到期后存在放射源回收问题，增加了装置运营成本。

在该项目上采用了高频振荡电磁波技术的一体式煤粉流量计，避免了传统电容式速度计的测量不稳定问题，同时可以输出密度信号，避免了放射性仪表的维护及放射源回收问题。一套完整的测量系统由传感器和中央处理单元组成，采用自动调谐式电磁波技术。基于自动调谐式电磁波技术和自适应式数字信号处理技术，实现对高压密相粉煤气相关参数的高精度、免维护在线监测，实现了在线检测管道内煤粉的悬浮密度和质量流量及在线检测管道内煤粉绝对流速。

1.1.2测量原理

该流量计采用微波透射法原理测量煤粉密度和流态，如图1所示，在煤粉流经通道的两侧布有微波发射和接收单元。微波在煤粉中传播时，是1个衰减的正弦波或余弦波，其振幅沿传播方向随着能量被煤粉流吸收而逐渐减少，呈现指数型衰减，电磁波功率损耗曲线如图2所示。

图1 新型煤粉质量流量计测量原理示意

图2 电磁波功率损耗曲线示意

当选择合适的频率和固定的传输路径时，微波衰减能量的大小与煤粉的密度呈一定的关系。依据该原理，可通过接收到的透射微波能量来检测管道内煤粉密度和流态的变化。

该设计相较于核放射式煤粉密度测量，从原理上避免了核放射带来的安全隐患，减少了维护和运行成本，并避免放射源衰减引起的零点漂移问题；相较于等效电容法，不会因煤粉与传感器管壁摩擦导致的静电荷积累引起的测量信号干扰；相较于微波反射法，对于流态分布不均匀的煤粉流测量更加准确，灵敏度更高。

无源一体式粉煤质量流量计基于高速浮点数字信号处理技术、通过非接触的自调谐式电磁波技术直接感应测量管中密相粉煤流动时产生的流态信号，利用离散随机信号数字处理技术，对传感器获得的流态信号进行自适应式数字滤波处理、离散变换及谱分析，从中提取有效的煤粉流态信息，抑制信号中的噪声，估计信号的特征参数，变换成易于分析和识别的型式等。

该一体式煤粉流量计在该项目中使用2 a来，未发生过事故，测量的稳定性和准确性有了较大提升。

1.2 煤锁斗盘阀

煤锁斗通过进料—升压—下料—泄压等一系列过程，将常压的煤粉加压到5 MPa，输送到煤粉给料罐。在煤锁斗的运行过程中，煤粉颗粒细，流速快，对阀门的冲刷较为严重，在进料、下料、泄压等位置传统的煤锁斗阀都采用球阀，在运行1a后，容易出现阀门冲刷、内漏、卡涩等问题。出现问题后，大口径球阀拆卸困难，维修费用高。

在该项目中的盘阀由于自身结构优势，具有自清洁、研磨的功能，可以充分地保证阀门密封性。阀盘、阀座材质采用双相钢并进行硬化处理，阀盘、阀座的硬化材料为合金FSLLOY12，其基本组分为W-Cr-Si-Ni-C，硬度可达67HRC，其中阀盘与阀座之间有硬度差。阀盘、阀座涂层厚度至少0.8 mm，处理方式为喷熔工艺，结合强度可达400 MPa，超过20.68 MPa，残留应力小，抗腐蚀、抗热冲击和机械冲击性能好，硬化层不易剥落。在使用盘阀的2a时间内，该工况阀门未出现任何问题。

2 调试和优化经验

2.1 煤锁斗和给料罐料位测量

由于煤锁斗和给料罐内料位介质是煤粉，在运行过程中，粉尘流动，造成气相密度波动大，普通的测量方法无法测量料位，只能采用放射性料位计，利用射线穿透原理，通过接收器计数率的变化，间接测量料位。

一般大型煤化工项目，采用进口放射性料位计测量料位，该项目放射性料位计采用国产化产品，在装置试车时发现，放射性料位计出现显示失真问题，在常压下对给料罐进行标定，升压后料位显示失真。

分析后发现，放射性计数率受设备压力变化影响较大，罐内压力越大射线衰减越严重，计数率越小。用于测量的射线强度变化区间减小可能会影响仪表的测量效果，因此需要重新标定数据，重新标定料位测量区间。以带压空罐的计数率为量程上限，以无压满罐的计数率为量程下限，设置量程，避免了测量过程中料位波动和误报的情况，虽然精度有所降低，但是满足了生产过程中的测量需要，避免了误显示的问题。

2.2 解决偏心旋转阀冲刷严重问题

合成气洗涤系统中，通过文丘洗涤器对气化炉出来的粗合成气进行洗涤，循环水从收缩段进入，在收缩段中，由于气液两相间相对流速很大，高压循环水在高速气流下进一步雾化成更细小的水滴，尘粒与液滴之间碰撞团聚。在扩散段，气液速度减小，压力回升，以尘粒为凝结核加快聚成直径较大的含尘液滴，进而在除雾器内实现了气液分离，达到了除尘目的。在整个洗涤过程中，洗涤水的流量控制较为重要，整个合成气洗涤系统的用水量为413 m2/h。

在生产过程中发现减湿器底部高温循环水去一级文丘里、二级文丘里、洗涤塔塔盘和洗涤塔下部的4台控制阀，在水循环期间有小开度大流量的问题。

上述阀门检修过程中，出现了类似气蚀的现象，推测有两种可能： 阀芯处出现了闪蒸；合成气系统压力低时，阀芯被高压差流体长期冲刷。

对气化炉大水循环、开车、正常和停车工况进行分析后发现，造成该问题的主要原因是泵的出口压力基本处于恒定状态，阀门的前后压差设计为1.13 MPa，但在这三种工况下，系统压力处于变化过程中。

1)建立大水循环工况，阀前泵出口压力为5.79 MPa，阀后系统压力0，需要减压5.79-1.13=4.66 MPa。

2)开车工况，阀前泵出口压力为5.79 MPa，阀后系统压力0.5 MPa，需要减压5.79-1.13-0.5=4.16 MPa。

3)正常工况，阀前泵出口压力为5.79 MPa，阀后系统压力4.0 MPa，需要减压5.79-1.13-4.0=0.66 MPa。

4)停车工况，系统无热量输入，闪蒸罐2和闪蒸罐1顶部热量减少，减湿器内温度逐渐降至循环水罐液体温度。该工况暂不考虑。

针对该问题，需要降低泵出口管线压力，但在现有技术条件下，实现泵出口压力随开车进行动态调整存在技术困难。所以通过增加限流孔板和压力控制阀，进行高压循环水管线的动态压力调整，避免高压差对于偏心旋转阀的冲刷。改造后将偏心旋转阀的寿命由10个月提高至2a，实现了延长阀门寿命的目的。偏心旋转阀降压改造如图3所示。

图3 偏心旋转阀降压改造示意

3 结束语

气化装置作为煤化工的龙头装置，由于“吃煤吐气”的工艺路线造成了气化装置工艺介质脏，颗粒物含量大，腐蚀性强等问题，在石油化工等行业的传统仪表阀门选型经验，无法满足煤化工苛刻工况下的要求，煤化工对仪表和阀门的性能提出了更高的要求。该煤炭间接液化项目，作为全球规模较大的煤化工装置之一，仪表及控制阀选型、调试和优化经验，对于其他干煤粉气化炉具有较大的推广和参考意义。