1 引言
中国863国家重点科技项目——多喷嘴对置水煤浆气化炉装置（以下简称气化炉），由华东理工大学和天辰化工公司联合设计开发，在兖州矿国泰化工有限公司实现工业生产，标志着中国煤气化技术进入国际先进行列。新型气化炉不仅节约煤炭和氧气，而且转化率高，不污染环境，生产控制方便，在中国得到了迅速推广。
气化炉燃烧压力4.0~6.3MPa，温度1100~1300℃，它是一个高温高压燃烧罐，是一个高度危险的装置，一旦发生事故，后果难以想象，安全可靠性第一；其次，为了保持正常燃烧状态，喷射的水煤浆流量必须与混合氧流量相匹配，否则煤粉燃烧不完全或产生无用气体，氧气过量时可能爆炸，自动控制系统控制精度高，稳定性好；第三，气化炉是一种连续工作的装置，必须有相当长的使用周期。由于气化炉装置的上述特点，其辅助设备及相关控制仪器也提出了许多技术要求。控制阀直接控制生产介质，必须有适合气化条件的特殊结构。介绍了以下几个典型的控制阀。
2 氧气切断阀和氧气流量控制阀
气化炉高压高速燃烧，大量氧气进入，为保证正常燃烧状态，确保气化炉安全，必须严格调整氧气流量控制，快速无泄漏切断氧气，由于调节切断两个功能要求很高，通常使用三个控制阀，即氧气流量控制阀、氧气切断阀、氧气排气阀，统称为氧气阀。与一般工业工艺控制阀相比，气化炉氧气阀有几个特殊要求：
a）高压差。氧气切断阀关闭压差最高，达5.0~7.0MPa，在如此高的压差条件下，要求其泄漏等级达到Ö一般控制阀很难达到，只能使用O球阀。由于高压差，球体承受大的侧向推力，因此采用固定的球结构，由上下轴承承承承受推力，大大降低了球体表面与阀座之间的摩擦扭矩。氧气流量控制阀主要是为了准确调整流量，要求其具有良好的流量特性；其次是关闭时的切割性能，泄漏等级为Ö因此，一般选用套筒控制阀。
b）材料。高压氧气在阀门内高速流动，可能与零件摩擦，产生热量，如碳化物爆炸；因此，与氧气流束接触的零件不能由碳钢制成；镍基合金（Inconel或超低碳奥氏体不锈钢(如316)L，304L），结合现场工况的差异，选择阀体材料MONEL选用材料、阀芯、阀座材料MONEL400/ALLY6号材料，为避免阀杆长时间处于开度不变而垢死，选用阀杆K500材质。
c）工艺要求。所有接触氧气的零件必须清除水和油，以确保清洁和清洁。由于高压氧气在阀内的流速为20~30m/s，如果遇到毛刺、凹槽、凸肩等高速摩擦，流道内壁和阀门部件的几何形状应光滑过渡，表面光滑。因此，在设计、加工、装配、试验、运输等环节制定了严格的工艺程序，以确保满足预定的技术要求。因此，氧气阀的特殊要求在于材料和工艺。
由于高压氧气的易爆特性，氧气阀本身是一个易爆的危险装置；为确保安全，在选用氧气阀的公称压力时要提高2个压力等级，如气化炉的压力为6.3MPa，然后选择阀门的公称压力PN160（ANSIClass900）。
3 煤浆切断阀和煤浆灰水控制阀
水煤浆是液相和固体粉末的混合介质，在阀芯和阀座之间形成的环节流口形成较高的流速。它面临三个问题：煤浆在阀门节流口达到相当高的流速，由于煤浆具有一定的硬度，其腐蚀破坏力很大；煤浆也会沉积，堵塞阀腔，因此阀门流道畅通，无死角；煤浆非常薄，可以渗入阀芯导向间隙，可能导致阀芯卡住。煤浆具有一定的附着力，在阀芯阀座的密封面上形成规模，影响阀门的泄漏水平，因此控制阀需要自动清除规模。因此，灰水阀也有三个特殊要求：耐腐蚀、堵塞、自清洗。灰水几乎没有腐蚀性，所以碳钢材料可用于阀体和阀盖，一般奥氏体不锈钢可用于阀芯、阀座等基体材料，表面可热敷一层耐腐蚀硬合金；灰水形成的规模小于结焦层，因此无需配备大扭矩执行机构。
