煤化工专用黑水阀阀座流通性能研究
黑水调节阀内闪蒸现象的CFD探索
书山有路勤为径，学海无涯苦作舟
黑水调节阀内闪蒸现象的CFD 探索
以航天煤化工系统中某型号黑水调节阀为研究对象，应用CFD 数值模拟方法得到了阀门流场特性的可视化效果，根据流场特性对阀门内部闪蒸现象进行了分析，并给出了对现有结构进行改进的建议。
引言
煤气化装置中，气化炉底到高压闪蒸罐及洗涤塔底部到高压闪蒸罐设置
黑水调节阀多台。
这些调节阀工作温度较高、压降大、灰渣含量也最高，应能够耐受通过阀门压力降引起的高流速，还要耐受闪蒸溶解汽的汽蚀、水的汽化和煤灰颗粒引起的腐蚀及磨蚀。
尤其是在第一级闪蒸，黑水从高压经过闪蒸阀直接降到中低压，由于闪蒸出大量工艺蒸汽，物料流过闪蒸阀节流元件的速度非常高，导致阀内件磨损严重，阀门的使用寿命大大降低。
因此，针对这类阀门内部的流场进行CFD 数值模拟分析，得到可视化的结果，找出其闪蒸、空化的区域对改进设计结构，提高使用寿命至关重要。
1、黑水调节阀结构简介黑水调节阀多为角阀，广泛适用于控制高黏度介质、含有颗粒的流体和泥浆及闪蒸流体等。
本文选取DN150，PN11.0 的黑水调节阀为研究对象，其三维结构如分别建立该型号黑水调节阀开度分别为30%、60%时的流道模型，并划分网格，其中开度为30%的流道模型如2.
2、数值计算将GAMB
表1 计算条件
2.3、数值模拟结果分析
由于该黑水调节阀的固有流量特性为等百分比，主要工作区间为开度为10%～90%，选取30%和60%两个开度进行计算并分析。
黑水陶瓷调节球阀结构校核及改进
式中 Cv ———流量系数； d ———阀门公称通径 5″（1″ = 25． 4mm） ； D ———管道内径进口 6″，出口 16″； FF ———液体的临界压力比系数； FLP———带有管件的液体压力恢复系数； FL ———管道压力恢复系数，取 0． 8； FP ———管道几何系数； K ———管件的阻尼系数； K1 ———上游管件的阻尼系数； K2 ———下游管件的阻尼系数； KB1———进口端伯努力系数； KB2———出口端伯努力系数； N2 ———数字常数，890。
5———球体；
6———导流板；
7———节流孔板
1． 2． 2 节流孔板校核
由于闪蒸不可避免，因此节流孔板主要是为
了控制气蚀的产生。对于一般可能产生气蚀的工
况，选用多级减压的方式，主要作用是借助压力降
的合理分配，使压力下降和恢复呈现逐级衰减的
特点，最 大 程 度 减 轻 或 消 除 气 蚀 发 生 的 能 量［3］。 多级减压的应满足［7］：
严重破坏［4］。对于一个压力下降 － 恢复的过程 来说，气蚀过程分为两段：前半段析出气泡的过程 叫做闪蒸，会导致流速进一步加快，节流面冲刷损 伤加剧；后半段气泡破裂的过程叫做气蚀，会对调 节阀本体和阀内件造成严重破坏［5］，形成煤渣和 蜂窝状的表面［6］。
为了防止气蚀的产生，应该在阀门的下游设 置节流孔板。
Δpmax（LP） （ 对 于 安 装 有 管 件 的 最 大 允 许 压 力 降） 时，就可避免汽蚀的发生。最大允许压力降计算 式为［8］：
Δp max（ LP）
=
（
FLP FP
）
2
（
p1
－ FFpv）
（3）
槡 FF = 0． 96 － 0． 28
黑水调节阀概述
黑水调节阀概述在煤化工系统中高压闪蒸罐、真空闪蒸罐及高闪罐顶分离器等系统设备上的阀门使用工况苛刻，流体介质主要为高温的黑水、渣水及灰水。
黑水、渣水及灰水含有氯离子、氨、钾盐、硫化氢或磷酸等强腐蚀介质，并且阀门前后压差大。
在节流口，流体介质混杂着硬质颗粒高速流动，具有强大的动能，阀门的阀芯或阀座等表面很快被冲出流线形的细槽，形成侵蚀，同时有阻塞流发生，高速流体产生闪蒸或空化。
介质在阀腔内的聚泡爆裂过程，会释放很大的能量，对阀体内部及节流元件等零件产生强力破坏，形成气蚀。
对于阀门性能要求必须达到耐高腐蚀、耐高冲刷和耐高温度的要求。
传统的工艺管线上主要采用进口的结构形式为偏心旋转调节阀，其结构耐腐蚀、耐高温性能好，但是耐冲刷性能差。
其阀芯、阀座及阀体流道等喷涂碳化钨处理，其寿命约为3个月，而国内产品仅仅使用半个月左右。
受此影响，装置运行需要频繁地更换阀门，既浪费工时又加大了生产成本。
为此研制开发了文丘里黑水调节阀(黑水调节阀产品专利)。
2 技术参数公称通径变径进口10in(250mm)出口28in(700mm)等公称压力ANSI900LB工作介质黑水、渣水、灰水等流量特性等百分比泄漏等级ANSIB104IV可调比50内件材料特殊碳化钨整体烧结工作温度200-425°C3 型式选择煤化工系统原工艺选择偏心旋转调节阀，虽然能够满足工艺要求，但是偏心旋转调节阀的结构型式决定其耐冲刷能力差。
传统的单座阀门允许前后压差小，无法满足压差要求。
如果是清洁介质，套筒阀将是最理想的阀门，但是由于介质含有大量固体颗粒的原因无法使用。
