气化炉可调防振热电偶在气化炉中的应用

沙漠里的鱼

1 引 言
宁夏煤业集团250 kt/a甲醇生产装置2004年9月10日开工建设,是宁东能源化工基地规划建设的重点项目之一。项目采用德士古(texaco)全废锅流程,目前属世界一流的节能工艺。该装置也是国内外甲醇合成及精馏和二甲醚合成及精馏的工业化装置中设计能力最大的。据了解,自2006年6月10日投料试生产以来,生产过程运行正常,产出的产品全部达到优等品标准。texaco全废锅流程气化炉燃烧室的操作温度为1 350~1 500℃,操作压力2·5~8·7 mpa。焰气含有co,h2,co2,h2o,ch4,ar,n2及h2s等组分;由io2,cao,mgo,fe2o3,al2o3,na2o,k2o,cr2o3及zno等构成焰气煤灰,煤灰熔点为1 310~1 370℃。燃烧室壳体材质为sa387 grade11class2,内衬耐火衬里。texaco水煤浆气化炉采用水煤浆进料,在气流床中加压气化,水煤浆与纯氧在高温高压下反应生成煤气。
# f/ ~2 P) V( A. W0 A7 I; g: btexaco气化炉具有高温、高压、氧化性和还原性气体共存、强冲刷、温度压力骤变的特殊工况。
" h, F9 n$ w" `2 温度测量的重要性和目前测温热电偶存在的弊病
# g; F. ~' P* o  U& ]# D温度是直接反映气化炉是否正常运行最重要的参数之一[1]。首先因为气化炉内各组分需在一个严格控制的温度(1 350~1 500℃)下才能获得理想的转化率;同时,温度的稳定,能大大提高价格昂贵的耐火砖的使用寿命。所以对温度进行准确的测量和严格的监控,对于提高生产效率、延长设备使用寿命、确保安全生产、加强环保意识具有重要意义,是所有煤化工企业首要解决的问题。
* [' Y) T' V4 n+ w5 T测温热电偶是保证温度测量[2]正常进行的先决条件,而目前国内外所使用的热电偶普遍存在温度漂移大、使用寿命短的严重弊病。造成这些弊病的原因如下:
* V! n/ ~8 i7 F6 J: Na)在大于1 350℃的高温下,对于气孔率高的套管,炉内的h2,co,fe,na等元素会对电偶丝产生劣化作用,使偶丝在短时间内产生100℃以上的温度漂移,如未能及时发现,这种温度漂移甚至会达到300℃。此时,对温度的观测便失去意义,造成炉内“过烧”情况的发生。
7 I, h, k- y) r  V* k- P8 jb)在发生非计划停车时,气化炉内会发生温度和压力的骤变,其变化对保护管的破坏相当严重,会导致炉内的h2和co直接进入热电偶内部,使热电偶丝产生“氢脆”和“碳中毒”,从而丧失测量温度的能力。
2 x! R% k6 _5 }; Nc)炉内物料冲刷严重,如果热电偶的强度和抗热振性不强,或者安装时的测点位置掌握不合理,则在极短的时间内便被振断或冲折。
4 }8 \6 Q4 l. H( q; md)炉内的耐火砖衬里在燃烧过程中会由于冲刷而逐渐变薄,同时热电偶将由于内衬层的变薄而探入到炉内,此时在强烈的物料冲刷下,热电偶会瞬间断裂,损坏率100%。
0 r9 o/ @2 _) `5 b; j& M) V: K4 }e)在热电偶的密封结构被破坏的情况下,高温腐蚀性气体极易发生泄漏,使安全生产存在极大隐患。
这些弊病直接导致的结果是“非计划停车”增多,烧嘴、内衬等贵重部件由于“过烧”而缩短了使用寿命,不仅使生产运行无法保证,而且大大增加了设备运行成本和生产费用,严重降低生产效率。
3 j8 U; L6 v; h' }& L3 测温传感器必备的性能
. e+ @, n% [- ]+ x  l# L8 Ea)耐高温,在1 350~1 500℃的高温下能正常稳定的工作。
b)耐高压,能承受2·5~8·7 mpa的高压而不被损坏。
) G' h# M: R8 i+ V% U6 i* lc)耐腐蚀,能同时抵抗氧化性和还原性气体的双重腐蚀。
