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      首頁 -> 應用案例 -> 煤化工產業及其硬密封球閥的選型運用
      案例名稱:煤化工產業及其硬密封球閥的選型運用
      案例簡介: 簡單介紹了煤化工行業的現代化工藝技術和整個煤化工行業的國內外發展趨勢,同時分析了煤化工行業里硬密封球閥的經濟性和發展前景。根據煤化工行業的特殊性對硬密封球閥的核心部件的工藝方法進行了簡單介紹,然后對煤化工行業中常用的硬密封球閥的結構特點進行了簡單分析,基本確定了硬密封球閥的適用工況。

      詳細介紹

       

      1、 前言

      煤化工是以煤為原料,經過化學加工使煤轉化為氣體、液體、固體燃料以及化學品的過程。根據生產

      工藝和產品對象的不同可以分為煤焦化、煤電石、煤氣化和煤液化等產業鏈。其中煤焦化、煤電石屬于傳統的煤化工產業。煤氣化制醇醚燃料和煤制油燃料屬于現代煤化工領域。煤的氣化占有重要地位,其用于生產各種氣體燃料,能有效的提高人民生活水平和保護環境,另外煤制氣是液體燃料及其他化工產品的重要原料。煤制油即煤在高溫、高壓下加氫生產出人造石油及其化學品的過程。在石油短缺時,煤制油產品將替代天然石油為世界經濟的平穩發展奠定基礎。

      2、現代煤化工工藝技術

      2.1 煤制油的工藝方法

          煤制油工藝可分為直接液化和間接液化兩種。直接液化是先將煤炭磨成煤粉與溶劑配制成煤漿,然后在高溫、高壓及加氫處理的條件下轉化成油品。間接液化是將煤炭在高溫下氣化,再在催化劑作用下加氫處理合成油品。直接液化和間接液化制油的共同工藝特點是高溫(350480℃)、高壓(20      30MPa)、易燃、易爆、腐蝕和磨損,有較高的操作風險和技術難度。當前世界上直接液化工藝技術接近工業化的有德國JGOR工藝、美國HTI工藝、日本NEDOI工藝。已經成熟工業化運行的有南非Sasol固定床流化床、漿態床和殼牌(Shell)公司的固定床工藝。

      2.2 煤直接液化工藝過程

      煤直接液化也稱為煤的加氫液化,是指在高溫(420~480),高壓(10~20MPa)下,采用加氫方法使煤轉化為液態烴的過程。由于供氫方法和加氫程度的不同,有不同的直接液化法,加氫液化產物稱為石油,可進一步加工成各種液體燃料,直接液化中所用的氫氣通常用煤和水蒸氣氣化反應制取。煤的直接液化法由于氫耗高,壓力大,因而設備投資大,成本較高。

      2.3 煤間接液化工藝過程

      煤的間接液化是指將煤首先制成合成氣,然后通過催化劑作用將合成氣轉化成烴類燃料,含氧化合物燃料(如低碳混合醇。二甲醚等)。由于甲醇,低碳醇的抗爆性能優異,可替代汽油,而二甲醚的十六烷值很高,是優良的柴油替代品。近年來,還開發了甲醇轉化為高辛烷值汽油的技術,更促進了煤間接液化技術的發展。