最终确定特殊种类的单座角式调节阀，既有传统单座阀的优点，又有套筒阀的耐压差大和能量冲击消耗的特点，并且是有清洁作用的高进低出阀门，设计了特殊种类的文丘里黑水调节阀。
4 结构性能4.1 阀体阀体不仅是阀门主要承压件，也是所有零件连接安装的核心零件，并决定着阀门的结构及性能。
阀体设计成腰鼓型，并且对阀座和导向套采用了改进后的安装方式。
煤化工阀门应该怎么选择
煤化工阀门应该怎么选择煤化工行业因其特殊的工艺流程和操作条件，对阀门的选择提出了更为严格的要求。
阀门不仅要承受高温、高压和腐蚀性介质，还要保证密封性、稳定性和长周期运行。
北高科阀门将从专业角度出发，探讨煤化工行业阀门的选型要点和应用策略。
一、煤化工行业对阀门的特殊要求煤化工过程包括煤的气化、液化和焦化等多种转化过程，这些过程常常涉及到极端的温度和压力条件，以及腐蚀性或磨损性物质的处理。
因此，在选择阀门时，必须首先考虑：1.高温环境：煤化工过程中常常伴随着高温，阀门需承受长时间的热冲击。
2.高压工况：煤化工系统中压力变化大，阀门需具备良好的承压能力。
3.腐蚀性介质：煤化工介质中含有硫化物、氯化物等腐蚀性物质。
4.磨损性介质：固体颗粒和磨蚀性流体对阀门的磨损严重。
5.频繁操作：某些工艺流程需要阀门频繁开关。
二、阀门材料的选择1.耐高温材料：选用耐热合金、不锈钢等材料，以承受高温环境。
2.耐腐蚀材料：选用双相不锈钢、哈氏合金等材料，抵抗化学腐蚀。
3.抗磨材料：选用硬质合金、陶瓷等材料，提高阀门的耐磨性。
三、阀门类型的选择1.闸阀：适用于需要完全开启或关闭的场合，如煤浆管线，不适用于调节流量。
其优点是结构简单、维护成本低，但在含固体颗粒的介质中可能不适合频繁操作。
适用于煤化工中需要切断或调节较大流量的工况。
2.球阀：在煤化工行业中广泛应用于要求紧密密封和快速启闭的场合。
其具有较好的耐磨性和抗腐蚀性，适合于含有固体颗粒的介质。
全通径设计，适用于控制介质流动和频繁操作。
3.蝶阀：蝶阀适用于需要调节流量的场合，尤其在较大口径的管道中更为经济。
但其密封性能相对较低，不适用于高压力和腐蚀性介质的工况。
结构紧凑，适用于大口径、低操作力的场合。
4.止回阀：防止介质逆流，保护系统安全。
5.调节阀：精确控制介质流量，满足工艺要求。
四、阀门设计的特殊考虑1.硬密封设计：提高阀门的密封性能，防止有害介质泄漏。
2.波纹管密封：在高温高压下保持阀门的密封性。
煤化工装置用黑水角阀失效分析及改进技术进展
流 体 机 械第48卷第1期2020年1月 53收稿日期： 2019-04-01 修稿日期： 2019-06-05基金项目： 国家重点研发计划资助项目（2018YFC0808500）；安徽省重点研究与开发计划资助项目（1804a09020004）doi：10.3969/j.issn.1005-0329.2020.01.010煤化工装置用黑水角阀失效分析及改进技术进展陈凤官，王 渭，明 友，耿圣陶，余宏兵，叶晓节（合肥通用机械研究院有限公司，合肥 230031）摘 要：黑水角阀是现代煤化工装置中工况较为恶劣的关键阀门之一。
针对黑水角阀使用过程中常见失效形式，分析了阀门失效机理，并从材料、流道结构及工艺流程等3个方面归纳总结了黑水角阀的改进技术现状。
经过分析与总结，讨论了目前研究与改进的不足之处：缺乏对介质中固体颗粒特性影响规律的试验研究、未综合考虑经济成本因素等，并指出了未来的研究与改进方向。
关键词：煤化工；黑水角阀；失效分析；含固多相流；磨蚀中图分类号：TH138 文献标志码：AResearch Progress on Failure Analysis and Improvement of Black Water Angle Valves for CoalChemical PlantsChen Fengguan ，Wang Wei ，Ming You ，Geng Shengtao ，Yu Hongbing ，Ye Xiaojie（Hefei General Machinery Research Institute Co.，Ltd.，Hefei 230031，China ）Abstract：The black water angle valve is one of the key valves with severe operating conditions in the modern coal chemical plants. According to the common failure modes of black water angle valves in the process，the valve failure mechanism was analyzed，and the improvement status of black water angle valves were summarized from three aspects：material，flow channel structure and process flow. Through analysis and summary，the shortcomings of current research and improvement were discussed：lack of experimental research on the influence of solid particle characteristics，and failure to consider the economic cost factor，etc.