文丘里节流装置在水煤浆气化工艺中的应用

侯旭

(华陆工程科技有限责任公司，陕西 西安 710065)

文丘里节流装置在水煤浆气化工艺中的应用

侯旭

(华陆工程科技有限责任公司，陕西 西安 710065)

针对水煤浆气化工艺对煤浆循环管线性能的要求，研制了一种新型节流装置，采用特殊材质与新型文丘里喉部结构。重点介绍了煤浆循环管道系统工艺过程和管道设计、节流装置的选型设计、节流装置的结构组成、工作原理及工程实践效果。实际应用表明:该创新的文丘里节流装置性能稳定可靠，满足了煤浆回流管道降压需要，延长了装置检修周期，同时降低了设备的采购成本。

文丘里节流装置 水煤浆 循环管路系统 喉部结构

8.7 MPa水煤浆气化技术在中国得到大规模运用，工艺原理为原煤经煤浆制备系统制备为水煤浆，经煤浆给料泵送入气化炉，与来自空分工段的氧气充分燃烧后形成粗煤气，粗煤气经炭洗塔洗涤后送至变换系统进行气体组分调整，为下游装置提供工艺气。该工艺过程与传统的6.5 MPa气化技术相比，原料消耗降低约3%，投资费用降低约15%，能耗降低约40%，装置能效转化率提高约9%，实现了煤基生产技术高效利用和资源清洁转化生产。由于系统压力高，系统煤处理量大，该水煤浆气化工艺对系统设计、设备及管道选材要求苛刻。根据工艺要求，装置设置煤浆循环管路系统，为气化炉烘炉点火准备与停车提供可靠的硬件保障。新型节流装置是保障煤浆循环系统平稳运行，成功实现减压过程的关键设备。

1 煤浆循环管道系统工艺过程与管道设计

水煤浆气化工艺过程主要由煤浆制备与气化两部分组成，煤浆循环管路系统在气化工艺过程中处于上游位置。由磨煤机出口槽泵来的煤浆进入煤浆槽，煤浆槽有一定的高度，提供高压煤浆泵所需的入口压头。当气化炉处于运行状态时，高压煤浆泵将来自煤浆槽的煤浆加压后，经煤浆切断阀进入工艺烧嘴。当气化炉处于烘炉状态时，煤浆出自高压煤浆泵后，经回流管线重新进入煤浆槽。高压煤浆泵配备变频电机，使得煤浆循环管路压力可调，以满足气化炉烘炉及正常运行需要。煤浆循环管线流程如图1所示。

煤浆循环管路系统主要环节为煤浆介质起始煤浆槽，经高压煤浆泵送至烧嘴煤浆上游切断阀，当烧嘴煤浆上游切断阀关闭且煤浆回流切断阀打开，煤浆进入回流管路，经文丘里节流装置降压后再次进入煤浆槽，完成回流循环。高压煤浆泵出口正常工作压力为11.2 MPa，最大流量144 m3/h，正常流量120 m3/h，最小流量60 m3/h。当气化炉处于烘炉预备点火状态时，高压煤浆泵出口压力约为1.8 MPa，煤浆经过文丘里节流装置后，最终压力降低至0.4 MPa。气化炉正常运行状态煤浆管线压力为11.2～11.8 MPa，为预防煤浆回流切断阀的故障或错误开启，自高压煤浆泵出口，经煤浆回流切断阀至节流装置上游管路及配套阀门、仪表设备压力等级均为CLASS900，以文丘里节流装置为界，下游管路选用CLASS150压力等级，管道壁厚降为SCH80。煤浆管线材质均为20号钢，全线选用4D弯通及厚壁管，减少煤浆对管材的磨损，尽可能延长管线使用寿命。

图1 煤浆循环管线流程

2 节流装置选型设计

当文丘里节流装置安装于管道时，其上、下游将产生压力差，根据伯努利方程，得到流量基本方程式:

(1)

式中:qm——流体质量流量；ε——流体经过节流装置后的流束膨胀系数，液体ε=1 ；c——流出系数；β——环形孔的等效孔径与管道内径的比值；D——管道内径；Δp——上、下游差压值；ρ1——上游侧流体密度。

节流装置选型计算时，可利用工艺要求的节流装置的Δp计算出节流装置管道内径和喉部内径的比值，然后决定喉部内径尺寸。

煤浆介质对节流装置的冲刷破坏力极强，传统孔板具备节流效果好、质量轻、成本低的优点，但孔板的耐冲刷性能远不及文丘里节流装置。在实践中，通过对比试验证明，相同工况下，材质为316SS的孔板，在工艺装置试车期间，正常工作寿命小于48 h，且节流效果在正常工况下以指数形式迅速衰减。在停车后取出孔板对其进行观察，孔板上游面呈现明显喇叭口状，下游面呈现不规则圆形，已失去原设计节流能力。

经试验结果证明，孔板节流元件不适用于8.7 MPa气化工艺煤浆循环管线的工况，无法在节流效果与冲刷损耗之间取得较好的平衡。虽然楔式与矩形节流元件均可用于煤浆介质工况，但上述2种节流元件流道的平滑度均不及文丘里节流元件，最终在多种形式的节流元件中，考虑选用文丘里节流元件，希望在节流效果与冲刷损耗之间取得较好的平衡，最大限度延长节流元件的使用寿命。

