DE3148521A1 - "druckreduzierventil fuer kohleverfluessigungs- und -vergasungsanlagen" - Google Patents
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Description
Beanspruchte Priorität: 15.Dezember 1980, Japan,
Patentanmeldung No. 175909/1980
Anmelder :
TOYO ENGINEERING CORPORATION
No.2-5, Kasumigaseki 3-chome, Chiyoda-ku,
Tokyo, Japan
MITSUI SRC DEVELOPMENT COMPANY, LIMITED No. 1-1, Nihonbashimuromachi 2-chome,
Chuo-ku, Tokyo, Japan
MITSUI COKE CO., LTD.
No. 1-1, Nihonbashimuromachi 2-chome,
Chuo-ku, Tokyo, Japan.
Druckreduzierventil für Rohleverflüssigungs- und -Vergasungsanlagen.
Die Erfindung betrifft ein verbessertes Druckreduzierventil für Kohleverflüssigungs- und -vergasungsverfahren. Insbesondere
bezieht sich die Erfindung auf ein verbessertes Druckreduzierventil, mit dem in dem vorgenannten Verfahren der Druck
des erhitzten und unter Druck stehenden Prozeßfluids, das durch
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;" 3U8521
Zugabe von Lösungsmittel und Wasserstoffgas zu pulverisierter
Kohle erzeugt worden ist, herabgesetzt wird, und auf das Druckreduzierventil in dem Ablaßsystem des Vergasungsverfahrens, das verwendet wird, um heiße und geschmolzene Asche,
die Feststoffe enthält, von dem Boden eines Vergasungsofens bei dem Vergasungsverfahren herauszunehmen.
Kohleverflüssigungs- und -vergasungsverfahren werfen ernsthafte
Probleme der Erosion und Korrosion an Baumaterialien der Anlage auf, da dort pulverisierte Kohle, Mischungen, in denen
Lösungsmittel zu pulverisierter Kohle hinzugegeben werden, und heiße geschmolzene Asche oder Aufschlämmung, die Feststoffe
enthält, verarbeitet werden. Insbesondere bei dem Kohleverflüssigungsverfahren reduziert das Druckreduzierventil den
hohen Druck auf einen niedrigen Druck des Prozeßfluids, das aus pulverisierter Kohle und Lösungsmitteln und hinzugegebenem
Wasserstoffgas besteht, und das Prozeßfluid wird danach erhitzt und unter Druck gesetzt. Heißes und unter hohem Druck
stehendes Prozeßfluid, das 5 bis 15 % feine unlösliche feste Teilchen wie Asche in Kohle und korrosive Substanzen wie ELS
enthält, wird in Form eines Fluids mit sehr hoher Geschwindigkeit abgezogen, nachdem es in das Druckreduzierventil eingeführt
und sein Druck durch das Reduzierventil reduziert worden ist. Dadurch tritt schwere physikalische und chemische
Beschädigung wie Erosion und Korrosion an bestimmten Teilen des Druckreduzierventils auf. Auf diese Weise wird die Lebensdauer
des_ Druckreduzierventil·s sehr verkürzt, wenn normale
metallische Materialien an den Stellen des Ventils verwendet werden, die mit den Prozeßfluiden in Berührung kommen. Es wird
intensiv nach einer Lösung dieses Problems durch die Anwenderindustrie gesucht.
Nachfolgend werden Erosion und Korrosion in den Druckreduzierventilen,
die bei den Verfahren verwendet werden, in näheren Einzelheiten beschrieben.
-s-
Figur 1 ist ein schematischer Längsschnitt, der den wesentlichen
Teil eines Druckreduz iervent iles zeigt, das herköminlicherweise
bei den Verfahren verwendet wird, wobei das Prozeßfluid von der Richtung des Pfeiles "a" in den Raum zwischen
r^ern Ventilkegel 1 und dem Sitzring 2 einströmt und, nachdem
der Druck reduziert worden ist, aus dem Druckreduzierventil in der Richtung des Pfeiles "a' " wieder austritt. Da das
Prozeßfluid mit einer sehr hohen Geschwindigkeit strömt, feste Materialien wie Aschebestandteile enthält, wie es oben bereits
erwähnt wurde, und darüber hinaus korrosiv ist, tritt schwere Erosion und Korrosion auf der äußeren Oberfläche des Ventilkegels
1 und an der inneren Oberfläche des Sitzringes 2 auf, die mit demProzeßfluid in Kontakt kommen. Die Verwendung von
in hohem Maße erosionsbeständigen Materialien auf der äußeren Oberfläche des Ventilkegels 1 und der inneren Oberfläche des
Sitzringes 2 wirkt so, daß die Lebensdauer des Druckreduzierventils unter diesen Umständen verlängert wird.
