氣化爐可調(diào)防振熱電偶在水煤漿漿加壓裝置中應(yīng)

摘要:神華寧煤甲醇廠水煤漿加壓氣化爐(GE氣化爐)裝置使用氣化爐可調(diào)防振專用熱電偶后,解決了以往氣化爐熱電偶使用壽命短,頻繁更換熱電偶造成“非計劃停車”增多的生產(chǎn)問題,使熱電偶備件費用降低了70%,實現(xiàn)了氣化爐熱電偶國產(chǎn)化,經(jīng)濟(jì)效益顯著。
0引言
　　寧夏煤業(yè)集團(tuán)年產(chǎn)25萬t甲醇生產(chǎn)裝置于2004年9月10日開工建設(shè),是寧東能源化工基地規(guī)劃建設(shè)的重點項目之--。項目采用德士古全廢鍋流程,是目前世界最先進(jìn)的節(jié)能工藝。該裝置也是國內(nèi)外甲醇合成及精餾和二甲醚合成及精餾的工業(yè)化裝置中設(shè)計能力最大的。據(jù)了解,自2006年6月10日投料試生產(chǎn)以來,生產(chǎn)過程運行正常,產(chǎn)出的產(chǎn)品全部達(dá)到優(yōu)等品標(biāo)準(zhǔn)。TEXACO德士古全廢鍋流程氣化爐燃燒室的操作溫度為1350~1500℃,操作壓力2.5~8.7MPa.焰氣含有CO、H2.CO2、H2O、CH4、Ar.N2及H2S等組分;由SiO2、CaO、MgO、Fe2O,、Al2O,、Nu20、K20、Cr2O,及ZnO等構(gòu)成焰氣煤灰,煤灰熔點為1310~1370C.燃燒室殼體材質(zhì)為SA387GRADE11CLASS2,內(nèi)襯耐火襯里。TEXACO水煤漿氣化爐采用水煤漿進(jìn)料,在氣流床中加壓氣化,水煤漿與純氧在高溫高壓下反應(yīng)生
成煤氣。
　　TEXACO德士古氣化爐具有高溫、高壓、氧化性和還原性氣氛共存、強沖刷、溫度壓力驟變的特殊工況。
1目前測溫?zé)犭娕即嬖诘娜秉c
　　氣化爐溫度是直接反應(yīng)氣化爐是否正常運行的最重要參數(shù)之一。首先,因為氣化爐內(nèi)各組分需在-一個嚴(yán)格控制的溫度(1350~1500℃)下才能獲得理想的轉(zhuǎn)化率;同時，溫度的穩(wěn)定,能大大提高價格昂貴的耐火磚的使用壽命。所以,必須對溫度進(jìn)行準(zhǔn)確的測量和嚴(yán)格的監(jiān)控。對于提高生產(chǎn)效率、延長設(shè)備壽命、確保安全生產(chǎn)、實現(xiàn)環(huán)保概念具有重要意義。測溫?zé)犭娕际潜ＷC溫度測量正常進(jìn)行的先決條件,而目前國內(nèi)外所使用的熱電偶普遍存在溫度漂移大、使用壽命短的缺點。其原因如下:
(1)在大于1350℃的高溫下,對于氣孔率高的套管,爐內(nèi)的H2、Co、Fe、Na等會對偶絲產(chǎn)生劣化作用,使偶絲在短時間內(nèi)產(chǎn)生100C以上的溫度漂移,如未能及時發(fā)現(xiàn)，這種溫度漂移甚至?xí)_(dá)到300C.此時,對溫度的觀測便失去意義,造成爐內(nèi)“過燒”情況的發(fā)生。
(2)在發(fā)生“非計劃停車"時,氣化爐內(nèi)會發(fā)生溫度和壓力的驟變,其變化對保護(hù)管的破壞相當(dāng)嚴(yán)重,會導(dǎo)致爐內(nèi)的H2和CO直接進(jìn)人熱電偶內(nèi)部，使熱電偶絲產(chǎn)生“氫脆"和“碳中毒”,從而喪失測量溫度的能力。
