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控制閥在煤化工行業(yè)的應(yīng)用
2023-02-15
1、煤化工行業(yè)
我國是一個富煤、貧油、少氣的國家,煤炭資源已探明儲量和可采儲量占全球比例分別為19%和38%;而我國石油已探明儲量和可采儲量占全球1.3%和4.6%。煤炭可開采129年、天然氣可開采43年、石油僅可開采15年。我國的石油緊缺和油品消費增大的矛盾日漸突出,對外依存度達50%,預測2020年將達到60%。對進口的依賴越發(fā)嚴重。2009年5月國務(wù)院下發(fā)《石化產(chǎn)業(yè)調(diào)整和振興規(guī)劃》中明確要求:積極引導煤化工行業(yè)健康發(fā)展,重點抓好煤制油、煤制烯烴、煤制天然氣、煤制乙二醇和煤制二甲醚等五類示范工程,這使現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)在我國得到快速發(fā)展。
2、煤化工行業(yè)的特點
2.1煤化工概念
以煤炭為原料的相關(guān)化工產(chǎn)業(yè)被統(tǒng)稱為煤化工。
根據(jù)生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品對象的不同可以分為煤焦化、煤電石、煤氣化和煤液化四條產(chǎn)業(yè)鏈。其中煤焦化、煤電石、煤氣化(合成氨制化肥)屬于傳統(tǒng)的煤化工產(chǎn)業(yè)。煤氣化制醇醚燃料和煤制液化燃料屬于現(xiàn)代煤化工領(lǐng)域,也即通常所說的“煤制油”。

2.1.2 煤化工的特點
1)易燃易爆易中毒的物質(zhì)多。
2)高溫露天操作煙氣粉塵多。
3)生產(chǎn)工藝條件苛刻,高溫高壓、易沖刷、磨損、腐蝕等。
4)生產(chǎn)規(guī)模的大型化和生產(chǎn)過程的自動化。
2.2 煤制油工藝技術(shù)
2.2.1 煤制油和石化制油的區(qū)別
煤制油和石化制油的區(qū)別在于原料的不同。石化制油的原料是液態(tài)的原油,其工藝重點在于裂解過程。而煤制油的原料是固態(tài)的煤,其工藝重點在于氣化過程。氣化技術(shù)的發(fā)展由最早的魯奇爐、德士古水煤漿爐、殼牌干煤粉爐以及西門子GSP氣化技術(shù),使煤的轉(zhuǎn)化率大大提高,對煤質(zhì)的要求大大降低,高新技術(shù)的發(fā)展使工藝的穩(wěn)定性和生產(chǎn)成本逐步趨于工業(yè)化、市場化、商業(yè)化。
2.2.2 煤制油的工藝方法
煤制油是以煤炭為原料,通過化學加工方法將固態(tài)的煤轉(zhuǎn)化合成為液態(tài)的石油燃料產(chǎn)品,其工藝可分為直接液化和間接液化兩種。直接液化是把煤炭先磨成煤粉與溶劑配制成油煤漿,然后在高溫、高壓、加氫處理的條件下轉(zhuǎn)化成油品。間接液化是先把煤炭在高溫下氣化,再在催化劑作用下加氫處理合成油品。
2.2.3 煤間接液化的工藝過程
煤的間接液化技術(shù)是先將煤全部氣化成合成氣,然后以煤基合成氣(一氧化碳和氫氣)為原料,在一定溫度和壓力下,將其催化合成為烴類燃料油及化工原料和產(chǎn)品的工藝,包括煤炭氣化制取合成氣、氣體凈化與交換、催化合成油或液體燃料-甲醇、二甲醚等烴類產(chǎn)品以及產(chǎn)品分離和改制加工等過程。合成條件較溫和,無論是固定床、流化床還是漿態(tài)床,反應(yīng)溫度均低于350℃,反應(yīng)壓力2.0~3.0MPa。煤間接液化的工藝流程圖見圖1-8-3。

2.2.4 煤直接液化的工藝過程
煤直接液化是在高溫( 4 0 0 ℃ 以上) 、高壓(20~30MPa以上)條件下,在催化劑和溶劑作用下使煤的分子進行裂解加氫,直接轉(zhuǎn)化成液體燃料,再進一步加工精制成汽油、柴油等燃料油,所以又稱加氫液化。