In der Vergangenheit wurde früher rostfreier Stahl als ein Antierosions- und -korrosionsmaterial verwendet, aber da seine
Härte unzureichend ist, wird üblicher rostfreier Stahl durch Sanderosion angegriffen, die durch das Auftreffen unlöslicher
fester Teilchen in der Aufschlämmung, die im wesentlichen nicht korrosiv
ist, verursacht wird und wird dadurch sehr schnell abgerieben.
Die Sanderosion wird im folgenden kurz erklärt. Die Eindringtiefe der festen Teilchen zu der Zeit des Auftreffens auf Materialien
erhält man aus der Eindruckhärtetheorie, wobei die folgende Formel aus der Beziehung abgeleitet ist, daß der Betrag
der Zerstörung W proportional zur dritten Potenz der Eindringtiefe h ist:
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W OC hJ = P (1)
"V 3/2
wobei D der Durchmesser von festen Teilchen ist, V die Auftreff geschwindigkeit der .festen Teilchen ist, 5» die Dichte
der festen Teilchen und H die Vicker-Härte des Materials ist.
Es ist ersichtlich, daß der Betrag der Zerstörung W eines Materials verringert werden kann oder der Widerstand gegen Sanderosion
des Druckreduzierventils verbessert werden kann, indem einfach die Härte H des Materials eines Druckreduzierventils
vergrößert wird.
Unter diesem Gesichtspunkt wurde das Material von einem Druckreduzierventil
für das Kohleverflüssigungsverfahren von üblichem rostfreiem Stahl zu gehärtetem rostfreiem Stahl mit
hoher Härte verändert und danach zu der Sterit-Legierung. Keines dieser Materialien besitzt jedoch eine ausreichende
Korrosionsbeständigkeit, um als Material für ein Druckreduzierventil zu dienen. Zur Zeit ist das nur versuchsweise brauchbare
Material für ein Druckreduzierventil eine Legierung (z.B. Sintercarbid oder Sinterhartmetall), die aus Wolframcarbidteilchen
hergestellt ist, die gepreßt und nach Zugabe von Kobaltpulver gesintert worden sind. Aber obgleich solch eine
harte Legierung (z.B. Sintercarbid oder Sinterhartmetall) als Material für ein Druckreduzierventil verwendet wird, beträgt
die Lebensdauer des Ventilkegels, der der am meisten der Erosion und Korrosion in einem Druckreduzierventil· ausgesetzte
Teil· ist, nur höchstens sechzig (60) Tage. Dies beruht auf der Tatsache, daß Erosion in einem Mechanismus fortschreitet, bei
dem, da die Wolframcarbidphase mit sehr hoher Härte und die Kobaltphase mit ähnlicher Härte wie bei normalen Meta^en
sich in der harten Legierung (z.B. in Sintercarbid oder Sinterhartmeta^)
übe^agern, die Erosion zuerst in der Kobaitphase
beginnt, die eine niedrigere Härte hat, und die Binderphase, die die Wolframcarbid phase aneinander bindet, zusainmenf allen
läßt, was zu der Trennung der Wolframcarbidteilchen führt.
Die Erosion in der Kobaltphase wird durch die Korrosivität der Aufschlämmung beschleunigt zusätzlich zu der Erosionszerstörung, die durch die feinen Teilchen aus Feststoffbestandteilen
(Asche), die in der Aufschlämmung enthalten sind, verursacht wird.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, die Probleme der Zerstörung durch Erosion und Korrosion zu lösen, die man mit den vorstehend
beschriebenen herkömmlichen Materialien nicht beseitigen kann, und neue Druckreduzierventile für die Verwendung
in einer Kohleverflüssigungsanlage und in dem Ablaßsystem einer Kohlevergasungsanlage zu schaffen, bei dem die Ausbildung
von Erosion und Korrosion minimalisiert wird.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß Teile der Ventile, die mit dem Aufschlämmungsfluid in Berührung kommen, mit superharten
Materialien abgedeckt, beschichtet oder überzogen werden.
Die Erfindung wird im folgenden durch Ausführungsbeispiele anhand
der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigen
Figur 1 einen schematischen Längsschnitt durch den wesentlichen Abschnitt eines herkömmlichen Druckreduzierventils;
Figur 2 einen schematischen Längsschnitt des wesentlichen Teiles eines Druckreduzierventiles gemäß der Erfindung
und
Figur 3 eine Darstellung, die den Vergleich zwischen einem Druckreduzierventil gemäß der Erfindung und einem
herkömmlichen Druckreduzierventil in Bezug auf die
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Ventilöffnung zum Aufrechterhalten eines konstanten Druckreduktionsverhältnisses über den Verlauf der
Zeit zeigt.