根据上述情况，灰水控制阀一般选用耐腐蚀偏心旋转控制阀[7]，阀体内腔与圆柱形相似，光滑无死角，煤灰不能堆积。阀芯旋转，灰渣难以渗入两侧导套间隙，即使形成结垢，由于附着力不强，阀芯旋转容易挤压；此外，当阀芯关闭时，由于结构原因，阀芯和阀座有相对运动，可磨损密封面上的结垢，具有自清洗功能。选择该控制阀的另一个重要原因是体积小、重量轻、安装方便；直径相同的阀只有角控制阀的三分之一左右，阀体、阀盖等部件可使用碳钢，价格便宜得多。由于煤浆在气化炉中的燃烧速率与其他系统的反应速率有关，但也与氧气供应和冷却有关，为了保持稳定的燃烧状态，不断调整煤浆的流量，因此需要相当高的调节精度，通常选择等百分比的流量特性。
4 锁渣阀
锁渣阀工艺介质为渣水，含渣20%，具有腐蚀性和挥发性；冲洗水阀介质为灰水；每小时开关4次。选用球阀，阀体采用碳钢加流道堆焊Stellite(斯特立)合金；阀杆采用防喷杆结构设计Cr13锻件，镀Ni，P；阀球采用固定球，密封面和流道口堆焊Stellite阀球唇堆焊斯特立合金厚度不低于12mm，球喷或堆焊硬质合金；阀座为316堆焊Stellite堆焊层加工后合金不小于1mm，阀座后弹簧材料为Inconel750.阀座后必须有防砂结构，防止灰渣进入弹簧后弹簧故障。阀腔具有自动卸压功能。当阀门关闭时，阀腔内的压力高于关闭压力时，压力可自动卸至低压侧。填料为柔性石墨（润滑）。硬度要求为阀座HRC5254，阀球HRC5862。执行机构有足够的选择，开关次数为100万次无故障；额定气源压力为0.45MPa力矩值为30~50kN•m之间；当切断球阀因某种原因卡住时，气源压力升高，气缸能承受不小于0.12MPa气源压力；阀杆不会断裂或变形。锁渣阀采用双向硬密封球阀、阀球和阀座硬化处理、三级固定球结构和浮动阀座，确保气化定期排渣和安全联锁运行。
5 合成气蝶阀
气化炉出口合成气流量大，动作快，泄漏等级高。因此，蝶阀用于控制流量。蝶阀具有气动执行器力距大、表面阳极氧化、齿轮齿条结构等特点，正常使用寿命可达100万次；阀体、阀板、阀轴同心结构设计，双向气体100%Ⅵ分级密封；无支架结构紧凑，重量轻，体积小。采用无销连接，维护方便；无靠背设计确保阀门安装后不增加扭矩距离。蝶板为进口高性能喷涂板，比普通板更耐磨，寿命更长，流量特性优良。
根据使用经验选择三偏心蝶阀。三偏心蝶阀的结构特点是在双偏心阀杆轴位置偏心时，蝶板密封面的锥形轴向本体圆柱形轴倾斜。第三偏心后，蝶板的密封截面不再是圆形的，而是椭圆形的，因此其密封面形状不对称。一方面，它倾斜于本体的中心线，另一方面，它与本体的中心线平行。第三偏心最大的特点是从根本上改变了密封结构，不再是位置密封，而是扭矩密封，即不依赖阀座的弹性变形，而是完全利用阀座的接触面压力来达到密封效果。因此，金属阀座零泄漏的问题一举解决，由于接触面压与介质压力成正比，耐高压高温也很容易解决。
6 黑水调节阀
气化炉燃烧产生的原料气和煤灰分别从下部排出。喷水冷却后，大部分煤灰沉入锁斗后排出；但冷却水仍含有相当多的煤灰，因此从气化炉排出的冷却水通常被称为黑水，通过控制阀进入下一个过程，通常加热到250℃此时，煤粉中的许多化学成分开始分解并与水发生化学反应，形成各种腐蚀性物质。因此，控制阀的阀体、阀盖和与热煤浆接触的所有部件必须使用耐腐蚀材料，特别是阀体和阀盖。一般奥氏体不锈钢不能使用，而是铁素体奥氏体双相结晶不锈钢，不仅具有很强的耐腐蚀性，而且其机械强度是奥氏体不锈钢的两倍多。