3 结构组成

在确定文丘里节流元件选型与喉部开孔尺寸后，为最大限度抵御煤浆介质对文丘里节流装置的冲刷磨蚀，使用创新喉部结构与特殊材质，以达到预期效果。文丘里上、下游缩径段材质选用20G配合碳化钨喷涂技术，增强了元件接触介质部分表面硬度。

根据孔板磨蚀试样可知，随着文丘里管段的收缩，文丘里喉部上游收缩段与喉部平行段拐点处将是煤浆流体与原件的集中磨蚀区。图2，图3分别为文丘里喉部外包结构设计和文丘里喉部套管设计，文丘里喉部结构采用特殊镶嵌工艺，使用碳化钨硬质合金套管，并将该套管结构向上游延长，形成收缩喇叭口结构，并对收缩段与喉部平行段拐点角度进行优化，使用喉部外包结构配合上、下游收缩段，将套管整体平滑镶嵌于文丘里喉部内层，即煤浆与节流装置磨蚀最为剧烈的区域为整体碳化钨硬质合金材质。文丘里节流元件成品结构如图4所示。

图2 文丘里喉部外包结构设计

4 结束语

8.7 MPa气化工艺技术在某项目的大规模运用在国内尚属首次，仪表、管道设备等主要专业的工程设计经验来自此前6.5 MPa气化项目。在实践中发现，某些在6.5 MPa气化项目中可顺利运行的方案，而在8.7 MPa气化项目中并不适用。例如6.5 MPa气化工艺煤浆循环管路的节流元件选用不锈钢孔板，即可顺利运行。8.7 MPa气化装置共计6台气化炉，原设计共计6套煤浆循环管路系统，每套系统每年更换一次该节流元件，通过使用创新的文丘里节流元件，自2014年11月运行以来，煤浆循环管路系统节流元件从未更换，其实际工作寿命已远超原设计寿命。

图3 文丘里喉部套管设计

图4 文丘里节流元件成品侧视示意

经过近3a的实际应用，体现了该新型文丘里节流元件的优势:6套煤浆循环管路节流元件运行平稳，完全解决了试车初期煤浆循环管路的降压难题；煤浆循环管路的平稳运行，为气化炉点火操作与停炉操作提供可靠保障；有利于延长装置检修周期；该节流元件自身结构简单，成本可控，寿命较长，无额外能耗，使用简便，相比各种形式的减压控制阀有巨大成本优势。

[1] 宋岢岢.压力管道设计及工程实例[M].北京:化学工业出版社，2007:56-60.

[2] 刘哲，陈逢阳.仪表工程施工手册[M].北京:化学工业出版社，2011:384-388.

[3] 冯凯，刘志伟.HG/T 20553—2011化工配管用无缝及焊接钢管尺寸选用系列[S].北京:中国计划出版社，2011:9-15.

[4] 陆德民，张振基，黄步余.石油化工自动控制设计手册[M].3版.北京:化学工业出版社，2000:77-83.

[5] 李明华，彭淑琴，龙竹霖，等.GB/T 2624—2006用安装在圆形截面管道中的差压装置测量满管流体流量[S].北京:中国标准出版社，2006:10-15.

[6] 贺永德.现代煤化工技术手册[M].北京:化学工业出版社，2004:195-227.

[7] 郭树才.煤化工工艺学[M].北京:化学工业出版社，1992:144-157.

[8] 蔡尔辅.石油化工管道设计[M].北京:化学工业出版社，2002:228-237.

[9] 蔡尔辅，陈树辉.化工厂系统设计[M].2版.北京:化学工业出版社，2004:61-65.

[10] 左国庆，明赐东.自动化仪表故障处理实例[M].北京:化学工业出版社，2003:24-25.

[11] 张金和.管道安装工程手册[M].北京:机械工业出版社，2006:1432-1440.

ApplicationofVenturiThrottlingDeviceinWater-coalSlurryGasification

Hou Xu

(Hualu Engineering & Technology Co.Ltd., Xi’an,710065, China)

s：Focusing on requirement of circulation pipe performance for water-coal slurry gasification, a new Venturi throttling device has been developed with a special material and novel Venturi laryngeal structure.Process and pipe design for water-coal slurry circulation pipeline system, type selection design, structure composition, working principles, practice effect of throttling device are stressed.The practical application indicates the new Venturi throttling device runs stably and reliably.The requirement of depressurization for reflux line of water-coal slurry is met.Overhaul period of devices is prolonged.Equipment procurement costs is reduced.

Venturi throttling device; water-coal slurry; circulation pipe system；laryngeal structure

稿件收到日期：2017-09-22，修改稿收到日期2017-10-08。

侯旭(1983—)，男，陕西耀州人，2008年毕业于西安石油大学测控技术与仪器专业，获学士学位，现就职于华陆工程科技有限责任公司，从事总承包项目工程采购工作，任采购经理。

TH814

B

1007-7324(2017)06-0021-03