，and the future research and improvement directions were given.Key words：coal chemical；black water angle valve；failure analysis；multiphase flow with solids；erosion0 引言我国的能源结构决定了在未来相当长的一段时间内，能源仍是以煤炭为主。
煤化工专用黑水阀阀座流通性能研究
煤化工专用黑水阀阀座流通性能研究I. 绪论A. 研究背景和目的B. 相关领域的研究现状C. 研究方法论II. 煤化工专用黑水阀的工作原理和结构A. 工作原理B. 结构组成C. 工作环境和工况III. 黑水阀阀座流通性能的测试和分析A. 测试方法和测试设备B. 实验结果和数据分析C. 流通性能的评估和比较IV. 黑水阀阀座流通性能的影响因素和优化措施A. 影响因素的分析和探讨B. 优化设计和改进措施C. 流通性能的模拟和预测V. 黑水阀阀座流通性能的应用和展望A. 应用案例和实践效果B. 市场需求和竞争分析C. 发展趋势和未来展望VI. 结论A. 论文主要贡献和创新之处B. 研究中存在的问题和不足C. 下一步研究工作的方向和建议I. 绪论A. 研究背景和目的黑水阀是一种用于煤化工、煤制油等领域的专用阀门，它能够承受高温高压和腐蚀性介质，具有重要的工业应用价值。
黑水阀的核心部件是阀座，其流通性能对整个阀门性能和安全运行都具有重要的影响。
目前国内外对黑水阀阀座的研究主要集中在材料选择、密封性能、耐腐蚀性等方面，而对阀座的流通性能研究较为缺乏。
因此，本论文旨在对煤化工专用黑水阀阀座的流通性能进行研究，以提高黑水阀的工作效率和安全性。
B. 相关领域的研究现状目前国内外在阀门领域已经发展出一系列详细的标准和规范，例如GB、JB、API、ANSI等，这些标准和规范为阀门的设计、制造和使用提供了依据。
同时，阀门领域的相关研究也在不断深入和扩展，涉及材料、结构、密封、流体力学等多个方面。
但是对于黑水阀阀座流通性能的研究较少，尤其是在高温高压和腐蚀性介质等特殊环境下的研究还不够深入。
C. 研究方法论本论文采用实验研究和数值模拟相结合的方法，通过实验测试黑水阀阀座在特定条件下的流量、压降等参数，并在此基础上建立数值模型，从而分析阀座的流通性能和影响因素。
研究结果可以为优化黑水阀的设计和选择阀座材料提供参考。
II. 煤化工专用黑水阀的工作原理和结构A. 工作原理黑水阀是一种用于控制介质流量的阀门，其工作原理基于阀芯和阀座之间的密封作用，用来实现介质的开启、关闭、调节和流量控制等功能。
水煤浆气化炉黑水角阀长周期稳定运行的研究及应用
水煤浆气化炉黑水角阀长周期稳定运行的研究及应用摘要：本文介绍了水煤浆气化炉黑水角阀在长周期稳定运行中的应用。
由于黑水系统角阀在气化炉正常运行过程中，长期处于高温（240℃、）高压差（6.0Mpa）黑水（含有颗粒粗渣）冲刷中，运行时间时间久就会导致阀门阀芯、阀座以及缓冲段冲刷受损，造成阀门内漏、卡涩、关不严等现象，严重时影响气化炉、洗涤塔以及闪蒸系统黑水调节。
通过利用一种耐高温陶瓷复合管对气化炉黑水角阀文丘里段进行延伸，同时对阀座流道进行优化，提高了阀门的耐腐蚀耐冲刷能力，延长了角阀使用时间，从而保障气化炉长周期安全稳定运行。
关键词：气化炉、黑水角阀、阀座流道、陶瓷复合管0引言德士古水煤浆加压气化工艺技术发源于美国，由德士古公司研发。
在1948年，美国研究出了首套15吨煤的测试设备，进行二十多种燃料的测试，主要有：无烟煤、褐煤、烟煤以及石油焦等，1956年研发建成第一套气化炉，其压力为 2.8MPa，每日投煤量达到100吨，经过多年的发展，气化技术发展迅速，第二代气化炉压力已达到6.5MPa,日投煤量达到1600吨以上，该技术成熟可靠，应用广泛，经过多年发展，已在煤化工、石油化工等行业广泛应用。
但由于该气化炉运行中黑水角阀运行周期较短，阀门故障率较高，频繁出现如卡涩、内漏关不严等问题。
角阀是气化炉正常运行运行中极为重要的设备，是调节气化炉和洗涤塔以及闪蒸罐黑水流量及压力的关键设备，黑水角阀在正常运行受黑水冲刷，黑水中的细渣颗粒、氯离子、硫化氢以及含磷酸等腐蚀性介质对角阀有较强的冲刷，会加速阀门损坏，角阀阀芯阀座受强腐蚀性介质冲刷，阀门缓冲段冲刷泄露后，就会影响生产正常运行，严重时导致减负荷甚至气化炉被迫停车，因而对于黑水角阀阀的研究及技术改造有较积极的意义。
