煤化工行業(yè)用金屬密封球閥的選型及應(yīng)用

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摘要 介 了在煤制油工  程中金屬密封耐磨球 的 型和市 需求及 用 域，分析了

 金屬密封浮 球球 和固定球球 的 構(gòu)特性和 型及 用。

 關(guān)鍵詞 煤化工;  金屬密封球閥;  耐磨閥門;  浮動球;  固定球;  熱噴涂 

Abstract:  Introduces the selection and market demands as well as application fields of metal seal wear 

－ resisting ball valve in the process of coal to oil production，analyses the structure characteristics，se-lection and application for metal seal floating ball valve and fixed ball valve． 

Key words:  coal chemical;  metal seal;  ball valve;  wear valve;  floating ball;  fixed ball;  thermal spray 

1 煤化工用金屬密封球閥概述 

煤化工是將煤通過熱加工和催化加工轉(zhuǎn)化為各種燃料和化工產(chǎn)品的過程。煤化工及煤制油項目首先要進行煤氣化，在高溫下將煤、焦炭等固體燃料與氣化劑反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為氣體產(chǎn)物和殘渣。煤氣化所用的氣化劑主要為蒸汽、高壓高純度氧氣及其混合氣體，氣化反應(yīng)包括了一系列均相與非均相化學(xué)反應(yīng)。所得氣體產(chǎn)物因所用原料煤質(zhì)、氣化劑的種類和氣化過程不同而具有不同的組成，可分為煤氣、半水煤氣及水煤氣等。在煤化工產(chǎn)業(yè)的煤制油、煤制烯烴及大型煤化成套系統(tǒng)中，金屬密封耐磨球閥作為一種耐磨損的管路系統(tǒng)截斷及流量控制的部件得到了極為廣泛的應(yīng)用。 

2 煤制油工藝過程 

煤制油工藝是以煤炭為原料，通過化學(xué)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。 

2. 1 直接液化 

直接液化是先將煤炭磨成煤粉與溶劑配制成油煤漿，然后在高溫、高壓下將煤中復(fù)雜的有機高分子結(jié)構(gòu)直接轉(zhuǎn)換為較低分子液體燃料。在精制后制得的油品，其工藝過程見圖 1。直接液化油回收率高，可達 63% ～ 68% ，煤消耗量小，生產(chǎn)液化油，需消耗洗精煤約 2. 4t。餾分油以汽、柴油為主，目標產(chǎn)品的選擇性相對較高。油煤漿進料，設(shè)備體積小，投資和運行費用低。 直接液化的反應(yīng)條件相對較苛刻。

溫度要求過高，液化壓力為 17. 0 ～ 30. 0MPa，溫度為 430 ～ 470℃ 。出液化反應(yīng)器的產(chǎn)物組成較復(fù)雜，液、固兩相混合物由于粘度較高，分離相對困難。氫耗量大，一般在 6% ～ 10% 。

2. 2 間接液化 

間接液化是將煤炭在高溫下氣化，轉(zhuǎn)化為合成氣 ( CO 和 H₂ ) ，再經(jīng)過費－ 托合成可制得燃料 ( 汽油、柴油燃料) 和化工原料。合成條件較溫和，反應(yīng)壓力 2. 0 ～ 3. 0MPa，反應(yīng)溫度低于 350℃ 。轉(zhuǎn)化率高，如 SASOL 公司 SAS 工藝采用熔鐵催化劑，合成氣的一次通過轉(zhuǎn)化率達到 60% 。

由于煤基間接液化反應(yīng)物均為氣相，所以其工藝設(shè)備體積龐大，投資和運行費用高。間接液化全部需要依賴于煤的氣化，其煤耗量大且合成副產(chǎn)物

較多，目標產(chǎn)品的選擇性相對較低。

3 閥門特性要求 

3. 1 工況條件 

煤制油、油改煤及煤氣化等煤化工系統(tǒng)處于介質(zhì) ( 煤渣) 高硬度、高壓力及高溫度的工況，閥門應(yīng)具有耐磨、耐沖刷、防結(jié)垢、防結(jié)疤及快速切斷等 功 能。閥 門 口 徑 大 ( 一 般 為 DN300 ～ DN450) 、啟閉頻繁且速度快 ( 30min動作一次，5～ 10s / 次) ，要求閥門密封性能好，可靠性高。目前，特級耐磨球閥已廣泛用于德士古爐煤化工和煤制油行業(yè)，其介質(zhì)水煤漿中包含 58% ～ 67% 的煤粉固體。黑水系統(tǒng)及灰漿系統(tǒng)中含有大量渣漿等特硬固體顆粒，在閥門腔體內(nèi)沉積、堵塞或結(jié)垢，難于清除 ( 表 1) 。

68，防爆等級達到 ExdⅡCT4

構(gòu)。球閥在其一側(cè)為zui大工作壓力，另一側(cè)為大氣壓的zui大壓差工況下，完成啟閉并保證可靠密封，水壓試驗的泄漏等級應(yīng)達到 ANSI /FCI 70 － 2 的

ClassⅤ級。

4 球閥性能分析

4. 1 浮動球 ( MOGAS 產(chǎn)品)

美國 MOGAS 雙金屬閥座浮動球球閥，為介質(zhì)出口端金屬密封，閥桿帶軸肩防飛出結(jié)構(gòu)，閥座設(shè)計為刮刀式。閥門具有自泄壓功能，符合抗靜電及防火要求，依據(jù) NACE MR － 0103 進行防腐處理，并按需要配置閥門齒輪箱 ( 圖 2) 。

