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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) 濟化。在水煤漿氣化工藝中，除了閃蒸罐作為合 成轉換的核心裝置外，氣化爐與洗滌塔內的黑水調節閥也是不可缺少的組成部分。黑水調節閥的長(cháng)期穩定運行影響整體裝置的持續生產(chǎn)，但在嚴苛工況下，黑水調節閥使用壽命極短。

1 黑水工況分析

    黑水閃蒸系統承接來(lái)自氣化爐、洗滌塔、閃蒸 罐的流體、液位調節任務(wù)。
    黑水是水煤漿氣化過(guò)程中產(chǎn)生的伴生產(chǎn)物， 需要對其進(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 3 000 mg / L。伴隨多次回收沉降， 固體顆粒的質(zhì)量分數為 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 +  等多種強腐蝕離子，會(huì )對調節閥內壁及零件 產(chǎn)生沖蝕。由于黑水調節閥多用于罐底回收與罐 后給料，其本身承載著(zhù)大量液體，同時(shí)工藝制備中 介質(zhì)溫度為 200 ～ 300 ℃ ，使得黑水調節閥前后壓 差較大。
    根據節流原理，當介質(zhì)流過(guò)調節閥內部縮流 斷面，壓力回升不超過(guò)入口溫度下的飽和蒸氣壓 時(shí)，流體介質(zhì)將會(huì )繼續汽化，在調節閥出口形成氣液共存的現象，即閃蒸。由于黑水調節閥的主要 作用就是對介質(zhì)進(jìn)行減壓調節，這必然會(huì )發(fā)生閃 蒸現象，汽化后的黑水流體體積急劇膨脹，與流入 調節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、強腐蝕、 強沖擊，黑水調節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，固體顆粒成為調節閥設計的首要 難點(diǎn)。首先，高速沖擊下的固體顆粒會(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。 這部分起調節功能的零件由于其加工材料、原材 料二次處理的方式、抵抗沖擊的結構，導致在其表 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(zhù)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(guò)管道內壁、閥體內腔時(shí)， 由于阻塞流或者管道轉彎、閥腔轉向過(guò)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(wèn)題。固體顆粒細 小，極易發(fā)生沉降、結垢現象，易堆積在調節閥內腔死角，以及閥芯、閥座、閥桿表面，特別是用于穩 定閥桿、減少震動(dòng)的閥桿導向區域。為保證閥桿 與導向的穩定，兩者的間隙不會(huì )留太大，同時(shí)閥桿 會(huì )隨閥門(mén)啟閉上下運動(dòng)，必然會(huì )將固體顆粒帶到 閥桿與導向之間的間隙中，這就會(huì )導致閥桿與導 向卡死，加劇閥桿與導向表面的磨損，最終影響閥桿的穩定作用。同時(shí)，也會(huì )因為導向穩定作用的 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 )影響調節閥上部填料與 閥桿密封的效果，造成黑水外漏、有毒氣體逸散等 嚴重事故。
2.2 液相方面

    由于黑水閃蒸系統中，調節閥面對的是高壓 差工況，因此黑水液相是檢驗調節閥強度的重要 組成部分。由于在高壓差工況下，為了減少閥門(mén) 啟閉，在閥腔內設置用于平衡閥芯與閥桿上下兩 側壓力的平衡區。液體在高壓作用下，會(huì )沖擊調 節閥腔內部的平衡區域，流道形狀若不能對流體 產(chǎn)生疏導、轉向、減速作用，則會(huì )加大閥腔內隔板 的壓力承載，導致閥腔出現裂紋、貫通等現象。
同時(shí)，黑水液體的沖擊也會(huì )直接影響閥內零 件的強度，導致閥內零件產(chǎn)生振動(dòng)、磨損、彎曲，從 而降低閥門(mén)穩定性、調節精度、安全性。
2.3 氣相方面

    黑水調節閥面臨高壓差工況，閃蒸與空化無(wú) 法避免。汽化后的黑水流體體積急劇膨脹，對閥 芯表面、閥座密封面、閥門(mén)出口處的文丘里擴口延 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 )導致管道及下游工藝設備 管口產(chǎn)生振動(dòng)。
    固液氣三相流混合工況，使得黑水調節閥的 使用壽命非常短，僅為 1 ～ 3 個(gè)月。設計者的能力 是調節閥使用壽命的關(guān)鍵，下文將對各種問(wèn)題提 出指導性的解決方法。
3  解決方案