1研究现状1.1目前我公司有三套气化炉系统，工作温度1400℃，工作压力：6.5Mpa，每套气化炉系统分别有黑水角阀:12"*16"900LB 2台;4"*6"900LB 2台；10"*16"150LB 2台；8"24"150LB 2台，一套气化炉系统共有角阀8台，气化炉正常运行中，黑水角阀处于一开一备状态。
煤化工黑水系统工艺以及阀门应用
我国的能源结构决定了在未来相当长的一段时间内，能源仍是以煤炭为主。
而煤炭资源的清洁高效利用则是需要更加深化推进的发展方向。
煤化工是指以煤为原料，经化学加工使煤转化为气体、液体和固体燃料以及化学品的过程。
主要包括煤的气化、液化、干馏，以及焦油加工和电石乙炔化工等。
其工艺固有的介质高温、高流速、高压差、高腐蚀性、流体高含固量等工艺特点，对阀门的工况适应性以及整体寿命等提出了严峻的挑战。
尤其煤化工行业里气化炉黑水、灰水等严苛工况的介质中含有较高硬度及含量的固态颗粒、腐蚀性组分，对调节阀耐腐蚀、抗冲刷性能及整体寿命要求越来越高，所以这类严苛工况的阀门提高耐腐蚀抗冲刷性能，延长平均无故障周期和整体寿命成为了煤化工工业调节阀急需突破的难题。
黑水处理是煤化工中最重要的环节之一。
该步骤主要是将合成气洗涤废水和液渣水浴后的废水，回收并重新循环使用，保证粗合成气质量合格。
因此，黑水处理系统能否高效、稳定运行，制约着煤气化生产的稳定和长周期运行。
什么是黑水黑水是从气化炉、水洗塔、渣池排除的冲洗水，灰水是黑水经闪蒸、过滤、澄清后形成的水，大部分灰水经脱氧处理后循环使用。
黑水介质中的固体含量大且硬度比较高（一般在1000ppm 以上），当黑水介质中固体悬浮物的浓度很高时，固体悬浮物会诱发黑水中的碳酸钙等结晶，从而堵塞管道及阀门的通道。
煤化工黑水主要指煤气化系统形成的带有煤渣的固、液混合物，混合物中大部分是液体。
黑水介质具有高悬浮物、高温、高碱、高硬度等特点，且含有氨、氯离子、硫化氢、磷酸等强腐蚀介质，同时还有气化反应所产生的高硬度的固体颗粒，固体颗粒的含量最多可达到4%。
固体颗粒沉积后经常堵塞阀门节流口处，在节流口处流体混杂着硬度较高的固体颗粒高速运动，所以对阀芯、阀座等阀门关键零部件的冲蚀严重。
工艺介绍黑水处理是将来自激冷罐、湿洗塔和除渣系统的废水和系统的雨水污水等回收处理再循环利用的水处理系统。
主要包括合成气洗涤系统、锁斗系统，合成气初步净化单元和黑水处理系统4个部分。
煤气化装置中黑水角阀内部流场优化研究
煤气化装置中黑水角阀内部流场优化研究王永洲;陈畅;李作为【摘要】为解决煤气化装置中黑水角阀阀体损坏严重的问题,建立3种具有不同流动曲面的黑水角阀几何模型,采用CFD软件Fluent中k-ε模型,对黑水角阀内部流场进行了仿真计算和分析.结果表明,通过改变阀体入口和出口的曲率半径,在黑水角阀内部流场的不同位置产生涡流,可改变流体的流动方向,从而影响闪蒸和气蚀的发生位置,避免在阀体处发生气蚀,减轻对阀体的损坏.【期刊名称】《煤化工》【年(卷),期】2015(043)002【总页数】4页(P24-26,38)【关键词】煤气化;黑水角阀;内部流场;曲率半径;CFD;模拟;优化【作者】王永洲;陈畅;李作为【作者单位】兖州煤业榆林能化有限公司甲醇厂,陕西榆林719000;北京航天石化技术装备工程公司,北京100076;北京航天石化技术装备工程公司,北京100076【正文语种】中文【中图分类】TQ055黑水角阀是德士古煤气化装置上的关键阀门，用于控制气化炉、洗涤塔和闪蒸罐出口处黑水的流量、压力，其工况具有高压差、强冲刷、强腐蚀、介质中含有固体颗粒的特点。
在煤气化工段中，介质主要为高温的黑水、渣水或灰水，最高温度可达240℃左右，最大压差可达7.5 MPa，使用工况非常苛刻[1-2]。
黑水、渣水及灰水中含有氯离子、氨、钾盐、硫化氢或磷酸等强腐蚀介质，并含有固体颗粒，因此流体在阀门中的流场分布以及流速的分布对黑水角阀阀体及阀芯阀座等节流零部件的使用寿命会产生较大的影响[3-4]。
具有不同结构的国内外黑水角阀，会使流体在阀体内的流向发生90°变化，其流路简单，阻力小，渗漏少，适用于高压差、高黏度、含有悬浮物和颗粒状物质流体的调节，可以避免结焦、堵塞，也便于自清洗。
通过了解黑水角阀某现场使用情况，发现具有不同流动曲面的阀体使用寿命相差较大。
为了研究不同流动曲面曲率对黑水角阀内部流场的影响，优化黑水角阀内部流场，北京航天石化技术装备工程公司调节阀组选用相同阀体口径、相同内件结构和尺寸，相同阀门开度，不同流动曲面的阀体结构的黑水角阀，利用三维造型软件Solidworks2012，对黑水角阀建立了流道模型，用Gambit软件进行网格处理，用CFD数值模拟软件Fluent进行三维流场模拟[5]，对具有3种不同流动曲面的黑水角阀模拟结果进行对比分析，为进一步优化设计，提供理论依据。