In Anbetracht der Tatsache, daß Erosion und Korrosion einer harten Legierung (z.B. Sintercarbidlegierung) von ihrer Binderphase
mit geringer Härte aus fortschreitet, wie vorstehend beschrieben wurde, ist ersichtlich, daß Zerstörungen aufgrund
von Erosion und Korrosion durch Minimalisieren der Bereiche der Binderphase vermieden werden können. Wenn die Bindermenge
in einer harten Legierung (z.B. in Sintercarbidlegierung) verringert
wird, wächst die Härte an, aber andererseits wird die Legierung sehr spröde und wird leicht zerbrechlich. Daher ist
Wolframcarbidpulver allein, wenn es ohne Binder ausgeformt und gesintert wird, sehr hart aber so spröde, daß seine Verwendung
als Material für Geräte schwierig wird. Da weiterhin Wolframcarbidpulverkörner nicht fest aneinander haften und
leicht auseinander zu brechen sind, kann Wolframcarbidpulver nicht in Bereichen eingesetzt werden, in denen Zerstörung durch
Erosion und Korrosion als kritisch angesehen wird. Aus diesem Grund ist ein Verfahren zur Minimalisierung des Gehaltes an
Bindermetall wie Kobalt in einer harten Legierung (z.B.Sintercarbid)
zur Erhöhung der Härte unrealistisch.
Aufgrund der beschriebenen Probleme haben die Erfinder verschiedenartige
Untersuchungen durchgeführt, um die Erosionsund Korrosionsbeständigkeit von Druckreduzierventilen zu erhöhen,
und fanden schließlich ein Verfahren, das sehr wirksam ist und bei dem eine bedeckende Schicht oder Beschichtung auf
Teilen, die mit der Aufschlämmung in Berührung kommen und die
zu Erosions- und Korrosionszerstörung neigen, durch physikalische Dampfablagerung (abgekürzt als "PVD" bezeichnet von englisch
"physical vapor deposition") oder chemische Dampfablagerung
( abgekürzt als "CVD" bezeichnet von englisch "chemical vapor deposition") aus Keramik oder äquivalent superharten
Materialien gebildet wird, die sehr hohe Härte und bessere
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Korrosionsbeständigkeit besitzen und eine feine Beschichtungsschicht
bilden.
Superharte Materialien zur Verwendung zum Beschichten von Teilen von Druckreduzierventilen, die mit der Aufschlämmung
in Berührung kommen, gemäß der Erfindung werden aus eindringfähigen,
intrusionstypartigen Verbindungen von Carbiden, Nitriden und Boriden von übergangsmetallen der Gruppen IVa, Va
und VIa des Periodischen Systems der Elemente ausgewählt. (Metallische Atome bilden miteinander Verbindungen, die intermetallische
Verbindungen genannt werden, die im allgemeinen regelmäßige Strukturen besitzen, wobei jedes Atom an einer
speziellen Stelle in einem Gitter gelegen ist. In den gleichen Metallverbindungen dringen Atome kleiner Größe wie z.B. H, C
oder N regelmäßig in die Zwischenräume des Metallgitters ein und bilden, wenn ihre Menge anwächst, eine Verbindung, die
eine "intrusionstypartige" Verbindung genannt wird.) Zu bemerken
ist, daß auch SiC, BN, BP, B4C, B und A^O3 als super harte
Materialien für die Beschichtung verwendbar sind.
Tabelle 1 zeigt die Härte der superharten Materialien für Beschichtungen
gemäß der Erfindung im Vergleich zu derjenigen der herkömmlichen Materialien.
