瓦斯蓄热氧化工艺热能调控装备分析与探讨

张 涛

(1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037； 2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037)

一直以来，煤矿低浓度瓦斯和乏风瓦斯因其较低的甲烷含量而未能得到有效利用和重视，绝大部分被直排进入大气，造成资源浪费和环境污染。近年来，以中煤科工集团重庆研究院有限公司为代表的一些企业开发的低浓度瓦斯蓄热氧化井筒加热工艺成功地解决了这一问题，该工艺利用煤矿井下抽采瓦斯和乏风瓦斯为原料，经过蓄热氧化装置和热交换装置将甲烷释放的热量提取并加以利用[1-3]。瓦斯蓄热氧化是目前煤矿乏风及低浓度瓦斯利用的主要技术手段，合理的热能调控技术及措施是提高蓄热氧化利用经济性和安全性的先决条件，而热能调控的核心装备是高温调节阀。笔者重点针对瓦斯蓄热氧化工艺热能调控的特殊性能要求，从材料和结构两个方面对瓦斯蓄热氧化工艺热能调控核心设备高温阀门进行分析与探讨，并对实际使用过程中的效果进行分析。

1 高温阀门的作用及性能要求

在瓦斯蓄热氧化工艺中，一般将高温阀门设置在蓄热氧化装置后端、用能设备前端的高温烟气管道上，这部分高温烟气主要由空气和甲烷反应生成的二氧化碳、水蒸气组成，温度高达800～1 000 ℃。由于工艺后端用能设备大多处于并联状态，互不干扰，故每个用能设备前端均有一个高温阀门用来调节进入该设备的烟气量，以实现热能的系统调控。

在整个蓄热氧化系统运行过程中，高温阀门主要有两个作用：

1)维持设备稳定运行，实现系统热能调控功能，提高经济性。蓄热氧化装置的炉温稳定性直接影响工艺的正常运行，提取的烟气流量直接影响后端的热量供应，而稳定的炉温和烟气流量很大程度上取决于工艺中的热能调控系统，工艺中热能调控系统主要由温度传感器和高温调节阀组成，热能调控主要依靠高温烟气管道上高温阀门调节来实现[4-7]。

2)当后端某些用能设备出现故障且系统不能停机时，高温阀门可阻止过量烟气进入后端换热器或锅炉等设备，避免换热设备干烧，提高安全性。

因此，高温阀门是低浓度瓦斯蓄热氧化井筒加热工艺中的关键装备，此类高温阀门在材料和结构等方面与一般阀门有着巨大差异[8-11]，实际使用过程中不仅要满足高温条件下阀体内件形变极小、启闭调节顺畅的性能要求，同时，还要保证较低的泄漏量，泄漏等级需达到Ⅲ级。

2 阀门材质及结构分析

2.1 阀门材质分析

高温阀门特殊的使用条件使其在材料的选择上比较复杂，不仅要比较材料本身的性能，而且针对阀门的主体和内件材料也要做不同的选择和处理。

1)材料的性能。一般而言，高温条件下，钢材的力学性能会发生明显变化：当温度超过400 ℃时，钢材硬度随温度的升高而下降，塑性指标随温度的升高而上升。当温度超过450 ℃时，钢材会发生蠕变，蠕变与温度、应力的关系为：若温度不变，则应力蠕变速度较大；若应力不变，则温度越高蠕变速度越大[12]。高温阀门设计中，确定许用应力是选择材料的关键，为了经济性，只需确定一个应力值，使得在阀门的使用寿命内，材料蠕变不至于发生断裂或者发生影响运动件相对运动的形变即可；另外，在长期的高温载荷作用下，钢材会发生断裂，材料的断裂应力随温度的升高而减小，也随时间的增加而减小。因此，设计时需比较材料的蠕变性能和断裂性能，选择其中较低的许用应力。

2)主体材料优选。高温阀门特殊的使用条件决定了其主体材质需要具备良好的熔接性，对冲击具有良好的吸收性能，回火脆性倾向较小等，常见的材料有优质碳素钢、不锈钢及高温合金钢。优质碳素钢在425 ℃温度下长期工作时，其碳化物有转化成石墨的可能，因此其工作温度不宜超过 425 ℃。马氏体不锈钢在400～550 ℃长期工作时有可能产生回火脆性；奥氏体不锈钢使用温度超过525 ℃时，其碳含量(质量分数)应大于0.04%，否则其强度会显著下降[13]。高温合金钢中金属的熔点越高，合金的耐热温度就越高，尤其是镍基合金钢在高温条件下能保持足够的强度和抗氧化性，经过处理，其使用温度可达到1 000～1 100 ℃。综合比较，选择牌号为K403的镍基沉淀硬化型等晶铸造高温合金钢作为阀门的主体材料，该合金钢常用于燃气锅炉导向叶片、阀门等零件。