黑水调节阀选型与计算的探讨
黑水调节阀选型与计算的探讨刘建兵【摘要】黑水调节阀是水煤浆气化工艺关键阀门之一,其介质具有很强的腐蚀性,且含有硬质固体颗粒,由于阀门前后压差大,将导致闪蒸现象发生,阀后出现高速的汽液固三相流体.若黑水调节阀的选型或计算不当,会导致阀门不能满足工艺过程的要求,将对气化装置的稳定运行造成影响.简要介绍了水煤浆气化工艺黑水调节阀的应用工况、选型、计算及其他特殊要求,以期为同类装置提供一些参考.【期刊名称】《石油化工自动化》【年(卷),期】2014(050)004【总页数】5页(P24-27,30)【关键词】水煤浆气化;黑水调节阀;选型;计算;闪蒸;阻塞流【作者】刘建兵【作者单位】中石化宁波工程有限公司,浙江宁波315103【正文语种】中文【中图分类】TH138水煤浆气化工艺具有技术成熟、流程简单、过程控制安全可靠、原料适应性强、碳转化率高、粗合成气质量好、环保性能好、装置建设投资低、建设周期短等特点。
近年来，煤化工产业蓬勃发展，水煤浆气化工艺在煤制氢、煤制甲醇、煤制烯烃、煤制合成氨等工程中得到了广泛应用。
气化装置通常为上游装置或关键的工艺装置，当气化装置停车时，将导致下游装置或与之配套的生产装置中断生产，造成较大的经济损失。
因此，气化装置的长周期稳定运行至关重要。
根据多家企业的水煤浆气化装置运行情况，除了耐火砖、工艺烧嘴等关键设备外，关键阀门也是影响气化装置长周期稳定运行的重要因素，特别是黑水调节阀[1-2]。
笔者将基于某项目中的水煤浆气化工艺对黑水调节阀的选型与计算作一探讨。
1 工艺流程简介水煤浆气化工艺中的气化炉和洗涤塔在生产过程中将产生黑水，需要通过黑水闪蒸系统对黑水进行处理，解析黑水中的酸性组分、回收热量并提浓黑水，工艺流程如图1所示[3]。
来自气化炉和洗涤塔的黑水分别经调节阀LV-01和FV-01减压后进入高压闪蒸罐，闪蒸出的水汽以及大部分溶解的酸性气组分经冷却、分离后送至下游单元进一步处理。
煤化工装置黑水角阀磨损原因分析及处理措施
煤化工装置黑水角阀磨损原因分析及处理措施摘要：简要介绍GE水煤浆加压气化装置黑水闪蒸角阀频繁磨蚀冲透现象，分析角阀磨损原因，提出故障处理及预防措施。
关键词：气化黑水角阀筒体中石化齐鲁分公司水煤浆气化装置采用美国GE公司水煤浆气化技术，三台压力6.5MPa的气化炉，三套4级闪蒸系统，两开一备，日投煤量1700t，每小时产有效气（CO＋H2）100000m3，用于生产10万吨甲醇、33万吨丁辛醇以及每小时35000m氢气外供。
煤气化装置正常运行过程中，洗涤塔产生的黑水经高压闪蒸角阀后进入高压闪蒸罐，高压闪蒸角阀后设置筒体，用以减缓高压黑水对闪蒸罐的冲击，高压闪蒸压力设定0.8MPa，由于闪蒸角阀前后压差较大，且黑水中含有大量的固体颗粒，出闪蒸角阀约240℃的高温黑水瞬间发生汽化，闪蒸角阀筒体内介质流速瞬间增大，流速增大加剧了角阀筒体的磨损，严重时角阀筒体被黑水磨穿，角阀筒体磨穿后大量黑水外溢，外溢黑水不但影响系统的正常运行，还严重影响现场工作环境。
因此，本文主要对水煤浆气化装置黑水角阀磨损原因进行分析研究，通过采取措施，有效延长了黑水角阀使用寿命。
一、黑水闪蒸角阀工艺简述及运行参数1.工艺简述黑水闪蒸角阀是将气化炉及洗涤塔产生的黑水（固含量0.5％左右）经过减压后送入高压闪蒸罐，高压黑水中溶解有大量的酸性气体，当黑水经过高压闪蒸角阀后进入高压闪蒸罐，高压闪蒸罐压力设定0.8MPa，由于其阀后压力突然降低，各组分在气相中的分压迅速降低，在一定温度下，黑水大量汽化，溶解在水中的酸性气体逸出水面。
气液两相在分离器中分开，气相为顶部产物，其中易挥发组分较为富集；液相为底部产物，其中的难挥发组分获得增浓。
为了避免高压黑水对高压闪蒸罐的冲击，在黑水闪蒸角阀后设置角阀筒体，用以减缓高压黑水及闪蒸气对高压闪蒸罐的冲击。
2.黑水闪蒸角阀筒体运行参数二、黑水角阀及筒体磨损情况及采取措施1.黑水角阀阀座及阀芯磨损情况及采取措施自原始开车以来，由于气化炉及洗涤塔黑水中含有大量固体颗粒，系统运行过程中，含固黑水在高速流动过程中对黑水角阀阀座及阀芯形成冲刷磨损，高压闪蒸角阀筒体侧上部多次因冲刷发生泄漏，特别是2009年6、7月，严重时一月发生泄漏10次以上，严重制约着装置的稳定运行，气化炉系统检修时发现黑水闪蒸角阀阀座局部冲刷严重，阀芯表面硬质材料磨损严重。
煤气化黑水角阀损坏原因与优化方案