2.3 煤化工控制閥的要求
2.3.1 概述
煤制油化工裝置與其他生產(chǎn)化工裝置一樣,主要是由反應(yīng)爐的塔器、罐釜和管道組成的系統(tǒng)裝置,控制閥是其中重要的控制設(shè)備。核心裝置的控制閥需要承受的工藝條件具有高溫、高壓、臨氫、走氧、易燃、易爆、腐蝕、磨損、沖刷的特點,與一般石油化工裝置所使用的控制閥既有相同之點,又有不同之處。
2.3.2 煤化工惡劣工況控制閥的通用技術(shù)要求
煤化工惡劣工況使用的控制閥,由于介質(zhì)中含有煤粉顆粒、催化劑等添加物,易受到介質(zhì)的沖刷、磨損、腐蝕等損壞,下面從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和制造工藝兩方面進行詳細闡述。
2.3.2.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)通用要求
1)控制閥結(jié)構(gòu)的設(shè)計應(yīng)避免煤漿結(jié)焦使閥門失效,要方便清洗。
2)采用金屬硬密封形式,且閥座與閥芯的材質(zhì)相同,確保兩者有相同的膨脹系數(shù)在高溫的條件下不會出現(xiàn)閥‘卡死’的現(xiàn)象。
3)輸送顆粒介質(zhì)的產(chǎn)品閥體流道需要噴涂耐沖刷、耐腐蝕涂層或嵌入硬質(zhì)合金套。產(chǎn)品內(nèi)件需要表面硬化處理,根據(jù)涂敷材質(zhì)不同選擇噴涂、噴焊、整體燒結(jié)等處理方式。閥內(nèi)件采用鍛造結(jié)構(gòu)。
4)球閥閥座應(yīng)采用刮刀式設(shè)計,球體轉(zhuǎn)動時可產(chǎn)生刮削作用,防止球芯與閥座間的顆粒沉積,但要防止因為銳角產(chǎn)生的應(yīng)力集中,導致涂層的剝落使閥座損壞。
5)由于介質(zhì)含顆粒、黏度大、易結(jié)焦,在最大壓差下,驅(qū)動軸應(yīng)考慮足夠的安全裕量,軸上結(jié)構(gòu)過渡要平滑,減少應(yīng)力集中。
2.3.2.2 制造工藝通用要求
1)選用奧氏體不銹鋼,能抵抗高溫硫化氫的腐蝕,但有可能出現(xiàn)不銹鋼的氫脆、硫化物應(yīng)力腐蝕開裂及堆焊層氫致剝離現(xiàn)象等損傷。選用Cr-Mo鋼的回火脆性破壞也需要加以注意??刂崎y的材料要有較好的綜合性能,即材料內(nèi)部的致密性、純潔性和均質(zhì)性性能要好;化學成分、室溫和高溫力學性能要滿足設(shè)計規(guī)范要求,特別加強對C、S、P含量控制。生產(chǎn)過程中要控制好鑄造、鍛造、熱處理等關(guān)鍵工序。
對于鍛造閥門,會通過對鍛件的鍛造比、晶粒度等進行控制來實現(xiàn)致密度的要求;對于鑄造閥門因其原材料的選擇不同、澆冒口的設(shè)置、冷鐵位置與數(shù)量的選擇不同、凝固順序的差異,以及冷卻時間的不同,都會導致其致密度、均質(zhì)性性能差別很大。