(3)爐內(nèi)物料沖刷嚴(yán)重,如果熱電偶的強度和抗熱振性不強,或者安裝時的測點位置掌握不合理,則在極短的時間內(nèi)便被振斷或沖折。
(4)爐內(nèi)的耐火磚襯里在燃燒過程中會由于沖刷而逐漸變薄,同時熱電偶將由于內(nèi)襯層的變薄而探人到爐內(nèi),此時在強烈的物料沖刷”下,熱電偶會瞬間斷裂,損壞率100%，
(5)在熱電偶的密封結(jié)構(gòu)被破壞的情況下,高溫腐蝕性氣體極易發(fā)生泄漏,使安全生產(chǎn)存在極大隱患。這些缺點直接導(dǎo)致的結(jié)果是“非計劃停車”增多,燒嘴、內(nèi)襯等貴重部件由于“過燒”而縮短了使用壽命,不僅使生產(chǎn)運行無法保證,而且大大增加了設(shè)備運行成本和生產(chǎn)費用,嚴(yán)重降低生產(chǎn)效率。
2測溫傳感器的技術(shù)性能要求
(1)耐高溫。在1350~1500℃的高溫下能正常穩(wěn)定的工作。
(2)耐高壓。能承受2.5~8.7MPa的高壓而不被損壞。
(3)耐腐蝕。能同時抵抗氧化性和還原性氣氛的雙重腐蝕。
(4)抗沖刷。具有一定的機械強度和可調(diào)整的插人長度,主要是當(dāng)內(nèi)襯發(fā)生變化時,能抵抗物料、煤灰的長期沖刷。
(5)壽命長。因氣化爐一般在開車2個月左右需要停車檢修,所以要求所使用的熱電偶能保證長時間的連續(xù)工作,減少“非計劃停車"。即使在溫度壓力驟變的情況下也不被損壞。熱電偶的使用壽命要求≥3個月。
　　針對這些要求,由某公司研制的“氣化爐可調(diào)防振專用熱電偶”通過特殊的材料選用和結(jié)構(gòu)設(shè)計,滿足了氣化爐工況對溫度傳感器的苛刻要求,并通過近1年運行,其使用效果和反應(yīng)出的經(jīng)濟(jì)效益均已得到充分的展現(xiàn)。
3氣化爐可調(diào)防振專用熱電偶
　　氣化爐可調(diào)防振專用熱電偶.也稱水煤漿加壓氣化專用高溫?zé)犭娕?是某公司根據(jù)水煤漿加壓氣化的工況特點,專門研制的一種可調(diào)防振、耐沖刷、抗氧化、多級阻漏的氣化爐專用熱電偶,現(xiàn)已申報了專利,專利號為200820075479.5。該產(chǎn)品于2007年1月開始立項研制,到2007年6月便正式投入生產(chǎn),并且其功能已在神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)甲醇廠的應(yīng)用中得以證實。
3.1保護(hù)管材料的選用
　　根據(jù)氣化爐的工況環(huán)境及以上分析,在選擇熱電偶保護(hù)管材料時,必需具有良好的機械強度和耐高溫氧化、耐沖擊、耐腐蝕氣密性好的特性,能同時承受高溫高壓的物料和溶渣對其腐蝕和沖刷的多重作用。
3.1.1外保護(hù)套管
　　氣化爐可調(diào)防振熱電偶采用進(jìn)口碳化硅作為外保護(hù)套管，該材料是通過無壓燒結(jié)亞微米碳化硅粉末制造的，該燒結(jié)工藝產(chǎn)生的自結(jié)合細(xì)晶(小于10μm)碳化硅產(chǎn)品具有硬度極大、重量輕且空隙率低等特點，具有陶瓷和金屬的雙重特性。
(1)高溫強度。即使在超過1750℃高溫時仍能可靠地使用。
(2)高硬度。其硬度是僅次于金剛石的高性能材料之一。
(3)低氣孔率。小于10μm的超細(xì)結(jié)晶,經(jīng)氦氣檢漏測試，其氣孔率幾乎為0,可有效阻止H2和CO通過管壁上的氣孔對熱電偶絲造成損壞。