煤气化黑水角阀损坏原因与优化方案邹殿超【摘要】针对高寒条件下,某煤制化肥项目选用的高压黑水角阀在实际的生产使用中出现的冲刷、闪蒸、气蚀和阀门卡涩、运行稳定性差等现象,从高压黑水角阀的结构设计,阀芯、阀座、阀体及扩散段的材料选择等多方面提出阀门使用中的防护、阀门的线下优化等方案.实际应用表明:优化后,提高了高压黑水角阀的运行周期,保证了气化炉安全运行的稳定性.【期刊名称】《石油化工自动化》【年(卷),期】2018(054)006【总页数】4页(P82-85)【关键词】GE气化炉;煤气化;黑水角阀;阀门优化【作者】邹殿超【作者单位】中海石油华鹤煤化有限公司,黑龙江鹤岗154100【正文语种】中文【中图分类】TH138中海石油华鹤煤化有限公司煤制化肥项目是坐落于东北黑龙江鹤岗极寒地区条件下的第1套煤气化装置，该煤气化装置设有3台气化炉，为“2开1备”，采用GE 水煤浆气化技术[1-2]，以水煤浆为原料，用空分装置供给的氧气作催化剂，在温度1 400 ℃，压力6.5 MPa左右的条件下，在气化炉内进行气化反应，生成以氢气和一氧化碳为主要成分的粗合成气，经冷却洗涤后的粗煤气送至合成氨装置。
气化炉和洗涤塔底部黑水通过角阀控制进入高压闪蒸罐。
1 黑水角阀工况概述黑水角阀是GE水煤浆煤气化装置中的关键阀门，主要安装在气化炉激冷室底部到高压闪蒸罐和洗涤塔底部到高压闪蒸罐的管道上，靠近高压闪蒸罐。
在该工况中，介质主要为高温黑水、灰水和渣水，黑水温度可达到240 ℃左右，最大压差可达到6.0 MPa，工况具有高压差、强冲刷、强腐蚀、介质为固液气三相流等特点。
阀门使用环境极为恶劣，黑水、灰水及渣水中含有氯离子、硫化氢或磷酸等强腐蚀介质，并含有大量固体颗粒。
控制阀在使用中不但要承受阀门压力降引起的高流速煤灰颗粒的冲刷，还要耐受闪蒸溶解的气蚀、黑水汽化引起的腐蚀。
尤其是在高压闪蒸过程中，黑水经过角阀后从高压直接降到低压，由于闪蒸出大量工艺气，黑水流过角阀节流元件阀芯的速度非常高，导致阀内件冲刷磨损严重。
黑水调节阀的应用及原理
黑水调节阀的应用及原理前言随着社会的不断进步，人们对能源的需求也日益提升，因此也促进了煤化工行业的大力发展。
其中，黑水阀作为原料加压输送、气化炉进料反应等工艺过程中的关键控制设备，起着调节介质压力和流量大小的作用，但由于其特殊的介质控制（煤渣水）使得阀门故障的发生成为常态化。
经过长时间对阀门运行工况的研究，研发人员找到了能延长黑水阀使用寿命的方法，即：提高阀内件材料硬度（如，阀芯/阀座采用烧结WC材料等）。
这一举措，大大改变了黑水阀在煤化工行业中易损的现状，也为企业节省了费用。
但对于黑水阀的介质流通性能，目前主要通过流量实验方法进行测定，由于其结构设计有别于普通的单座角型阀，因此也不能将其他型号的阀门参数完全套用。
众所周知，流量系数是进行阀门选型与设计的重要指标，主要反映阀门的流通能力。
但由于黑水阀规格较多，流量试验需耗费大量人力，并且长时间占用实验设备，故而，阀门设计人员多采用理论计算或预估的方法确定，这也在一定程度上影响了该项指标的准确性。
依据常规经验，阀门的流通能力与其流阻成反比，而单座阀的阻力损失主要来自于阀座，其大小约占总阻力损失的85%以上。
因此，进行黑水阀流通性能的确定关键在于研究其阀座的流通性能。
近年来，随着计算机辅助应用、程序软件的迅速发展，研发人员开始采用CFD仿真模拟的方法进行阀门理论研究。
经验证明，该方法能较为准确的模拟阀门内部介质流动情况，并得到可视化结果，给新产品研发带来极大便利。
因此，通过CFD模拟方法进行黑水阀阀座流通性研究，是一条的重要可行性途径。
1 阀门结构及设计原理如图1所示，是由本公司自主研发的黑水阀结构示意图，该阀主要由：1.连接法兰；2.阀座；3.阀芯部件；4.阀体；5.上阀盖；6.填料部件等零部件组成。
高压黑水介质从左端流入，连接法兰底部流出。
执行机构控制阀芯上下动作，从而改变阀芯和阀座间隙，调节介质流量大小。
其中，阀芯头可根据现场工艺需要设计成具有对数或线性流量特性的曲面，从而实现流量的精确调节。
黑水角阀在煤气化工艺中的选型与应用
黑水角阀在煤气化工艺中的选型与应用
白挥侠
【期刊名称】《仪器仪表用户》
【年(卷),期】2023(30)1
【摘要】高压黑水角阀是水煤浆加压气化工艺技术中的重要阀门,由于高压、高温、高腐蚀、高频率动作以及固、液、气三相流介质的高压差冲刷等恶劣工况,在国内
早期煤气化项目建设中,黑水角阀一直被国外垄断,价格、采购周期等一直制约着企
业生产。
近些年来,国内阀门企业在吸收国外阀门技术基础上,开发出了较为成功的
国产高压黑水角阀。
同时,为有效监控阀门磨蚀情况,建立了流动腐蚀预测防控监管
平台,实时监控阀门状况,提高了阀门预防性维修能力。
结合各类德士古水煤浆气化
装置中的高压黑水角阀实际应用经验,总结了在选型和使用中的注意事项。
【总页数】5页(P50-54)
【作者】白挥侠
【作者单位】浙江石油化工有限公司公用工程仪控部
【正文语种】中文
【中图分类】TH861
【相关文献】
1.煤气化高压黑水角阀冲蚀磨损过程数值计算
2.煤气化装置中黑水角阀内部流场优化研究
3.粉煤气化装置中黑水流量计的选型及应用
4.浅析盘阀在Shell煤气化工艺中的应用
5.煤气化黑水角阀损坏原因与优化方案