      3. 煤化工行業的發展形勢

      近年來,隨著我國國民經濟的高速和持續發展,能源和化工產品出現較高的需求增長,其中煤化工在能源和化工領域占有重要地位。我國總的能源消耗比例為煤炭占67.8%、石油占23.4%、天然氣占2.5%、水電占5.4%、核能占0.83%。石油緊缺和油品消費增大的矛盾日漸突出,對其進口的依賴也越加嚴重。我國的石化產業調整和振興規劃中明確提出,積極引導煤化工行業健康發展,重點抓好煤制油、煤制烯烴、煤制天然氣、煤制乙二醇和煤制耳甲醚等五類示范工程。在未來的幾年里,國家逾投資上萬億元大力發展煤化工產業,到2020年中國的煤制油能力將達到年產5000t,屆時15有商業規模的煤液化工廠的總產量將可以替代2020年中國石油總進口量的15%,大大緩解國家對進口原油依賴的壓力。煤直接液化、間接液化的產品以汽油、柴油、航空煤油以及烯烴為主,產品市場潛力巨大、工藝技術創新的集中度高,是中國新興煤化工產業的重要發展方向。中國現有大型煤汽化一合成氯企業50家,中型企業1000余家,年產300t裝置30套,中型裝置55套,4t以下700套。汽化爐的擁有量約4000套。最近幾年,新建殼牌工藝汽化爐20余套,如湖北應城、廣西柳州、湖南岳陽和云南的大犁合成氨廠,湖北枝江、遼寧大連、河南永城、新鄉和義務的煤制甲醇,安徽安慶、內蒙神化的煤制氫。新建德士古工藝汽化爐10套。擬建中的項目58套,主要閥門供應商如芬蘭NELES,德國BERRIN.ARGUS,北美VELAN和部分國企。在這些新建裝置中,每套裝置需要金屬密封球閥約7000萬元,其中氧閥約2000萬元,其他閥門約3500萬元。按每年投產8套裝置計,年需求金屬密封球閥約10億元。

      4. 煤化工所用硬密封球閥

      煤制油的生產設備主要由反應爐的塔器、罐釜和管道等系統裝置組成,閥門是其中重要的控制設備。通用的閘閥、截止閥、止回閥、球閥及蝶閥等閥門需要承受高溫、高壓、臨氫、走氧、易燃、易爆、腐蝕及磨損等工況條件,其中核心裝置選用閥門以高溫高壓金屬密封耐磨球閥結構形式為主,這符合閥門行業高新技術產品的發展方向。由于煤化工特殊的工況,對閥門性能要求特別高,為滿足其特殊的工藝要求,主要從閥門的核心零件工藝和閥門結構兩個方面進行設計介紹:

      4.1 閥門的核心零件工藝

      4.1.1  硬密封球芯加工工藝

            硬密封球芯作為硬密封球閥的核心部件,由于對其表面硬度、粗糙度、圓度、噴焊層與基體結合強度等方面都有很高的技術要求,加之球芯自身的外型特點,使用普通設備對其加工非常困難,特別是磨削設備在國內幾乎無廠家生產,大部分球閥企業均只能靠國外進口。為使球芯表面硬度、噴焊層與基體結合強度達到煤化工特殊工況要求,目前國際上比較成熟先進的工藝方法為:熱噴焊工藝和超音速噴涂工藝。       

      熱噴焊工藝(1):噴焊是指在熱噴焊過程中對基體和合金同時加熱至工藝規定溫度,使合金在基體表面熔化,形成熔層的方法。最終沉積物是致密的金屬結晶組織并與基體形成的冶金結合層,其結合層抗沖擊性能較好、耐磨、耐腐蝕,但工件變形量較大。噴焊工藝已廣泛使用在石油、化工等行業。

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      超音速噴涂工藝(2): 超音速噴涂技術是目前國際最先進的噴涂術,它是利用電能或燃燒能為源,將需要噴涂的材料加熱到熔化或者半熔化狀態,然后高速噴射到經過處理的基體表面形成具有一定特性的涂層技術。其具有較高的結合強度、硬度、及耐高溫性能。

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      球芯磨削工藝3:為保證球閥的高密封性能,對球芯的圓度、表面粗糙度都有非常高的技術要求,所以必須對球芯表面進行粗磨,然后再采用鑲有金剛石砂條的磨盤進行精磨,以確保零件的尺寸精度。