熱處理是閥門質(zhì)量保證的非常關(guān)鍵的工序,熱處理爐的溫度控制、溫度均勻性、鑄件在熱處理爐中的堆放、保溫時間、冷卻方式與速度等因素都會影響最終閥門鑄件的機械性能。奧氏體不銹鋼進行固溶熱處理,采用空冷;對于321和347材料,還應(yīng)進行穩(wěn)定化熱處理。
2)閥門鑄件需進行射線探傷檢查。硬化密封面進行著色探傷檢查。
3)承壓鑄件的所有焊補面積總和應(yīng)不超過鑄件的表面積的10%,補焊后需進行熱處理。
4)對于操作在高溫高壓氫環(huán)境下的閥門,在操作狀態(tài)下,閥門內(nèi)壁中會吸收一定量的氫。在停工的過程中,若冷卻速度太快,使吸收的氫來不及擴散出來,造成過飽和氫殘留在器壁內(nèi),就可能在溫度低于150℃時引起亞臨界裂紋擴展, 對閥門的安全使用帶來威脅。
焊接閥門時需要控制δ鐵素體含量,以避免該含量過多時,在焊后熱處理過程發(fā)生較多的相變而產(chǎn)生脆性。
2.4 煤化工特種控制閥選型
2.4.1 概述
煤化工工藝根據(jù)產(chǎn)品的不同,主要工藝系統(tǒng)裝置也不一樣,如煤制甲醇分為輸煤系統(tǒng)、熱電系統(tǒng)、空分系統(tǒng)、氣化系統(tǒng)、低溫甲醇洗凈化系統(tǒng)、水冷串氣冷合成系統(tǒng)、甲醇精餾系統(tǒng)、水系統(tǒng)8大主系統(tǒng)。神華煤直接液化項目全部流程包括備煤、催化劑制備、煤直接液化、加氫穩(wěn)定、加氫改質(zhì)、輕烴回收、含硫污水汽提、脫硫、硫黃回收、酚回收、油渣成型、煤制氫和空分等裝置。這些裝置所使用的控制閥工藝條件最惡劣、安全性要求最高的是氣化系統(tǒng)、輸煤系統(tǒng)、空分系統(tǒng)、低溫甲醇洗凈化系統(tǒng)等系統(tǒng),最有代表性的是鎖渣閥、灰水黑水閥、氧氣氮氣切斷閥、氧氣氮氣控制閥、煤漿閥(耐磨球閥)、放空閥、蝶閥、偏芯旋轉(zhuǎn)閥、智能閥門定位器等,下面對以上產(chǎn)品性能特點進行介紹。其他通用工藝裝置如熱電系統(tǒng)、水系統(tǒng)、消防系統(tǒng)等所使用的控制閥無特殊要求,不在本文介紹。
2.4.2 鎖渣閥(德士古氣化爐工藝)
2.4.2.1 鎖渣閥的控制和安裝工位
鎖渣閥也稱為鎖斗閥,一般采用氣動兩位開關(guān)球閥,是液態(tài)排渣的水煤漿,多元料漿和干燥粉氣流床加壓氣化裝置上最重要的閥門.每臺氣化爐設(shè)置3臺鎖渣閥,氣化爐激冷室或破渣機下部與鎖斗相連的管道上,即鎖斗入口側(cè)有2臺鎖渣閥,通常稱為上鎖渣閥,其中1號鎖渣閥受程序控制,大約30min開關(guān)一次,而2號鎖渣閥常開,在線備用,在1號鎖渣閥出現(xiàn)泄漏等故障時投入使用.當氣化爐激冷室液位低,引起氣化爐保安系統(tǒng)聯(lián)鎖動作時,1號鎖渣閥也聯(lián)鎖關(guān)閉,以防止氣化爐工藝氣竄入鎖斗系統(tǒng)造成不良后果.鎖斗排放口也有1臺鎖渣閥,通常稱為下鎖渣閥,該閥的出口與大氣相通,鎖渣閥受氣化爐的排渣程序控制,受高溫、高壓灰渣的直接磨蝕,開關(guān)頻繁,要求在高壓差情況實現(xiàn)雙向密封。