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《自动化与仪器仪表》2014 年 6 期（总第 176 期）
Z1 +
P1 ρg
+
u2 1
2g
= Z2 +
P2 ρg
+
u2 2
2g
+ hL
式中： Z1 、 Z2 为进口、出口位置水头；
P1 ρg
、
P2 ρg
为进口、出口压强水头（静压）；
1645 18° 101624
1624
6° 101624 100000 1624 21° 101625 100000 1625
9° 101625
1625 24° 101636
1636
12° 101626
1626 27° 101626
1626
分析表 1 和表 2 中数值模拟数据，得到以下 结论：
（1）不同阀座渐扩角时，阀门进口动压、出口 总压/静压/动压值基本保持不变。
压最大，为 222623Pa；逐渐增大至 9°时，静压降至
最小，为 197120Pa；当继续增加渐扩角时，静压又
逐渐增大。这表明，随着阀座渐扩角的增大，文丘
里效应逐渐凸显，流阻降低；当角度增加到一定值
时，开始出现突扩管效应，流阻又逐渐增加。
2.4 不同阀座渐扩角时阀门 Cv 值曲线拟合
依 据 表 1、 表 2 中 的 数 据 ， 并 按 《GB/
（1）假定阀门内介质不受重力作用，即忽略位 置势能损耗。
（2）忽略部分沿程能量损失，如振动等。 （3）阀体内介质选用水，忽略固体杂质对流场 的影响。 采用 Solidworks 三维建模软件，进行调节阀内部 流道三维建模，并按国家标准《GB/T 17213.9-2005 关于阀门流通能力测试》中相关规定确定测压 间距。 为了保证计算精度，采用以结构性和非结构性 网格相结合的划分方法生成网格。流道两端的直管 段网格采用 Hex(六面体)网格进行划分，中间阀体通 道因为结构不规整，因此采用 Tet/Hybrid（四面体/ 混 合） 网 格 进 行 划 分，并 且 为 了 计 算 结 果 更 加 精 确，对节流间隙位置的网格进行了加密处理。由于 计算模型具有对称性，故取二分之一模型进行计 算，以减少网格数目、节省计算时间。以连续性方 程、三维雷诺平均 N–S 方程和基于各向同性涡粘性 理论的 k–ε双方程组成黑水阀内部流动数值模拟的 控制方程组；采用有限体积法对控制方程组进行离 散；流体压力-速度耦合基于 SIMPLE 算法；入口采
0 引言 随着社会的不断进步，人们对能源的需求也日
益提升，因此也促进了煤化工行业的大力发展。其 中，黑水阀作为原料加压输送、气化炉进料反应等 工艺过程中的关键控制设备，起着调节介质压力和 流量大小的作用，但由于其特殊的介质控制（煤渣 水）使得阀门故障的发生成为常态化。经过长时间 对阀门运行工况的研究，研发人员找到了能延长黑 水阀使用寿命的方法，即：提高阀内件材料硬度 （如，阀芯/阀座采用烧结 WC 材料等）。这一举措， 大大改变了黑水阀在煤化工行业中易损的现状，也 为企业节省了费用。但对于黑水阀的介质流通性 能，目前主要通过流量实验方法进行测定，由于其 结构设计有别于普通的单座角型阀，因此也不能将 其他型号的阀门参数完全套用。
本次模拟采用进口为 DN50，出口为 DN80 的黑 水 阀 模 型 ， 设 置 进 口 流 速 5m/s， 出 口 压 力 为 0.1Mpa，介质为常温水。 2.2 数值模拟结果与分析
通过数值模拟计算，计算结果如下： （1）压力场
图 1.黑水阀结构示意图
2 阀门内部流场的数值模拟 2.1 阀门内部流场的数值模拟
1 阀门结构及设计原理 如图 1 所示，是由本公司自主研发的黑水阀结
构示意图，该阀主要由：1.连接法兰；2.阀座；3.阀 芯部件；4.阀体；5.上阀盖；6.填料部件等零部件组 成。高压黑水介质从左端流入，连接法兰底部流 出。执行机构控制阀芯上下动作，从而改变阀芯和 阀座间隙，调节介质流量大小。其中，阀芯头可根 据现场工艺需要设计成具有对数或线性流量特性的 曲面，从而实现流量的精确调节。为提高阀门流通 能力，采用文丘里加速原理将阀座流道加工成一定
15° 199647 187155 12493
3° 208947 196457 12490
18° 201858 189362 12496
6° 201788 189298 12490 21° 203969 191478 12491
9° 197120 184629 12491
24° 206990 194500 12490
T4213-2008 气动调节阀》中关于阀门流量系数的计
算公式，计算出不同阀座渐扩角时阀门 Cv 值，结果
如表 3 所示。
表 3 不同阀座渐扩角时阀门 Cv 值表
阀座渐扩角 CV 值
阀座渐扩角 CV 值
0° 36.3 15° 40.8
3° 38.7 18° 40.3
44
图 2 渐扩角为 9°时 Z=0 截3 渐扩角为 9°时 Z=0 截面速度分布云图（m/s）
