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    在煤制甲醇、煤制乙烯、煤制合成氨等領(lǐng)域，水煤漿氣化工藝促進(jìn)了煤化工產(chǎn)業(yè)的量產(chǎn)化、經(jīng) 濟(jì)化。在水煤漿氣化工藝中，除了閃蒸罐作為合 成轉(zhuǎn)換的核心裝置外，氣化爐與洗滌塔內(nèi)的黑水調(diào)節(jié)閥也是不可缺少的組成部分。黑水調(diào)節(jié)閥的長期穩(wěn)定運(yùn)行影響整體裝置的持續(xù)生產(chǎn)，但在嚴(yán)苛工況下，黑水調(diào)節(jié)閥使用壽命極短。

1 黑水工況分析

    黑水閃蒸系統(tǒng)承接來自氣化爐、洗滌塔、閃蒸 罐的流體、液位調(diào)節(jié)任務(wù)。
    黑水是水煤漿氣化過程中產(chǎn)生的伴生產(chǎn)物， 需要對(duì)其進(jìn)行回收提純與二次利用。
    黑水典型的介質(zhì)為固液兩相流，其中，固相質(zhì) 量濃度可高達(dá) 3 000 mg / L。伴隨多次回收沉降， 固體顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 4% 以上，且顆粒直徑與 形狀不均勻。
    液 相 流 中 的 Ca2 + 、Mg2 + 、Cl － 、S2 － 、CO2 － 、 NH +  等多種強(qiáng)腐蝕離子，會(huì)對(duì)調(diào)節(jié)閥內(nèi)壁及零件 產(chǎn)生沖蝕。由于黑水調(diào)節(jié)閥多用于罐底回收與罐 后給料，其本身承載著大量液體，同時(shí)工藝制備中 介質(zhì)溫度為 200 ～ 300 ℃ ，使得黑水調(diào)節(jié)閥前后壓 差較大。
    根據(jù)節(jié)流原理，當(dāng)介質(zhì)流過調(diào)節(jié)閥內(nèi)部縮流 斷面，壓力回升不超過入口溫度下的飽和蒸氣壓 時(shí)，流體介質(zhì)將會(huì)繼續(xù)汽化，在調(diào)節(jié)閥出口形成氣液共存的現(xiàn)象，即閃蒸。由于黑水調(diào)節(jié)閥的主要 作用就是對(duì)介質(zhì)進(jìn)行減壓調(diào)節(jié)，這必然會(huì)發(fā)生閃 蒸現(xiàn)象，汽化后的黑水流體體積急劇膨脹，與流入 調(diào)節(jié)閥前的黑水形成了固液氣三相流。2 黑水工況產(chǎn)生的危害
固液氣三相流伴隨高壓差、高流速、強(qiáng)腐蝕、 強(qiáng)沖擊，黑水調(diào)節(jié)閥的工況可謂是極其惡劣。
2.1  固相方面