) N4 h# a$ p9 t# ld)抗冲刷,具有一定的机械强度和可调整的插入长度,主要是当内衬发生变化时,能抵抗物料、煤灰的长期冲刷。
2 o2 M- p$ E, \: ^  [6 n, F5 se)寿命长,因气化炉一般在开车2个月左右需要停车检修,所以要求所使用的热电偶能保证长时间的连续工作,减少“非计划停车”。即使在温度压力骤变的情况下也不被损坏。热电偶的使用寿命要求不小于3个月。
针对这些要求,由天津市某温度仪表有限公司研制的“气化炉可调防振专用热电偶”通过特殊的材料选用和结构设计,满足了气化炉工况对温度传感器的苛刻要求,并通过近一年运行,其使用效果和反映出的经济效益均已得到充分的展现[3]。
/ M& i; p& c! [/ b4 气化炉可调防振专用热电偶
) i& h- F& o! H气化炉可调防振专用热电偶,也称水煤浆加压气化专用高温热电偶,是一种可调防振、耐冲刷、抗氧化、多级阻漏的气化炉专用热电偶。现已申报了专利(专利号200820075479·5)。该产品于2007年1月开始立项研制,到2007年6月便正式投入生产,并且其特殊功效已在神华宁夏煤业集团甲醇厂的应用中得以证实。
4·1 保护管材料的选用
; z4 x+ R) h' }根据气化炉的工况环境及以上分析,在选择热电偶保护管材料时,必须具有良好的机械强度和耐高温氧化、耐冲击、耐腐蚀、气密性好的特性,能同时承受高温高压的物料和熔渣对其腐蚀和冲刷的多重作用。
" p0 m6 _) ~# t) \' T- ]* I4·1·1 外保护套管
9 Q* o3 m7 M6 I( c8 w4 b6 t7 {7 F3 ?气化炉可调防振热电偶采用进口碳化硅作为外保护套管,该材料是通过无压烧结亚微米碳化硅粉末[4]制造的,该烧结工艺产生的自结合细晶(小于10μm)碳化硅产品具有硬度极大、质量轻且空隙率低等特点,具有陶瓷和金属的双重特性,具体表现如下。
+ a/ [: n1 b/ J( D# {a)高温强度:即使在超过1 750℃高温时仍能可靠地使用。
b)高硬度:其硬度是仅次于金刚石的高性能材料之一。
: u4 f7 P" Z3 q6 h4 ac)低气孔率:小于10μm的超细结晶,经氦气检漏测试,其气孔率几乎为0,可有效阻止h2和co通过管壁上的气孔对热电偶丝造成损坏。
1 E9 \+ i) p; m9 }# E! a, J( @d)高热导性:与不锈钢的导热性相当,是氧化铝的导热性的5倍。
  u/ x! I" k  [3 qe)耐磨损:超高的硬度和密度,使其具有理想的耐磨损,能长期抵抗物料的冲刷。
f)耐腐蚀、抗氧化:由于碳化硅的高密度、低气孔率和化学惰性,使得它即使在超高温度下也能工作于氧化性和还原性气体以及强酸强碱的腐蚀性环境中。
g)多规格系列性:直径φ10 mm~φ38 mm,经过科学推算和实际现场的考证,可调防振热电偶采用φ31·8 mm直径作为外保护套管。
: g! P/ n& C% i6 J* ^$ b& w4·1·2 内衬套管
' j" Z3 n& |% q2 O为提高外保护管在高温下承受焰气和熔渣的强烈冲刷,在碳化硅外套管内衬双层复合陶瓷管作为内衬保护管,并在复合陶瓷管与碳化硅管之间填充高温密封物和粘合剂,使其成为复合型多重套管,如图1所示。
/ B, `4 P# L: g/ s4 I- e% g该复合型保护管的材料选用和工艺配合方法,使套管的整体强度得以提升,并且提高了套管在温度、压力骤变时的技术性能,有效地满足了气化炉内需要耐高温、高压,气密性好,能同时适应氧化性还原性气体,耐腐蚀和抗冲刷的苛刻要求。
9 f* `- T& r& G& ?4·2 热电偶特殊结构的设计运用
8 l# r4 Z+ ^+ r6 |3 f4·2·1 主要结构