由图 2 可以看出，介质在阀座与阀芯形成的环 形间隙位置产生阀内最低压力，且该处流速达到最 大（如图 3 所示）。因此，含有煤渣的高速介质流经 时将在该位置发生最初的冲蚀。并且一旦该处的介 质压力低于介质的饱和蒸汽压，则会发生闪蒸现 象，将对零件造成更为严重的破坏。另外，从图中 也可以看出，介质的压力和流速变化梯度在节流间 隙较为突出，而随着介质向下流动，变化梯度逐渐 趋于缓和。
关键词：黑水阀；阀座；渐扩角；流阻；Cv 值 DOI 编码：doi: 10.3969/j.issn.1001-9227.2014.06.0043 Abstract: A special blackwater valve's structure is Introduced, and puts forward the importance of this type valve flow performance study. The 3D model is established, useing finite element analysis of CFD software, to simulate the blackwater valve's interior flow field distribution of visualization result analysis, determine the seat/valve core vulnerable position. And Simulate to different seat when the divergent Angle model for simulation, get the inlet and outlet pressure value, and Cv value is calculated based on the data, Cv curve is fited, determine the best seat divergent Angle range, provide important theoretic reference for valve design. Key words：Blackwater Valve; Seat;Divergent Angle;The discharge coefficient;Cv value 中图分类号：TH138.52 文献标识码：A 文章编号：1001-9227 （2014） 06-0043-04
众所周知，流量系数是进行阀门选型与设计的 重要指标，主要反映阀门的流通能力。但由于黑水 阀规格较多，流量试验需耗费大量人力，并且长时 间占用实验设备，故而，阀门设计人员多采用理论 计算或预估的方法确定，这也在一定程度上影响了
收稿日期：2014-04-10 作者简介：郝娇山 （1986-） 男，甘肃武威人，助工， 主要研究方向为阀门设计与研发。
《自动化与仪器仪表》2014 年 6 期（总第 176 期）
煤化工专用黑水阀阀座流通性能研究
郝娇山，尚洪宝，蒋永兵，胡 建，李 黎
（重庆川仪调节阀有限公司 重庆，400707）
摘 要：介绍了一种煤化工专用黑水阀的结构构成，并提出进行该型号阀门流通性能研究的重要 性。建立流道三维模型，应用 CFD 有限元分析软件，模拟黑水阀内部流场分布情况，分析可视化结 果，确定阀座/阀芯易损位置。分别对不同阀座渐扩角时模型进行仿真模拟，得到阀门进、出口压力 值，并依此计算 Cv 值大小，拟合流量系数曲线，提出阀门在实现最大介质流通时阀座渐扩角范围，为 阀门设计提供重要的理论参考。
43
煤化工专用黑水阀阀座流通性能研究 郝娇山，等
角度的锥面，并由连接法兰通过螺栓固定在阀体内 台阶上，拆卸方便。另外，连接法兰的出口端直径 可根据现场工艺管道布置确定，实现管道变径，其 内部流道也设计成锥面，进一步提高介质的流通性。
用 Velocity 边界，出口采用 Pressure 边界；在湍流指 定方法中，选择以设定湍流强度和水力直径；对流 项差分格式采用二阶迎风，迭代收敛精度为质量源 绝对值之和小于 1.0×10-4。
分别建立阀座渐扩角为 0°、3°、6°......27°时三 维模型，经网格划分，数值模拟，得到计算结果。
如图 5 所示，是阀座渐扩角为 27°时 Z=0 截面局 部速度矢量图，从图上可以看出，介质在阀座主流 路两侧形成了强烈回旋流，干扰流体的正常运动， “占用”主流路空间，并在边界位置产生撞击、分 离脱流等现象，带来了附加阻力，从而增加了能量 损失。
（3）速度矢量分析
图 4 渐扩角为 9°时 Z=0 截面局部速度矢量图（m/s）
由图 4 可以看出，介质流经节流间隙后在阀座 渐扩流道内迅速扩张，形成扩管效应（介质流向改 变 ， 流 速 逐 渐 降 低 ）。 另 外 ， 由 于 流 道 形 状 的 作 用，使得整个介质主流路呈现“Y”型流动，并且 流动方向一致，未出现回流现象。 2.3 不同阀座渐扩角时阀门压力变化情况