根据该技术特点，在许多结构类型中，角控制阀满足要求，单座结构角控制阀芯顶部导向结构，阀芯手柄与导套之间有一定间隙，虽然在主流束上方，但黑水不可避免地渗入导向间隙，一旦停止，在间隙中形成结焦膜层，附着力强；再次启动时，阀芯经常卡住。为了防止卡住，在阀芯的导向段设计了一个去除结构，去除的结焦粉末可以通过逃生槽排出，也就是说，该控制阀也具有自清洗能力。由于去除结焦需要很大的推力，经常配备大口径气动活塞执行机构，其推力远大于普通气动膜执行机构；必要时串联使用多个活塞执行机构，推力大于150kN。
因此，选择单座结构的角控制阀。由于煤粉硬度高，流速高，腐蚀破坏力强，因此黑水流控制阀座、阀芯和可能被冲刷的零件，采用腐蚀材料加工，或在零件表面热压一层腐蚀材料，材料紧密，表面硬度高于煤粉，必须选择碳化钨（WC）硬质合金为主。
根据气化炉上述控制阀的特点，作者选择了国内外控制阀中的优质产品。目前已成功应用于新型水煤浆气化炉的生产，运行稳定，联锁安全可靠，维护满足了工艺操作过程的控制和使用。设计建设中有27台多喷嘴对置水煤浆气化炉，许多公司（包括国外）有意使用该技术，标志着中国与国外气化技术完全竞争，多喷嘴对置水煤浆气化技术具有独特的优势，市场竞争力强，经济前景广阔。报告的多喷嘴对置水煤浆气化装置仪表控制技术开发与工程应用项目获得2007年石油化工自动化工业科技奖一等奖，与控制阀的选择和应用密不可分。
中国863国家重点科技项目——多喷嘴对置水煤浆气化炉装置（以下简称气化炉），由华东理工大学和天辰化工公司联合设计开发，在兖州矿国泰化工有限公司实现工业生产，标志着中国煤气化技术进入国际先进行列。新型气化炉不仅节约煤炭和氧气，而且转化率高，不污染环境，生产控制方便，在中国得到了迅速推广。
气化炉燃烧压力4.0~6.3MPa，温度1100~1300℃，它是一个高温高压燃烧罐，是一个高度危险的装置，一旦发生事故，后果难以想象，安全可靠性第一；其次，为了保持正常燃烧状态，喷射的水煤浆流量必须与混合氧流量相匹配，否则煤粉燃烧不完全或产生无用气体，氧气过量时可能爆炸，自动控制系统控制精度高，稳定性好；第三，气化炉是一种连续工作的装置，必须有相当长的使用周期。由于气化炉装置的上述特点，其辅助设备及相关控制仪器也提出了许多技术要求。控制阀直接控制生产介质，必须有适合气化条件的特殊结构。介绍了以下几个典型的控制阀。
2 氧气切断阀和氧气流量控制阀
气化炉高压高速燃烧，大量氧气进入，为保证正常燃烧状态，确保气化炉安全，必须严格调整氧气流量控制，快速无泄漏切断氧气，由于调节切断两个功能要求很高，通常使用三个控制阀，即氧气流量控制阀、氧气切断阀、氧气排气阀，统称为氧气阀。与一般工业工艺控制阀相比，气化炉氧气阀有几个特殊要求：
a）高压差。氧气切断阀关闭压差最高，达5.0~7.0MPa，在如此高的压差条件下，要求其泄漏等级达到Ö一般控制阀很难达到，只能使用O球阀。由于高压差，球体承受大的侧向推力，因此采用固定的球结构，由上下轴承承承承受推力，大大降低了球体表面与阀座之间的摩擦扭矩。氧气流量控制阀主要是为了准确调整流量，要求其具有良好的流量特性；其次是关闭时的切割性能，泄漏等级为Ö因此，一般选用套筒控制阀。