氣化爐內(nèi)氣化壓力通常在2.7Mpa ~8.5Mpa,而渣池通大氣,要使爐內(nèi)的灰渣排到渣池,必須將介質(zhì)的壓力減至常壓。當2號鎖渣閥打開、下鎖閥關(guān)閉時,鎖斗與氣化爐處于一個系統(tǒng),壓力相等,此時可以將氣化爐內(nèi)的黑水收集到鎖斗;相反,當2號鎖渣閥關(guān)閉,而下鎖閥打開時,鎖斗與渣池處于同一系統(tǒng),壓力相等,此時可以將鎖斗內(nèi)的黑水排入渣池。

氣化爐內(nèi)氣化壓力通常在2.7Mpa ~8.5Mpa,而渣池通大氣,要使爐內(nèi)的灰渣排到渣池,必須將介質(zhì)的壓力減至常壓。當2號鎖渣閥打開、下鎖閥關(guān)閉時,鎖斗與氣化爐處于一個系統(tǒng),壓力相等,此時可以將氣化爐內(nèi)的黑水收集到鎖斗;相反,當2號鎖渣閥關(guān)閉,而下鎖閥打開時,鎖斗與渣池處于同一系統(tǒng),壓力相等,此時可以將鎖斗內(nèi)的黑水排入渣池。

2.4.3.1 黑水和灰水控制閥使用的工位
1)閃蒸罐入口,對氣化爐和洗滌塔排出的黑水進行減壓閃蒸,壓差較大。
2)閃蒸罐的出口,控制閃蒸罐的液位,介質(zhì)濃度較大,壓力低。
3)氣化爐出口,控制急冷室液位,高壓力、低壓差。
4)洗滌塔給水泵的旁路系統(tǒng),最小流量保護,壓差較大。
2.4.3.2 技術(shù)要求
1)一般采用角式閥體,流道簡單,自潔性好,需用CFD軟件仿真流道,以減少高速流體在閥座與閥體結(jié)合處產(chǎn)生渦流,對閥體產(chǎn)生破壞。超大球形閥腔,流動對中,不偏離,無側(cè)面沖擊,流道內(nèi)表面噴涂WC,減少在高壓差下,固液氣三相流介質(zhì),對閥體造成較大的沖蝕。
2)需要優(yōu)化文丘里閥座型面,與閥座無縫連接,圓滑過渡,減少滯止點和死角,抑制渦流產(chǎn)生。閥座出口端加錐形管(用陶瓷或WC燒結(jié))控制閃蒸和氣蝕,保證控制閥壽命。
3)閥芯閥座材質(zhì)要進行硬化處理,如堆焊、噴焊、噴涂、整體燒結(jié)WC等,以防止閃蒸對控制閥造成的破壞。
4)選型時避免閥過渡縮頸,造成閥體內(nèi)部流速異常增大而形成閃蒸,減少對閥的損壞。
5)閥桿材料一般選用不銹鋼,閥芯一般選用陶瓷或燒結(jié)WC,兩者連為一個整體,需要優(yōu)化連接結(jié)構(gòu),避免閥頭脫落的問題。
6)國內(nèi)煙臺美林公司開始生產(chǎn)陶瓷V球閥用于灰水控制工況。
2.4.3.3 國內(nèi)外生產(chǎn)黑水閥、灰水閥的公司
國外:N E L E S 、F I S H E R 、M A S O N E I L A N 、SAMSON。
國內(nèi):重慶川儀、吳忠儀表、泉舜流控
2.4.4 氧氣 氮氣控制閥和切斷閥
2.4.4.1 氧氣 氮氣控制閥和切斷閥使用工位
1)氧氣總管流量控制閥。
2)通往每臺氣化爐的氧氣支管流量控制閥。
3)支管氧氣聯(lián)鎖雙重切斷閥。
4)氧氣放空管線控制閥。
5)高壓氮氣吹掃閥、高壓氮氣緩沖閥、中心管道
氮吹閥和氧氣管道相連。氧氣切斷閥及相關(guān)高壓氮氣切斷閥受氣化爐安全聯(lián)鎖系統(tǒng)的控制。在開車時.通過開車程序打開或關(guān)閉相關(guān)切斷閥。停車或故障時,自動切斷進氣化爐的氧氣管線并放空,然后用高壓氮氣吹掃、保護氧氣管線。
2.4.4.2 氧氣 氮氣控制閥和切斷閥的技術(shù)要求
控制閥選用直通類,切斷閥選用球閥。