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      4.1.2  球芯、閥座配研工藝(圖4

      由于球閥的密封是靠閥座和球芯共同作用而實現的,所以必須把閥座密封面與球面進行單獨配研,以此來保證閥門密封副的吻合度,達到閥門要求的密封等級。

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      4.2  閥門結構

      煤化工中常用的硬密封球閥按結構形式分為:兩片式、三片式、上裝式球閥、V型球閥、偏心球閥

      4.2.1 兩片式球閥

      兩片式球閥分為浮動球結構和固定球結構兩種結構形式。浮動球閥結構(圖5):該閥結構簡單,且閥座球芯具有自動尋找中心的功能,彈簧加載提供預緊力更平穩,另外減少加工工序、提高裝配效率,節約成本并能有效提高閥門泄漏等級和使用壽命。此類閥門多用在中低壓力級、中小口徑的水、水蒸汽及低壓煤粉等介質管道上,起切斷作用。



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      固定球硬密封結構(圖6):該閥均采用動態雙向密封,即左右閥座背面均裝有彈簧補償,即便閥座磨損也可以進行雙向補償,雙向密封。此結構所需驅動力矩小,耐高溫、結構剛性好、密封性能可靠、內部密封結構采用模塊化設計,可實現軟硬密封閥座任意互換,增加了泄壓、排污功能;此類閥門多用于高溫和易燃易爆的加氫裝置管道上。

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      4.2.2 三片式球閥

      三片式球閥(圖7由于主要針對高溫、高壓工況,所以其閥體、閥內件多采用鍛件毛坯,為便于裝配、維修,閥體采用三片式固定球結構。閥門的閥桿外增設填料函定位軸套,使介質的推力由填料函定位軸承承擔,而閥桿只承受扭應力,從而減小了閥門扭矩。另外閥桿還設有防沖臺階,定位軸套可防止閥桿因介質壓力過高而沖出。此類閥門多用于高壓煤粉、氣體傳送及焦化、裂化反應裝置的切斷。

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      4.2.3 上裝式球閥

      上裝式球閥(圖8)其主要特點為球芯、閥桿和底軸采用整體式設計,即便在高壓狀態下也可保證球體中心位置不偏移,比閥芯與閥桿采用扁方連接穩定性更好; 雙向動態密封結構設計,避免球芯與閥卡死; 球芯、閥體表面噴涂碳化鎢,防磨損、防沖刷; 通過對整機的特殊設計,使閥門能夠輕易的實現在線維修。此類閥門多用于中壓力級別管道、扭矩較小的料斗及反應釜的灰渣泄流部位,用作鎖渣閥、鎖灰閥或鎖斗閥等。

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      4.2.4  偏心球閥

      偏心球閥(圖9球體采用具有徑向偏心結構的鑄造半球形式,可以有V形缺口,密封部位是環形的環球臺面。整體式閥桿,與球體上部采用花鍵配合連接,具有受力均勻、對中性良好的優點。由于本閥可以耐高溫、單面密封性能好、啟閉靈活、密封副脫開后避免密封面之間的磨損、延長了使用壽命。多用在需要進行調節和關閉的灰渣或漿料介質管道上。

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      4.2.5  V型球閥

      V型球閥(圖10其主要特點為球體與閥座密封采用彈簧支撐形式,彈簧彈性形變可使球體與閥座持續接觸,即便磨損也可自動補償。另外通過特殊設計可以有效避免執行機構限位失效時,閥門無法限位的問題。閥桿與球芯采用花鍵比普通鍵連接可靠性高、精度高、回差小、承載能力強,使用壽命長,并且拆卸、維修方便。此類閥門多用于對液體介質的調節和切斷工況。

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      5、結語

          由于硬密封球閥的材料成本高、技術含量高、工藝難度大、質量風險大、投資高、主體材料和密封材料的選用以及對球體圓度、光潔度、密封面吻合度和球軸同心度的要求都很高,因此閥門的價位為同內軟密封球閥的610倍,進口的閥門又為國產的35倍。煤化工行業所采購的硬密封球閥大多應用在一些高溫、高壓且含有大量固體顆粒、纖維等惡劣工況中,閥門在正常使用一段時間后容易損壞,而國外產品的維修時間較長,不能滿足國內企業的要求,這樣為許多高端閥門國產化及以國代進,提供了良好的機會。為此國內很多企業對煤化工企業球閥做了大量的研制工作,并取得了很大成果,為煤化工行業的發展做出了較大貢獻。

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