b）材料。高压氧气在阀门内高速流动，可能与零件摩擦，产生热量，如碳化物爆炸；因此，与氧气流束接触的零件不能由碳钢制成；镍基合金（Inconel或超低碳奥氏体不锈钢(如316)L，304L），结合现场工况的差异，选择阀体材料MONEL选用材料、阀芯、阀座材料MONEL400/ALLY6号材料，为避免阀杆长时间处于开度不变而垢死，选用阀杆K500材质。
c）工艺要求。所有接触氧气的零件必须清除水和油，以确保清洁和清洁。由于高压氧气在阀内的流速为20~30m/s，如果遇到毛刺、凹槽、凸肩等高速摩擦，流道内壁和阀门部件的几何形状应光滑过渡，表面光滑。因此，在设计、加工、装配、试验、运输等环节制定了严格的工艺程序，以确保满足预定的技术要求。因此，氧气阀的特殊要求在于材料和工艺。
由于高压氧气的易爆特性，氧气阀本身是一个易爆的危险装置；为确保安全，在选用氧气阀的公称压力时要提高2个压力等级，如气化炉的压力为6.3MPa，然后选择阀门的公称压力PN160（ANSIClass900）。
3 煤浆切断阀和煤浆灰水控制阀
水煤浆是液相和固体粉末的混合介质，在阀芯和阀座之间形成的环节流口形成较高的流速。它面临三个问题：煤浆在阀门节流口达到相当高的流速，由于煤浆具有一定的硬度，其腐蚀破坏力很大；煤浆也会沉积，堵塞阀腔，因此阀门流道畅通，无死角；煤浆非常薄，可以渗入阀芯导向间隙，可能导致阀芯卡住。煤浆具有一定的附着力，在阀芯阀座的密封面上形成规模，影响阀门的泄漏水平，因此控制阀需要自动清除规模。因此，灰水阀也有三个特殊要求：耐腐蚀、堵塞、自清洗。灰水几乎没有腐蚀性，所以碳钢材料可用于阀体和阀盖，一般奥氏体不锈钢可用于阀芯、阀座等基体材料，表面可热敷一层耐腐蚀硬合金；灰水形成的规模小于结焦层，因此无需配备大扭矩执行机构。
根据上述情况，灰水控制阀一般选用耐腐蚀偏心旋转控制阀[7]，阀体内腔与圆柱形相似，光滑无死角，煤灰不能堆积。阀芯旋转，灰渣难以渗入两侧导套间隙，即使形成结垢，由于附着力不强，阀芯旋转容易挤压；此外，当阀芯关闭时，由于结构原因，阀芯和阀座有相对运动，可磨损密封面上的结垢，具有自清洗功能。选择该控制阀的另一个重要原因是体积小、重量轻、安装方便；直径相同的阀只有角控制阀的三分之一左右，阀体、阀盖等部件可使用碳钢，价格便宜得多。由于煤浆在气化炉中的燃烧速率与其他系统的反应速率有关，但也与氧气供应和冷却有关，为了保持稳定的燃烧状态，不断调整煤浆的流量，因此需要相当高的调节精度，通常选择等百分比的流量特性。
4 锁渣阀
锁渣阀工艺介质为渣水，含渣20%，具有腐蚀性和挥发性；冲洗水阀介质为灰水；每小时开关4次。选用球阀，阀体采用碳钢加流道堆焊Stellite(斯特立)合金；阀杆采用防喷杆结构设计Cr13锻件，镀Ni，P；阀球采用固定球，密封面和流道口堆焊Stellite阀球唇堆焊斯特立合金厚度不低于12mm，球喷或堆焊硬质合金；阀座为316堆焊Stellite堆焊层加工后合金不小于1mm，阀座后弹簧材料为Inconel750.阀座后必须有防砂结构，防止灰渣进入弹簧后弹簧故障。阀腔具有自动卸压功能。当阀门关闭时，阀腔内的压力高于关闭压力时，压力可自动卸至低压侧。填料为柔性石墨（润滑）。硬度要求为阀座HRC5254，阀球HRC5862。执行机构有足够的选择，开关次数为100万次无故障；额定气源压力为0.45MPa力矩值为30~50kN•m之间；当切断球阀因某种原因卡住时，气源压力升高，气缸能承受不小于0.12MPa气源压力；阀杆不会断裂或变形。锁渣阀采用双向硬密封球阀、阀球和阀座硬化处理、三级固定球结构和浮动阀座，确保气化定期排渣和安全联锁运行。