5 L" M* P8 o# Z# n8 C, G气化炉可调防振热电偶的主体结构采用了可调防振的设计理念,其突出特征是当气化炉炉壁衬里厚度发生变化时,热电偶可通过调节自身的伸缩量来达到最佳的测量位置,测量芯体更换方便,并通过万向转球、限位导向管、校正减振弹簧、变径法兰组等结构的配合,使该产品具有超强的抗振性、抗冲刷性和准确高效的测温效果,使用安全性高。结构组成如图2所示。
: M6 i/ `. O( w( g; X5 L4·2·2 结构特点
热电偶结构的特点为插入长度可调节。该产品主体由测温芯体、保护管、限位器导向管、伸缩螺纹套管、校正减振弹簧、万向转球和防爆接线盒构成,测温芯体和插入长度通过收缩式螺纹套管和校正减振弹簧可以在±120 mm范围内进行调节。该插入长度可调的结构设计主要是为解决气化炉[5]内的两个工况特点。
a)一般情况下,在设计热电偶的插入长度l时,采用铁丝钩探入内衬的方法,其计算公式为:l=铁丝钩探测的长度-25 mm,测多次后取其平均值。而气化炉内衬为非金属耐火砖,其内表面是不均匀的。所以只有插入长度可调节,才能满足不同测点不同位置时探头长度均能调整到最佳位置。
- z2 Z1 O$ _/ B- sb)在煤气化反应进行当中,炉壁衬里的厚度会随着焦化冲刷被逐渐地减薄,内壁向外扩延。为确保传感器前端仍然保持在内壁处的最佳测量位置,其长度必须进行相应的缩短调节。根据目前国内外texaco炉工作运行情况的统计,其衬里厚度最大变化量为100 mm,所有±120 mm的伸缩量足以满足实际生产的需要,并保证安全生产,实现了环保的现代工业理念。
该产品的研制有效解决了在化肥和煤化工行业中的水煤浆加压气化炉(德士古炉)中的高温测量问题。利用特殊的结构形式和合理的材料,使其可在同时具有高温、高压及温度压力骤变,强冲刷的特殊条件下稳定可靠工作,完全能替代进口产品。实现了气化炉测温用热电偶的国产化。
6 A; g! T9 C7 v5 气化炉可调防振热电偶的应用
2 b! [5 l+ ^7 n6 u1 a( Q, V+ L该产品目前在神华宁夏煤业集团甲醇厂使用一直处于良好的运行状态。其结构中的两个突出特点在现场使用中表现非常明显。一是其长度的可调性,满足了texaco炉在运行中炉壁厚度变化的需要,因此其使用寿命得以延长,自投入使用以来从未因热电偶的质量问题造成停车。二是其变径双法兰组的安装方式和抽芯式结构的结合运用。气化炉整个工作流程中涉及预热、正式测量、更换测温元件等步骤,所以在气化炉投料前会产生反复的安装与拆卸。该热电偶采用ansidn100pn11·0大法兰与dn50pn11·0小法兰的变径双法兰组合的形式,并配合测量芯体的抽芯两节式的结构,可实现大法兰的最初安装固定和小法兰随测温芯体随时进行更换的安装拆卸方式,既安全又轻便快捷[6-7]。比如,在预热炉升温时采用k型热电偶,当温度升至1 000℃时便需更换为b型气化炉专用热电偶进行正式测温,并开始加压。以往产品采用单一的大法兰形式,不仅笨重,而且整个产品反复安装极其不方便,造价也极高。而采用法兰组和可抽芯式结构后,便可先将与气化炉连接的dn100pn11·0的大法兰与气化炉安装好,而在更换热电偶时便不再需要拆换大法兰,只需更换小法兰及测温元件即可。且抽芯式结构使更换产品时只需更换小法兰以上部分,小法兰以下及大法兰套管无需再进行更换或购买,使备件费用降低了70%,同样实现了维修工作量的减少和良好的经济效益。从实际的生产运行情况看,该产品非常适合现场的需要,又因其良好的先进性,将具有很广泛的发展空间。
6 结束语
; w; G$ L5 s" }( S5 G通过气化炉可调防振热电偶的使用,有效解决了texaco气化炉生产过程中的温度测量问题,减少了非计划停车,从而延长了整个气化炉的工作寿命,为企业带来了显著的经济效益。该热电偶耐腐蚀、抗冲刷、高温下测量精度高、长度可调节的突出特点填补了国内外气化炉测温产品的空白,并实现了气化炉热电偶产品的国产化,其社会意义重大。