    由于固相含量高、顆粒硬度大，在高壓差、高 流速的條件下，固體顆粒成為調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)的首要 難點(diǎn)。首先，高速?zèng)_擊下的固體顆粒會(huì)撞擊流體 通路上阻礙前進(jìn)的零件，比如閥芯、閥座、閥桿等。 這部分起調(diào)節(jié)功能的零件由于其加工材料、原材 料二次處理的方式、抵抗沖擊的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致在其表 面產(chǎn)生凹坑、刮傷、裂紋。這些因固體顆粒沖擊造 成的缺陷，會(huì)隨著液體閃蒸、空化的影響，再次侵 蝕零件，直至零件破碎、彎曲、折斷。
    其次，固體顆粒經(jīng)過管道內(nèi)壁、閥體內(nèi)腔時(shí)， 由于阻塞流或者管道轉(zhuǎn)彎、閥腔轉(zhuǎn)向過程中突然 改變方向，固體顆粒伴隨液體在慣性作用下，沖擊 內(nèi)壁，造成管道和閥體刮傷、劃痕、異響。方向的 改變也會(huì)影響局部介質(zhì)的流速，產(chǎn)生渦流、湍流， 造成管道、閥腔產(chǎn)生振動(dòng)、噪聲。
    再次，固體顆粒產(chǎn)生沉降問題。固體顆粒細(xì) 小，極易發(fā)生沉降、結(jié)垢現(xiàn)象，易堆積在調(diào)節(jié)閥內(nèi)腔死角，以及閥芯、閥座、閥桿表面，特別是用于穩(wěn) 定閥桿、減少震動(dòng)的閥桿導(dǎo)向區(qū)域。為保證閥桿 與導(dǎo)向的穩(wěn)定，兩者的間隙不會(huì)留太大，同時(shí)閥桿 會(huì)隨閥門啟閉上下運(yùn)動(dòng)，必然會(huì)將固體顆粒帶到 閥桿與導(dǎo)向之間的間隙中，這就會(huì)導(dǎo)致閥桿與導(dǎo) 向卡死，加劇閥桿與導(dǎo)向表面的磨損，最終影響閥桿的穩(wěn)定作用。同時(shí)，也會(huì)因?yàn)閷?dǎo)向穩(wěn)定作用的 減弱，使得閥芯在液體沖擊下產(chǎn)生振動(dòng)，與閥座產(chǎn) 生碰撞，造成閥芯與閥座的二次傷害。由于閥桿 表面的磨損與刮傷，也會(huì)影響調(diào)節(jié)閥上部填料與 閥桿密封的效果，造成黑水外漏、有毒氣體逸散等 嚴(yán)重事故。
2.2 液相方面

    由于黑水閃蒸系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)閥面對(duì)的是高壓 差工況，因此黑水液相是檢驗(yàn)調(diào)節(jié)閥強(qiáng)度的重要 組成部分。由于在高壓差工況下，為了減少閥門 啟閉，在閥腔內(nèi)設(shè)置用于平衡閥芯與閥桿上下兩 側(cè)壓力的平衡區(qū)。液體在高壓作用下，會(huì)沖擊調(diào) 節(jié)閥腔內(nèi)部的平衡區(qū)域，流道形狀若不能對(duì)流體 產(chǎn)生疏導(dǎo)、轉(zhuǎn)向、減速作用，則會(huì)加大閥腔內(nèi)隔板 的壓力承載，導(dǎo)致閥腔出現(xiàn)裂紋、貫通等現(xiàn)象。
同時(shí)，黑水液體的沖擊也會(huì)直接影響閥內(nèi)零 件的強(qiáng)度，導(dǎo)致閥內(nèi)零件產(chǎn)生振動(dòng)、磨損、彎曲，從 而降低閥門穩(wěn)定性、調(diào)節(jié)精度、安全性。
2.3 氣相方面

    黑水調(diào)節(jié)閥面臨高壓差工況，閃蒸與空化無 法避免。汽化后的黑水流體體積急劇膨脹，對(duì)閥 芯表面、閥座密封面、閥門出口處的文丘里擴(kuò)口延 伸管或管道產(chǎn)生沖擊，甚至造成零件表面破碎與 管道破損。同時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致管道及下游工藝設(shè)備 管口產(chǎn)生振動(dòng)。
    固液氣三相流混合工況，使得黑水調(diào)節(jié)閥的 使用壽命非常短，僅為 1 ～ 3 個(gè)月。設(shè)計(jì)者的能力 是調(diào)節(jié)閥使用壽命的關(guān)鍵，下文將對(duì)各種問題提 出指導(dǎo)性的解決方法。
3  解決方案

3. 1  調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)類型

    設(shè)計(jì)者首先要確定調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)類型�？s短 介質(zhì)在調(diào)節(jié)閥內(nèi)流通的時(shí)間。調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)一般分 為直通式和角式，見圖 1。