1)氧氣高壓輸進有相當大的危險性,根據(jù)歐洲氣體協(xié)會(EGA)標準,氧氣管線若采用304不銹鋼材質(zhì),loMPa壓力下,速度限值為45m/s。要求采用整體法蘭, 密封型式為RJ。閥體材質(zhì)至少采用316L,閥桿、閥芯及閥座材質(zhì)應(yīng)選用INCONELL合金。
2)具有防火防靜電結(jié)構(gòu)。
3)閥內(nèi)件全部采用鍛件,其中閥芯閥桿采用整體式。
4)選用防剝離石墨填料。
5)流道必須嚴格打磨光滑,需露出材料本色,徹底除去毛刺、粘砂等。
6)必須進行清洗、脫脂、禁油處理,做好防護和標志。
7)用氮氣進行強壓、泄漏的檢測;填料用氦質(zhì)檢漏儀檢測泄漏低于300PPM。
8)鑄造閥體一般不允許補焊,需探傷檢驗。
2.4.5 偏心旋轉(zhuǎn)閥
2.4.5.1 偏心旋轉(zhuǎn)閥的使用工位
煤氣化裝置的激冷水泵、高壓回水泵、低壓回水泵等泵的出入口位置,介質(zhì)為灰水,容易積渣結(jié)構(gòu);硫回收裝置的介質(zhì)黏度較大,這些工位一般選擇偏心旋轉(zhuǎn)閥。

2.4.5.2 偏心旋轉(zhuǎn)閥的技術(shù)要求
1)偏心結(jié)構(gòu)設(shè)計,減小磨損,延長壽命。
2)灰水幾乎沒有腐蝕性,所以閥體可用碳鋼材料,閥芯、閥座等基體材料用一般的奧氏體不銹鋼。
3)流道和球芯表面噴焊或噴涂耐腐蝕、耐沖刷、耐磨損材料。球芯也可以整體燒結(jié)碳化鎢或表面熔焊厚度達3mm以上的碳化鎢時,硬度可達HRC70°以上。
4)軸與閥芯連接用花鍵結(jié)構(gòu),提高閥桿和球芯的傳遞精度和傳遞扭矩的能力。
2.4.6.1 三偏心金屬密封調(diào)節(jié)蝶閥的使用工位
三偏心蝶閥主要用于大口徑場合。

1)空氣分離系統(tǒng)。
2)壓縮機防喘振。
3)凈化合成精餾系統(tǒng)。
4)控制洗滌塔去變換單元的合成氣流量,這些閥門關(guān)系到氣化裝置工藝氣正常輸送以及變換單元的正常生產(chǎn)。
5)氣化裝置洗滌塔頂部合成氣去火炬系統(tǒng),采用三偏心金屬密封切斷蝶閥,這些閥門關(guān)系到氣化裝置開停車以及裝置正常運行時系統(tǒng)壓力的穩(wěn)定。水洗塔出口合成氣有2個分支,一個分支是在開停車時,合成氣放空到火炬系統(tǒng), 閥正常運行時,保證壓力穩(wěn)定,在此分支設(shè)計1臺三偏心切斷蝶閥;另一個分支是開車后將合成氣送到下游的變換裝置,在此分支中,設(shè)計1臺三偏心控制閥(帶切斷功能),以調(diào)節(jié)合成氣壓力,并根據(jù)需要切斷下游系統(tǒng)。它受聯(lián)鎖系統(tǒng)控制,作隔離切斷用。
2.4.6.2 三偏心金屬密封調(diào)節(jié)蝶閥的技術(shù)要求
1)合成氣中含有濕的H2S,閥門、內(nèi)件和所有與物料接觸的部分應(yīng)遵照NACE MR 0175選用。閥體材料選用316 L。
2)閥門采用整體法蘭,以方便拆除和維修。
3)閥門泄漏量級別相當達到美國ANSI/FCI70-2的Class V級,不能低于Ⅳ級,僅正向滿足密封要求。
4)閥板、閥座材質(zhì)選擇SUS316 SS硬化處理,如堆焊司太立合金6號、噴焊鎳基合金。
5)閥門所有流道包括閥門法蘭密封面應(yīng)進行噴涂硬化處理。
6)根據(jù)功能需要組成功能系統(tǒng)(如壓縮機防喘振等)。
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