3. 1  調節閥的結構類(lèi)型

    設計者首先要確定調節閥的結構類(lèi)型。縮短 介質(zhì)在調節閥內流通的時(shí)間。調節閥結構一般分 為直通式和角式，見(jiàn)圖 1。

圖 1 調節閥的結構模型

    在對黑水進(jìn)行調節時(shí)直通式調節閥需要進(jìn)行 2 次急轉向，并且固體顆粒易沉降在管道與轉向 處底部。而具有平滑轉向、不易沉降的角式，其結 構能夠很好地引導介質(zhì)流動(dòng)。閥門(mén)打開(kāi)時(shí)，介質(zhì)幾乎不受任何阻力就可以流出調節閥，最大限度減少介質(zhì)對調節閥的沖擊。
3. 2 固體顆粒沖擊零件

    閥內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(jiàn) 圖 2。

圖 2 優(yōu)化前沖擊示例

3.2.1 強化零件 

    零件的材料材質(zhì)及結構尺寸決定了其使用壽命。加粗調節閥閥桿，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) 

    對介質(zhì)流動(dòng)進(jìn)行疏導，或者對零件的流動(dòng)結構進(jìn)行優(yōu)化，避免零件直接承受沖擊，見(jiàn)圖 3。在流體進(jìn)入芯之前，通過(guò)流道彎曲將其引導至與閥芯形成一定角度，大幅弱化對閥芯徑向的沖擊，同時(shí)也可減少震動(dòng)，保證閥門(mén)穩定運行。 閥內零件可具有一定角度、弧度，減少突起、臺階 凹槽等可能影響流體流動(dòng)并加劇沖蝕的結構。 

圖 3 優(yōu)化后沖擊示例

3. 3 固體顆粒沉積

    細小的固體顆粒易堆積在調節閥內腔死角或 結痂在閥芯、閥座、閥桿表面，導致流通受阻，見(jiàn)圖 4。

圖 4 優(yōu)化前沉積示例

 3.3.1 減少沉積位置

    將閥腔與零件設計成與液體流向一致的結 構，與閥腔路徑形成整體的流線(xiàn)型，主動(dòng)減少閥腔 的靜態(tài)死角、零件易沉積的臺階等結構。流體在 流動(dòng)過(guò)程中可自發(fā)地將固體顆粒帶出閥腔內部 ( 見(jiàn)圖 5) ，有助于減少固體顆粒沉積，改善閥腔結 構的流通能力。

圖 5 優(yōu)化后沉積示例

3. 3.2  疏導沉積

     在溫度、溶質(zhì)、壓力等因素下，固體顆粒會(huì )附著(zhù)于閥腔與零件表面，需要對閥腔結構與零件表面設置靜態(tài)疏導結構。閥腔內部易沉積位置設計排污口，通過(guò)曲面、傾斜、凹坑等結構，利用重力引 導固體顆粒向排污口聚集，也可以利用流體沖刷 沉積位置以達到輔助清理的作用( 見(jiàn)圖 6) 。

圖 6 優(yōu)化后沉積疏導示例

    在零件表面，用溝槽、環(huán)槽等結構引導附著(zhù)的 固體顆粒，防止過(guò)渡配合導致固體顆粒的侵入而 卡死，見(jiàn)圖 7。

圖 7 零件優(yōu)化后沉積疏導示例

    對于需要小配合的導向部分來(lái)說(shuō)，固體顆粒附著(zhù)與配合表面無(wú)法避免，可以選擇螺旋環(huán)槽 + 豎直溝槽將部分附著(zhù)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

    在設計黑水調節閥時(shí)，應充分考慮流體介質(zhì) 的腐蝕性與固體顆粒的沖刷性。對于運輸作用大于承壓作用的基礎管道，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管道的耐沖刷 與耐腐蝕性能。
    對于承壓作用大于調節作用的黑水調節閥， 可使用抗腐蝕、結構強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，因此閥腔內部流道 的形狀、結構影響閥體的壓力恢復系數，是保證閥 體穩定性與安全性的關(guān)鍵。不合理的流道設計( 見(jiàn)圖 8) 會(huì )使內墻部分隔 板承受不必要的沖擊，流道內部轉向僵硬; 過(guò)渡部 分中無(wú)用的溝槽會(huì )使流體在流動(dòng)過(guò)程處于紊亂的 狀態(tài)，導致閥腔內部產(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