5 合成气蝶阀
气化炉出口合成气流量大，动作快，泄漏等级高。因此，蝶阀用于控制流量。蝶阀具有气动执行器力距大、表面阳极氧化、齿轮齿条结构等特点，正常使用寿命可达100万次；阀体、阀板、阀轴同心结构设计，双向气体100%Ⅵ分级密封；无支架结构紧凑，重量轻，体积小。采用无销连接，维护方便；无靠背设计确保阀门安装后不增加扭矩距离。蝶板为进口高性能喷涂板，比普通板更耐磨，寿命更长，流量特性优良。
根据使用经验选择三偏心蝶阀。三偏心蝶阀的结构特点是在双偏心阀杆轴位置偏心时，蝶板密封面的锥形轴向本体圆柱形轴倾斜。第三偏心后，蝶板的密封截面不再是圆形的，而是椭圆形的，因此其密封面形状不对称。一方面，它倾斜于本体的中心线，另一方面，它与本体的中心线平行。第三偏心最大的特点是从根本上改变了密封结构，不再是位置密封，而是扭矩密封，即不依赖阀座的弹性变形，而是完全利用阀座的接触面压力来达到密封效果。因此，金属阀座零泄漏的问题一举解决，由于接触面压与介质压力成正比，耐高压高温也很容易解决。
6 黑水调节阀
气化炉燃烧产生的原料气和煤灰分别从下部排出。喷水冷却后，大部分煤灰沉入锁斗后排出；但冷却水仍含有相当多的煤灰，因此从气化炉排出的冷却水通常被称为黑水，通过控制阀进入下一个过程，通常加热到250℃此时，煤粉中的许多化学成分开始分解并与水发生化学反应，形成各种腐蚀性物质。因此，控制阀的阀体、阀盖和与热煤浆接触的所有部件必须使用耐腐蚀材料，特别是阀体和阀盖。一般奥氏体不锈钢不能使用，而是铁素体奥氏体双相结晶不锈钢，不仅具有很强的耐腐蚀性，而且其机械强度是奥氏体不锈钢的两倍多。
根据该技术特点，在许多结构类型中，角控制阀满足要求，单座结构角控制阀芯顶部导向结构，阀芯手柄与导套之间有一定间隙，虽然在主流束上方，但黑水不可避免地渗入导向间隙，一旦停止，在间隙中形成结焦膜层，附着力强；再次启动时，阀芯经常卡住。为了防止卡住，在阀芯的导向段设计了一个去除结构，去除的结焦粉末可以通过逃生槽排出，也就是说，该控制阀也具有自清洗能力。由于去除结焦需要很大的推力，经常配备大口径气动活塞执行机构，其推力远大于普通气动膜执行机构；必要时串联使用多个活塞执行机构，推力大于150kN。
因此，选择单座结构的角控制阀。由于煤粉硬度高，流速高，腐蚀破坏力强，因此黑水流控制阀座、阀芯和可能被冲刷的零件，采用腐蚀材料加工，或在零件表面热压一层腐蚀材料，材料紧密，表面硬度高于煤粉，必须选择碳化钨（WC）硬质合金为主。
根据气化炉上述控制阀的特点，作者选择了国内外控制阀中的优质产品。目前已成功应用于新型水煤浆气化炉的生产，运行稳定，联锁安全可靠，维护满足了工艺操作过程的控制和使用。设计建设中有27台多喷嘴对置水煤浆气化炉，许多公司（包括国外）有意使用该技术，标志着中国与国外气化技术完全竞争，多喷嘴对置水煤浆气化技术具有独特的优势，市场竞争力强，经济前景广阔。报告的多喷嘴对置水煤浆气化装置仪表控制技术开发与工程应用项目获得2007年石油化工自动化工业科技奖一等奖，与控制阀的选择和应用密不可分。
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