(4)高熱導(dǎo)性。與不銹鋼的導(dǎo)熱性相當(dāng),是氧化鋁的導(dǎo)熱性的5倍。
(5)耐磨損。超高的硬度和密度,使其具有理想的耐磨損，能長期抵抗物料的沖刷。
(6)耐腐蝕、抗氧化。由于碳化硅的高密度、低氣孔率和化學(xué)惰性，使得它即使在超高溫度下也能工作于氧化性和還原性氣氛以及強酸強堿的腐蝕性環(huán)境中。
(7)多規(guī)格系列性。直徑φ10mm~φ38mm,經(jīng)過科學(xué)推算和實際現(xiàn)場的考證,可調(diào)防振熱電偶采用φ31.8mm直徑作為外保護(hù)套管。
3.1.2內(nèi)襯套管。
　　為提高外保護(hù)管在高溫下承受焰氣和溶渣的強烈沖刷,在碳化硅外套管內(nèi)襯雙層復(fù)合陶瓷管作為內(nèi)襯保護(hù)管,并在復(fù)合陶瓷管與碳化硅管之間填充高溫密封物和粘合劑，使其成為復(fù)合型多重套管,見圖1。

　　該復(fù)合型保護(hù)管的材料選用和工藝配合方法,使套管的整體強度得以提升,并且提高了套管在溫度、壓力驟變時的性能，有效地滿足了氣化爐內(nèi)需要耐高溫高壓、氣密性好、能同時適應(yīng)氧化性還原性氣氛、耐腐蝕和抗沖刷的苛刻要求。
3.2熱電偶特殊結(jié)構(gòu)的設(shè)計運用
　　氣化爐可調(diào)防振熱電偶的主體結(jié)構(gòu)采用了可調(diào)防振的設(shè)計理念,其突出特征是當(dāng)氣化爐爐壁襯里厚度發(fā)生變化時,熱電偶可通過調(diào)節(jié)自身的伸縮量來達(dá)到最佳的測量位置,測量芯體更換方便,并通過萬向轉(zhuǎn)球限位導(dǎo)向管、校正減振彈簧、變徑法蘭組等結(jié)構(gòu)的配合，使該產(chǎn)品具有超強的抗振性、抗沖刷性和準(zhǔn)確高效的測溫效果,使用安全性高。
3.2.1主要結(jié)構(gòu)組成
熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

3.2.2結(jié)構(gòu)特點
　　主要結(jié)構(gòu)特點為插人長度可調(diào)節(jié)。該產(chǎn)品主體由測溫芯體、保護(hù)管、限位器導(dǎo)向管伸縮螺紋套管、校正減振彈簧、萬向轉(zhuǎn)球和防爆接線盒構(gòu)成,測溫芯體和插入長度通過收縮式螺紋套管和校正減振彈簧,可以在土120mm范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。插人長度可調(diào)的結(jié)構(gòu)設(shè)計主要是為解決氣化爐內(nèi)的兩個工況特點:
(1)一般情況下,在設(shè)計熱電偶的插人長度L時,采用鐵絲鉤探入內(nèi)襯的方法,L=鐵絲鉤探測的長度-25mm,測多次后取其平均值。而氣化爐內(nèi)襯為非金屬耐火磚,其內(nèi)表面是不均勻的。所以只有插人長度可調(diào)節(jié),才能滿足不同測點.不同位置時探頭長度均能調(diào)整到最佳位置。
(2)在煤氣化反應(yīng)進(jìn)行當(dāng)中,爐壁襯里的厚度會隨著焦化沖刷被逐漸地減薄,內(nèi)壁向外擴延。為確保傳感器前端仍然保持在內(nèi)壁處的最佳測量位置,其長度必須進(jìn)行相應(yīng)的縮短調(diào)節(jié)。根據(jù)目前國內(nèi)外德士古爐工作運行情況的統(tǒng)計,其襯里厚度最大變化量為100mm,所有±120mm的伸縮量足以滿足實際生產(chǎn)的需要,并保證安全生產(chǎn)。