Tabelle 1
Zusammenstellung der Härte
Zusammenstellung der Härte
Härte (Hv)
SUS 304 kalt gezogener Stab etwa 260
SUS 44OA (harter rostfreier Stahl) 530
Sterit-Legierung (sterite alloy) (No.11) 600
Superharte Legierung WC-5% Co etwa 1550
WC-13% Co etwa 1300
Fortsetzung Tabelle 1
Härte
Superharte Materialien gemäß der
Erfindung
Erfindung
TiC ZrC NbC WC TiN TiB2
ZrB2 TaB2
SiC B4C BP Al2O3
3200 2560 2400 2100 1700 3480
2200 2200
3340 3700
4000 2380
3500
Diese Materialien bilden eine sehr harte, in hohem Maße korrosionsbeständige
und feine oder dünne Schicht der Beschichtung durch PVD oder CVD auf der Oberfläche eines Grundmetalles,
und sie besitzen hervorragende Festigkeit der Adhäsion gegen das Grundmetall. Daher ist die Beschichtungsschicht sehr geeignet für die Verwendung in Druckreduzierventilen für Kohleverflüssigungsanlagen, bei denen die Ventile herkömmlicherweise außerordentliche Zerstörung durch Erosion und Korrosion erlitten.
und sie besitzen hervorragende Festigkeit der Adhäsion gegen das Grundmetall. Daher ist die Beschichtungsschicht sehr geeignet für die Verwendung in Druckreduzierventilen für Kohleverflüssigungsanlagen, bei denen die Ventile herkömmlicherweise außerordentliche Zerstörung durch Erosion und Korrosion erlitten.
Die vorstehend beschriebene Schicht der Abdeckung oder Beschichtung
ist bestens geeignet für den Einsatz auf Teilen,
die zu schweren Beschädigungen durch Erosion und Korrosion in
die zu schweren Beschädigungen durch Erosion und Korrosion in
3H8521
Kohlevergasungsanlagen neigen, wie für Ventile, z.B. Ablaßventile,
durch die geschmolzene Asche gefördert wird, die bei hoher Temperatur korrosiv ist und feste Materialien enthält.
Figur 2 ist ein Längsschnitt durch einen wesentlichen Teil eines Druckreduzierventiles in einer Ausführungsform der Erfindung.
Auf den Kegel 1 ist eine Abdeckschicht oder Beschichtung aus einem superharten Material aufgebracht worden, und
die innere Oberfläche des Sitzringes 2, die der Beschichtung 3
gegenüberliegt, ist ebenfalls mit einer Abdeckung oder Beschichtung 4 aus einem superharten Material versehen. Das Prozeßfluid
in einem Aufschlämmungszustand strömt von der Richtung
des Pfeiles a ein und strömt, nachdem der Druck verringert worden ist, in der Richtung des Pfeiles a1 aus. Die Teile,
die mit dem Prozeßfluid in Kontakt kommen, sind mit dem superharten Material 3 bzw. 4 beschichtet oder abgedeckt, so daß
der Grad der Erosion sehr klein ist.
Die Abdeckschichten oder Beschichtungen 3,4 werden auf der Oberfläche
des Kegels 1 und des Sitzringes 2 im allgemeinen durch
physikalische Dampfablagerung (d.h. Bedampfung) oder chemische
Dampfablagerung ausgebildet, aber als ein alternatives Verfahren
können zylindrische Hülsen oder Manschetten aus einem superharten Material hergestellt werden und auf die äußere Oberfläche
des Kegels 1 und die innere Oberfläche des Sitzringes 2 aufgepaßt werden.
Es werden nun die tatsächlich im Betrieb von Druckreduzierventilen
gemäß der Erfindung erhaltenen Ergebnisse beschrieben.
Ein Druckreduzierventil, das an der äußeren Oberfläche des Ventilkegels mit einem superharten Material, das aus TiC bestand,
beschichtet worden war, wurde in einer tatsächlich verwendeten Anlage eingebaut und zwei Wochen lang betrieben. Bei
den herkömmlichen Druckreduzierventilen ohne Beschichtungen waren die Stellen, die mit dem Aufschlämmungsfluid in Berührung
MV V *
■" " ** /" 3U8521
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kamen, uneben und tief herausgedrückt, während im Gegensatz dazu der Kegel des beschichteten Druckreduzierventils in Ordnung
war und eine glatte Oberfläche ohne irgendwelche Verdrückungen besaß, als das Ventil nach dem zweiwöchigen Betrieb
herausgenommen wurde. Auch bei der Beziehung zwischen der Ventilöffnung zum Aufrechterhalten eines konstanten Druckreduktionsverhältnisses
und der vergangenen Zeit zeigt sich, daß die Ventilöffnung des herkömmlichen Druckreduzierventils ohne
Beschichtung schnell abnimmt, nachdem der Betrieb begonnen hat, und im Gegensatz dazu die Veränderung der Öffnung des beschichteten
Druckreduzierventiles sehr klein blieb. In Figur 3 ist ein derartiger Vergleich zwischen dem Druckreduzierventil·,