圖 1 調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)模型

    在對(duì)黑水進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)直通式調(diào)節(jié)閥需要進(jìn)行 2 次急轉(zhuǎn)向，并且固體顆粒易沉降在管道與轉(zhuǎn)向 處底部。而具有平滑轉(zhuǎn)向、不易沉降的角式，其結(jié) 構(gòu)能夠很好地引導(dǎo)介質(zhì)流動(dòng)。閥門打開時(shí)，介質(zhì)幾乎不受任何阻力就可以流出調(diào)節(jié)閥，最大限度減少介質(zhì)對(duì)調(diào)節(jié)閥的沖擊。
3. 2 固體顆粒沖擊零件

    閥內(nèi)零件直接暴露在流體通路中，固體顆粒 直接沖擊作用下，大幅降低零件的使用壽命，見 圖 2。

圖 2 優(yōu)化前沖擊示例

3.2.1 強(qiáng)化零件 

    零件的材料材質(zhì)及結(jié)構(gòu)尺寸決定了其使用壽命。加粗調(diào)節(jié)閥閥桿，并在關(guān)鍵沖擊點(diǎn)噴涂硬質(zhì) 合金，以提升零件的使用壽命。
3.2.2 優(yōu)化介質(zhì)流動(dòng) 

    對(duì)介質(zhì)流動(dòng)進(jìn)行疏導(dǎo)，或者對(duì)零件的流動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，避免零件直接承受沖擊，見圖 3。在流體進(jìn)入芯之前，通過流道彎曲將其引導(dǎo)至與閥芯形成一定角度，大幅弱化對(duì)閥芯徑向的沖擊，同時(shí)也可減少震動(dòng)，保證閥門穩(wěn)定運(yùn)行。 閥內(nèi)零件可具有一定角度、弧度，減少突起、臺(tái)階 凹槽等可能影響流體流動(dòng)并加劇沖蝕的結(jié)構(gòu)。 

圖 3 優(yōu)化后沖擊示例

3. 3 固體顆粒沉積

    細(xì)小的固體顆粒易堆積在調(diào)節(jié)閥內(nèi)腔死角或 結(jié)痂在閥芯、閥座、閥桿表面，導(dǎo)致流通受阻，見圖 4。

圖 4 優(yōu)化前沉積示例

 3.3.1 減少沉積位置

    將閥腔與零件設(shè)計(jì)成與液體流向一致的結(jié) 構(gòu)，與閥腔路徑形成整體的流線型，主動(dòng)減少閥腔 的靜態(tài)死角、零件易沉積的臺(tái)階等結(jié)構(gòu)。流體在 流動(dòng)過程中可自發(fā)地將固體顆粒帶出閥腔內(nèi)部 ( 見圖 5) ，有助于減少固體顆粒沉積，改善閥腔結(jié) 構(gòu)的流通能力。

圖 5 優(yōu)化后沉積示例

3. 3.2  疏導(dǎo)沉積

     在溫度、溶質(zhì)、壓力等因素下，固體顆粒會(huì)附著于閥腔與零件表面，需要對(duì)閥腔結(jié)構(gòu)與零件表面設(shè)置靜態(tài)疏導(dǎo)結(jié)構(gòu)。閥腔內(nèi)部易沉積位置設(shè)計(jì)排污口，通過曲面、傾斜、凹坑等結(jié)構(gòu)，利用重力引 導(dǎo)固體顆粒向排污口聚集，也可以利用流體沖刷 沉積位置以達(dá)到輔助清理的作用( 見圖 6) 。

圖 6 優(yōu)化后沉積疏導(dǎo)示例

    在零件表面，用溝槽、環(huán)槽等結(jié)構(gòu)引導(dǎo)附著的 固體顆粒，防止過渡配合導(dǎo)致固體顆粒的侵入而 卡死，見圖 7。

圖 7 零件優(yōu)化后沉積疏導(dǎo)示例

    對(duì)于需要小配合的導(dǎo)向部分來說，固體顆粒附著與配合表面無法避免，可以選擇螺旋環(huán)槽 + 豎直溝槽將部分附著與配合表面的固體顆粒掛下，已經(jīng)進(jìn)入配合表面的固體顆粒受液體沖刷及重力作用下順環(huán)槽排出，減少故障卡死幾率。環(huán)槽和溝槽形狀可與流體通路配合以輔助排出固體顆粒。
3. 4  液體腐蝕