4氣化爐可調(diào)防振熱電偶在神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)甲醇廠的應(yīng)用
　　該產(chǎn)品目前在神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)甲醇廠使用一直處于良好的運行狀態(tài)。其結(jié)構(gòu)中的兩個突出特點在現(xiàn)場使用中表現(xiàn)非常明顯。一個是其長度的可調(diào)性,滿足了德士古爐在運行中爐壁厚度變化的需要,因此其使用壽命得以提升,自投人使用以來，從未因熱電偶的質(zhì)量問題造成停車。另一是其變徑雙法蘭組的安裝方式和抽芯式結(jié)構(gòu)的結(jié)合運用。氣化爐整個工作流程中涉及預(yù)熱.正式測量、更換測溫元件等步驟,所以在氣化爐投料前會產(chǎn)生反復(fù)的安裝與拆卸。該熱電偶采用ANSIDN100PN11.0大法蘭與DN50PN11.0小法蘭的變徑雙法蘭組合的形式,并配合測量芯體的抽芯兩節(jié)式的結(jié)構(gòu),可實現(xiàn)大法蘭的最初安裝固定和小法蘭隨測溫芯體隨時進(jìn)行更換的安裝拆卸方式,即安全又輕便快捷。比如,在預(yù)熱爐升溫時,采用K型熱電偶,當(dāng)溫度升至1000℃時便需更換為B型氣化爐專用熱電偶進(jìn)行正式測溫，并開始加壓。以往產(chǎn)品采用單一的大法蘭形式,不僅笨重，而且整個產(chǎn)品反復(fù)安裝極其不方便,造價也極高。而采用法蘭組和可抽芯式結(jié)構(gòu)后,便可先將與氣化爐連接的DN100PN11.0的大法蘭與氣化爐安裝好,而在更換熱電偶時便不再需要拆換大法蘭,只需更換小法蘭及測溫元件即可。且抽芯式結(jié)構(gòu)使更換產(chǎn)品時只需更換小法蘭以上部分,小法蘭以下及大法蘭套管無需再進(jìn)行更換或購買,使備件費用降低了70%,同樣實現(xiàn)了維修工作量的減少和良好的經(jīng)濟(jì)效益。從實際的生產(chǎn)運行情況看,該產(chǎn)品非常適合現(xiàn)場的需要,又因其良好的先進(jìn)性,將具有很廣泛的發(fā)展空間。
5結(jié)束語
　　通過氣化爐可調(diào)防振熱電偶的使用,有效解決了德士古氣化爐生產(chǎn)過程中的溫度測量問題，減少了“非計劃停車”,從而延長了整個氣化爐的工作壽命，為企業(yè)帶來了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。該熱電偶耐腐蝕、抗沖刷、高溫下測量精度高、長度可調(diào)節(jié)的突出特點填補了國內(nèi)外氣化爐測溫產(chǎn)品的空白。
該產(chǎn)品的研制有效解決了在化肥和煤化工行業(yè)中的水煤漿加壓氣化爐(德士古爐)中的高溫測量問題。利用特殊的結(jié)構(gòu)形式和合理的材料,使其可在同時具有高溫高壓及溫度壓.力驟變,強沖刷的特殊條件下穩(wěn)定可靠工作,完全能替代進(jìn)口產(chǎn)品。實現(xiàn)了氣化爐測溫用熱電偶的國產(chǎn)化。