das mit dem superharten Material TiC beschichtet war (eine Ausführungsform der Erfindung) und einem herkömmlichen Druckreduzierventil,
das aus harter Legierung (z.B. aus Sintercarbid) hergestellt war, bezüglich der Beziehung zwischen dem Verhältnis
der Ventilöffnung (Öffnung nach Gebrauch zur Öffnung beim
Beginn des Gebrauchs), um ein konstantes Druckreduktionsverhältnis
aufrecht zu erhalten, und der vergangenen Zeit dargestellt. Aus der Zeichnung ist ersichtlich, daß, während für
das herkömmliche Ventil die vergangene Zeit zur Reduzierung der Ventilöffnung auf die Hälfte der Öffnung beim Beginn 90
Stunden betrug, diese Zeit über 250 Stunden für die Ausführungsform gemäß der Erfindung betrug, was ein Beweis für die
schnelle Erosion und Korrosion des herkömmlichen Ventils ist. Weiterhin wurde nach einem Betrieb, der über zwei Wochen (etwa
350 Stunden) lief, der beschichtete Ventilkegel unverändert belassen, während der Sitzring durch einen neuen" ersetzt und
der Betrieb wieder aufgenommen wurde. Als Ergebnis war die Ventilöffnung
auf ihren Wert am Beginn wieder hergestellt, wie es aus Figur 3 ersichtlich ist. Daraus ist ersichtlich, daß die
Veränderung der Ventilöffnung mit der vergangenen Zeit durch das Abtragen oder den Verschleiß des unbeschichteten Sitzringes
verursacht war. Dies zeigt, daß ein Ventil gemäß einer Ausführungsform der Erfindung eine sehr geringe Beschädigung durch
Erosion und Korrosion im Vergleich zu einem herkömmlichen Ventil aufweist.
Die Vorteile und Anwendungsgebiete der Erfindung sind deutlich erkennbar. Da es kein geeignetes Material für Druckreduzierventile
gab, haben die Anwender derartiger Ventile in Kenntnis ihrer kurzen Lebensdauer zwei Verfahrenslinien parallel eingerichtet
und alternativ betrieben, wobei jeweils die andere
zum Ersetzen des zerstörten Ventiles stillgelegt war. Die längere Lebensdauer der Ventile gemäß der Erfindung verringert
jedoch die Häufigkeit des Ventilersetzens und bringt dadurch
viele Vorteile für den Betrieb und die Wartung einer Anlage
insgesamt. Weiterhin kann die Erfindung auf Druckreduzierventile angewendet werden, die ebenfalls das Problem der Erosion
und Korrosion in anderen Verfahren als in Kohleverflüssigungsund -vergasungsverfahren zeigen.
zum Ersetzen des zerstörten Ventiles stillgelegt war. Die längere Lebensdauer der Ventile gemäß der Erfindung verringert
jedoch die Häufigkeit des Ventilersetzens und bringt dadurch
viele Vorteile für den Betrieb und die Wartung einer Anlage
insgesamt. Weiterhin kann die Erfindung auf Druckreduzierventile angewendet werden, die ebenfalls das Problem der Erosion
und Korrosion in anderen Verfahren als in Kohleverflüssigungsund -vergasungsverfahren zeigen.
Claims (3)
1.
Druckreduzierventil für die Verwendung bei Kohleverflüssigungs-
und -Vergasungsanlagen, durch das schlammartiges unlösliche feste Teilchen enthaltendes
Prozeßfluid bei Kohieverflussigungs- und -vergasung
sver fahren geleitet und gesteuert wird.
dadurch gekennzeichnet
daß
Teile (1,2) des Druckreduzierventils, die mit dem Prozeßfluid in Berührung kommen, mit superharten
Materialien (3,4) abgedeckt, beschichtet oder überzogen sind, die intrusionsartige Verbindungen von
Übergangsmetallen der Gruppen IVa, Va und VIa des Periodischen Systems der Elemente oder Slliziumcarbid,
Bor oder Borverbindungen usw. umfassen.
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2. Druckreduzierventil nach Anspruch 1 , dadurch geken.η zeichnet, daß es
mit den superharten Materialien (3,4) durch physikalische Dampfablagerung (Bedampfung) und/oder
chemische Dampfablagerung beschichtet ist.
3. Druckreduzierventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
eine sich verjüngende zylindrische Hülse oder Manschette aus superharten Materialien (3,4) auf die
Teile des Druckreduzierventils, die mit dem Prozeßfluid in Berührung kommen, aufgeschoben ist.
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| DE19813148521 Withdrawn DE3148521A1 (de) | 1980-12-15 | 1981-12-08 | "druckreduzierventil fuer kohleverfluessigungs- und -vergasungsanlagen" |
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