    在設計黑水調節閥時(shí)，應充分考慮流體介質(zhì) 的腐蝕性與固體顆粒的沖刷性。對于運輸作用大于承壓作用的基礎管道，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管道的耐沖刷 與耐腐蝕性能。對于承壓作用大于調節作用的黑水調節閥， 可使用抗腐蝕、結構強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，因此閥腔內部流道 的形狀、結構影響閥體的壓力恢復系數，是保證閥 體穩定性與安全性的關(guān)鍵。不合理的流道設計( 見(jiàn)圖 8) 會(huì )使內墻部分隔 板承受不必要的沖擊，流道內部轉向僵硬; 過(guò)渡部 分中無(wú)用的溝槽會(huì )使流體在流動(dòng)過(guò)程處于紊亂的 狀態(tài)，導致閥腔內部產(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(méi)有阻礙地流出閥體是流道設計的重點(diǎn)。可增加流道回流、分流能力，讓閥體內腔能 夠均勻承載液體壓力，并減少閥芯單側的壓力有助于穩定閥芯( 見(jiàn)圖 9)。

                                        圖 9 優(yōu)化后液體沖擊、渦流示例
3. 6 應對空化和閃蒸

（1）黑水調節閥在閥門(mén)出口處需要應對高壓差帶 來(lái)的液體汽化以及體積膨脹所造成的空化效果， 會(huì )對閥座出口及下游管道產(chǎn)生嚴重沖刷。此時(shí)結 構性設計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(kāi)啟系統內回流及新增東西 2 臺自 吸泵。無(wú)特殊情況，保持長(cháng)期運行。
( 3 )   控 制 進(jìn) 口  COD  質(zhì) 量 濃 度 為 2 000 mg / L 上下。根據調整規律，甲醇計量泵調 整沖程 100% ，24 h 連續投加甲醇約 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(xiàn)，滿(mǎn)足生物處理 系統合適的運行溫度。根據每天的測量數據對蒸 汽閥門(mén)開(kāi)度進(jìn)行靈活調整。
4 創(chuàng )新點(diǎn)

( 1) 首次對各項工藝控制指標進(jìn)行調整，打 破原有控制入口 COD 的思維，改變了生物處理系 統內的工藝走向。
( 2) 對當前系統內每個(gè)生物池所處的狀態(tài)進(jìn) 行分析判斷，并依托現場(chǎng)出現的現象和工藝指標 對原水成分進(jìn)行調整，進(jìn)一步降低污水站原水無(wú) 法調節產(chǎn)生的無(wú)序影響。
( 3) 根據現場(chǎng)實(shí)際，處理站建立了一套以運 行優(yōu)化為目標的操作流程。
5 實(shí)施效果

    實(shí)施該方案后，運行狀況較好，各項工藝指標 調整在一定范圍內，總氮指標穩定在 20 mg / L 半 月有余。但該數據是在控制廠(chǎng)區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 僅能在一段時(shí)間內維持達標。根據前期經(jīng)驗判 斷，逐步細化各工藝控制指標，總氮質(zhì)量濃度日均 值現可維持在 10 ～ 35 mg / L，其數值受進(jìn)水水質(zhì) 和水量多種因素制約。
通過(guò)不斷總結，逐步加大回收污水處理量，同 時(shí)增設 1 臺甲醇計量泵，最終，外排總氮指標可以 穩定在環(huán)保排放范圍內。
6 結語(yǔ)

    通過(guò)對污水處理系統內各工藝指標的調整進(jìn) 行突破性創(chuàng )新，將總氮、COD 等指標保持在相對 穩定的范圍內。在進(jìn)行技術(shù)革新的過(guò)程中，理論 結合現場(chǎng)實(shí)操，建立起一套以運行優(yōu)化為目標的 操作流程，避免了環(huán)保方面的事故問(wèn)責及處罰。