    在設(shè)計(jì)黑水調(diào)節(jié)閥時(shí)，應(yīng)充分考慮流體介質(zhì) 的腐蝕性與固體顆粒的沖刷性。對(duì)于運(yùn)輸作用大于承壓作用的基礎(chǔ)管道，可 使用含碳量較低的耐腐蝕碳鋼或不銹鋼材質(zhì)，其 中易沖刷的重點(diǎn)部位如彎頭、變徑法蘭處使用不 銹鋼基底并堆焊或噴涂的方式加強(qiáng)管道的耐沖刷 與耐腐蝕性能。
    對(duì)于承壓作用大于調(diào)節(jié)作用的黑水調(diào)節(jié)閥， 可使用抗腐蝕、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高的奧氏體不銹鋼或者 雙相不銹鋼材質(zhì)，其中在流體轉(zhuǎn)向、密封等主要沖 刷點(diǎn)增加局部厚度，保證腐蝕余量，提高可靠性。
 3. 5 液體沖擊

    黑水介質(zhì)的主體是流體，因此閥腔內(nèi)部流道 的形狀、結(jié)構(gòu)影響閥體的壓力恢復(fù)系數(shù)，是保證閥 體穩(wěn)定性與安全性的關(guān)鍵。不合理的流道設(shè)計(jì)( 見圖 8) 會(huì)使內(nèi)墻部分隔 板承受不必要的沖擊，流道內(nèi)部轉(zhuǎn)向僵硬; 過渡部 分中無用的溝槽會(huì)使流體在流動(dòng)過程處于紊亂的 狀態(tài)，導(dǎo)致閥腔內(nèi)部產(chǎn)生渦流和紊流，沖擊閥芯、 閥腔，引起震動(dòng)。

圖 8 優(yōu)化前液體沖擊、渦流示例

3. 4  液體腐蝕

    在設(shè)計(jì)黑水調(diào)節(jié)閥時(shí)，應(yīng)充分考慮流體介質(zhì) 的腐蝕性與固體顆粒的沖刷性。對(duì)于運(yùn)輸作用大于承壓作用的基礎(chǔ)管道，可 使用含碳量較低的耐腐蝕碳鋼或不銹鋼材質(zhì)，其 中易沖刷的重點(diǎn)部位如彎頭、變徑法蘭處使用不 銹鋼基底并堆焊或噴涂的方式加強(qiáng)管道的耐沖刷 與耐腐蝕性能。對(duì)于承壓作用大于調(diào)節(jié)作用的黑水調(diào)節(jié)閥， 可使用抗腐蝕、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高的奧氏體不銹鋼或者 雙相不銹鋼材質(zhì)，其中在流體轉(zhuǎn)向、密封等主要沖 刷點(diǎn)增加局部厚度，保證腐蝕余量，提高可靠性。
 3. 5 液體沖擊

     黑水介質(zhì)的主體是流體，因此閥腔內(nèi)部流道 的形狀、結(jié)構(gòu)影響閥體的壓力恢復(fù)系數(shù)，是保證閥 體穩(wěn)定性與安全性的關(guān)鍵。不合理的流道設(shè)計(jì)( 見圖 8) 會(huì)使內(nèi)墻部分隔 板承受不必要的沖擊，流道內(nèi)部轉(zhuǎn)向僵硬; 過渡部 分中無用的溝槽會(huì)使流體在流動(dòng)過程處于紊亂的 狀態(tài)，導(dǎo)致閥腔內(nèi)部產(chǎn)生渦流和紊流，沖擊閥芯、 閥腔，引起震動(dòng)。
    參考固體顆粒沉積的位置，改善流道的流暢程度，讓液體沒有阻礙地流出閥體是流道設(shè)計(jì)的重點(diǎn)�？稍黾恿鞯阑亓�、分流能力，讓閥體內(nèi)腔能 夠均勻承載液體壓力，并減少閥芯單側(cè)的壓力有助于穩(wěn)定閥芯( 見圖 9)。