3)内件材料优选。由于阀体和阀芯的散热条件不同，以及阀体的线膨胀和阀座的径向膨胀不同，所以为防止擦伤和卡死，在高温条件下阀门零件间的工作间隙应该增大，而间隙的增大量由材料的线膨胀系数、使用温度和应力决定。此外，内件的擦伤和磨损问题也需要重点考虑。高温阀门内件母体通常采用316不锈钢，其具有良好的耐热性和耐氧化性，同时，在其表面堆焊钨铬钴硬质合金或喷焊陶瓷，以提高阀内件的硬度、耐磨损及耐气蚀性能。

2.2 密封结构分析

相比于普通阀门，高温阀门的特殊结构主要体现在中部密封结构、密封副设计、上密封结构和螺栓连接设计。

1)中部密封结构：常见的密封结构大致可分为强制密封和伍德密封。强制密封的原理是拧紧中法兰螺栓，使其对密封垫片施加压力并对预紧垫片产生压缩，使得密封面上的微小缝隙被有效填满从而达到密封效果，其结构如图1所示。

1—阀盖；2—垫片；3—阀体。

伍德密封的原理是在升压操作前先拧紧牵制螺栓，使浮动盖上移二使阀盖和弹性楔形垫之间形成旋紧密封，当流体介质施加压力时，阀盖将会有向上移动趋势，此时牵制螺栓卸载，阀盖和楔形垫之间的密封比压随介质压力升高而增大，最终达到良好的密封性[14-17]，其结构如图2所示。

1—支撑环；2—四开环；3—阀盖。

由于强制密封常见于中温、中压及中小口径系列阀门中，故在此高温条件下选择伍德密封结构来保障阀门良好的密封性。

2)密封副设计：在阀体和密封环接触点，通过堆焊硬质合金来提高密封结构的硬度。密封环设计成外圆柱面样式，并留置2条环状沟槽，保证内堆面角度为26°，浮动阀盖对面角度为28°，使二者以线接触形式贴合，提高密封效果。另外，密封环表面硬度小于阀体和阀盖密封接触位置硬度，以满足塑性形变和强度要求。阀瓣和阀座密封面进行司太立堆焊处理，保证密封表面强度，提高其表面抗擦伤能力。

3)上密封结构：采用整体堆焊形式处理，避免采用分体上密封座螺纹连接可能因上密封座和阀盖热膨胀不同带来的螺纹容易松动的问题，直接将上密封座点焊在阀盖上。

4)高温螺栓连接：由于螺栓也长期在高温状态下工作，为避免螺栓被咬死，采用镍基合金材料，并将螺纹设计成粗牙螺纹，适当增加中径间隙。

3 应用效果

通过研究设计制造的2台高温阀门，在阳煤五矿小南庄瓦斯蓄热氧化井筒加热项目实际应用过程中表现稳定，经过2个供暖季的运行仅出现1次卡顿故障报警，并在下一个启闭周期时自动恢复正常，应用表明其故障率极低。

同时，通过阀门后端的流量计监测结果显示，当高温阀门处于完全关闭状态时，允许通过流量为 2 500 m3/h(标准状况下)的阀门泄漏量保持在2 m3/h(标准状况下)以下，泄漏率在千分之一以下；允许通过流量为15 000 m3/h(标准状况下)的阀门泄漏量保持在10 m3/h(标准状况下)以下，泄漏率在千分之一以下。泄漏等级达到Ⅲ级要求，提高了整个工艺系统的安全性。

在使用高温阀门的热能调控系统调控下，阳煤五矿小南庄瓦斯蓄热氧化井筒加热项目中的主要用能点——井筒进风的温度随时间的变化情况如图3所示。

图3 井筒进风温度变化图

从图3中可以看出，当环境温度发生较大变化时，井筒进风温度基本保持在15 ℃或10 ℃左右，能维持一个较小的波动水平，这说明使用高温阀门的热能调控系统起到了较好的调控作用，同时也保证了整个蓄热氧化装置的平稳运行，为后端提供了稳定的热量输出，提高了整个工艺的经济性。

4 结语

高温阀门是低浓度瓦斯蓄热氧化井筒加热工艺中热能调控的核心部件，通过对其材料、结构和加工工艺的分析和探讨，选用合适的材料和工艺设计制造的高温阀门基本满足低浓度瓦斯蓄热氧化井筒加热工艺的要求。在阳煤五矿小南庄瓦斯蓄热氧化井筒加热项目等实际应用过程中，高温阀门工作状态稳定，故障率低、泄漏量小，保证了工艺装置的平稳运行，提高了工艺的安全性和经济性，为该环保工艺的推广应用提供了有力的技术支持。