64HRC 以上，厚度不小于 0. 3mm。球體與閥座手工配對研磨，密封檢驗* API 598 標準要求。閥座鋒利的邊緣可對球體自刮擦自清潔，防止介質(zhì)

進入球體與閥座的密封面而造成內(nèi)漏和卡塞現(xiàn)象。

( 7) 碟簧 選用碟形結(jié)構(gòu)彈簧，材料為 In-conel718。碟簧的主要作用是為閥座和球體施加一個預(yù)緊力，保證球體與閥座緊密結(jié)合。當球體、閥

座受到熱脹發(fā)生位移時可有效回縮，防止球體與閥座發(fā)生卡塞現(xiàn)象。碟簧后閥座腔倒角處理 ( 角度經(jīng)流體動力學(xué)計算) ，使固體顆粒不易堆積在閥座后面而影響閥座的有效退讓 ( 圖 3) 。

 1. 閥桿 2. 閥桿導(dǎo)向環(huán) 3. 閥桿密封軸承 4. 填料防護環(huán)

5. 復(fù)合填料  6. 執(zhí)行器固裝支架  7. 填料壓蓋

8. 閥桿上的 “T”標志  9. 刻線

圖 2  MOGAS 耐磨球閥閥桿填料結(jié)構(gòu)

( 1) 通徑 采用 ANSI B16. 34 標準規(guī)定。

( 2) 壓力等級 閥門的壓力等級符合訂貨規(guī)格及工藝管路等級要求，閥體壓力等級不低于法蘭等級。

( 3) 連接形式 球閥過程連接為法蘭連接或?qū)高B接，法蘭標準依據(jù) ANSI B16. 5，采用 RF

法蘭連接。對焊連接端部標準依據(jù) ANSI B16. 25。

( 4) 結(jié)構(gòu)長度 采用 ANSI B16. 10 標準確定

閥的結(jié)構(gòu)長度。

( 5) 閥體、閥蓋 均選用鍛件 ASTM A105、 ASTM A82 F22、A182 F347，對于需要防硫化氫的閥門按照 NACE 要求進行熱處理。

( 6) 球體、閥座 球體為不銹鋼 410SS，表面高速氧火焰噴涂碳化鉻合金 ( 涂層耐溫 815℃ ) ，硬度 64HRC 以上，厚度不小于 0. 3mm。閥座為

Inconel 718 合金，同樣采用噴涂碳化鉻合金硬化處理。表面高速氧火焰噴涂碳化鉻合金再熔融處理 ( 耐溫 815℃ ) ，涂層耐磨不易脫落。球面硬度

 1. 球體  2. 閥座  3. 彈簧

圖 3  耐磨球球體與閥座結(jié)構(gòu)

( 8) 閥桿 閥桿材料選用 17 － 4PH 或 A638 － 660。閥桿設(shè)計為雙密封并有軸肩防飛出結(jié)構(gòu)，帶彈簧預(yù)緊的填料壓蓋結(jié)構(gòu)。閥桿設(shè)置有金屬密封軸承和填料雙重密封 

圖 4 MOGAS 耐磨球閥填料及填料壓蓋結(jié)構(gòu)

( 9 ) 填料 由 3 個模壓成型組合純石墨環(huán) ( Chesterton 5300) 和 2 個有 Inconel 合金絲編織成的石墨抗擠壓環(huán) ( Chesterton 1601) 組成，能承受

970℃ 的高溫。填料壓蓋帶有預(yù)載碟簧，填料壓蓋可持續(xù)壓緊填料不致發(fā)生外漏現(xiàn)象。

( 10) 泄漏等級 切斷閥的閥瓣和閥座采用金屬密封的雙向密封形式。金屬密封軸承表面硬化處理后手工配對研磨，為壓力密封設(shè)計，壓力越大，密封越緊，可防止固體顆粒進入填料函。泄漏等級

符合 API 598 標準要求。 

4. 2 固定球 ( HARTMANN 產(chǎn)品) 

德國 HARTMANN 高壓固定球球球閥為金屬雙向密封，全通徑，雙流向，3 片分體式結(jié)構(gòu)。密

5 結(jié)語 

煤制油工藝過程中同時存在氣 － 液 － 固三相混合物介質(zhì)，對閥門提出高溫、高壓、耐磨、耐腐蝕、耐沖刷、抗熱循壞和零泄漏等要求。作為全通徑、大流量、低流阻、開關(guān)方便等優(yōu)點的金屬密封耐磨球閥將獲得快速發(fā)展，將逐步從低壓、常溫到高壓、高溫，促進了球閥應(yīng)用范圍的擴大和發(fā)展。浮動球與固定球耐磨球閥各有特點，各種選型原則只是在一般情況下的應(yīng)用原則。隨著閥門生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，浮動球球閥將可用于高壓力工況，固定球球閥也可以用于含固體顆粒介質(zhì)工況。高溫高壓金

屬密封耐磨球閥在煤化工產(chǎn)業(yè)的煤制油、煤制烯烴及大型煤化成套系統(tǒng)中的推廣應(yīng)用，可替代進口的同類產(chǎn)品，提升我國高溫高壓耐磨球閥的技術(shù)水平，有效降低企業(yè)的設(shè)備采購成本。

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