                                        圖 9 優(yōu)化后液體沖擊、渦流示例
3. 6 應(yīng)對(duì)空化和閃蒸

（1）黑水調(diào)節(jié)閥在閥門出口處需要應(yīng)對(duì)高壓差帶 來的液體汽化以及體積膨脹所造成的空化效果， 會(huì)對(duì)閥座出口及下游管道產(chǎn)生嚴(yán)重沖刷。此時(shí)結(jié) 構(gòu)性設(shè)計(jì)能夠起到的作用比較有限，只能考慮其他的方法改善出口條件。
( 2) 全部開啟系統(tǒng)內(nèi)回流及新增東西 2 臺(tái)自 吸泵。無特殊情況，保持長期運(yùn)行。
( 3 )   控 制 進(jìn) 口  COD  質(zhì) 量 濃 度 為 2 000 mg / L 上下。根據(jù)調(diào)整規(guī)律，甲醇計(jì)量泵調(diào) 整沖程 100% ，24 h 連續(xù)投加甲醇約 5． 3 t。每班 投加乙酸鈉 100 ～ 250 kg，完全溶于水后加入。
( 4) 新增終端進(jìn)口蒸汽管線，滿足生物處理 系統(tǒng)合適的運(yùn)行溫度。根據(jù)每天的測量數(shù)據(jù)對(duì)蒸 汽閥門開度進(jìn)行靈活調(diào)整。
4 創(chuàng)新點(diǎn)

( 1) 首次對(duì)各項(xiàng)工藝控制指標(biāo)進(jìn)行調(diào)整，打 破原有控制入口 COD 的思維，改變了生物處理系 統(tǒng)內(nèi)的工藝走向。
( 2) 對(duì)當(dāng)前系統(tǒng)內(nèi)每個(gè)生物池所處的狀態(tài)進(jìn) 行分析判斷，并依托現(xiàn)場出現(xiàn)的現(xiàn)象和工藝指標(biāo) 對(duì)原水成分進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)一步降低污水站原水無 法調(diào)節(jié)產(chǎn)生的無序影響。
( 3) 根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際，處理站建立了一套以運(yùn) 行優(yōu)化為目標(biāo)的操作流程。
5 實(shí)施效果

    實(shí)施該方案后，運(yùn)行狀況較好，各項(xiàng)工藝指標(biāo) 調(diào)整在一定范圍內(nèi)，總氮指標(biāo)穩(wěn)定在 20 mg / L 半 月有余。但該數(shù)據(jù)是在控制廠區(qū)大量高濃度排水之后得到，且僅接受了一部分污水，出口總氮指標(biāo) 僅能在一段時(shí)間內(nèi)維持達(dá)標(biāo)。根據(jù)前期經(jīng)驗(yàn)判 斷，逐步細(xì)化各工藝控制指標(biāo)，總氮質(zhì)量濃度日均 值現(xiàn)可維持在 10 ～ 35 mg / L，其數(shù)值受進(jìn)水水質(zhì) 和水量多種因素制約。
通過不斷總結(jié)，逐步加大回收污水處理量，同 時(shí)增設(shè) 1 臺(tái)甲醇計(jì)量泵，最終，外排總氮指標(biāo)可以 穩(wěn)定在環(huán)保排放范圍內(nèi)。
6 結(jié)語

    通過對(duì)污水處理系統(tǒng)內(nèi)各工藝指標(biāo)的調(diào)整進(jìn) 行突破性創(chuàng)新，將總氮、COD 等指標(biāo)保持在相對(duì) 穩(wěn)定的范圍內(nèi)。在進(jìn)行技術(shù)革新的過程中，理論 結(jié)合現(xiàn)場實(shí)操，建立起一套以運(yùn)行優(yōu)化為目標(biāo)的 操作流程，避免了環(huán)保方面的事故問責(zé)及處罰。