高溫?zé)崤荚诘率抗艢饣癄t中的應(yīng)用

摘要:德士古氣化爐是煤在高溫高壓下，與氣化劑反應(yīng)，轉(zhuǎn)換成以合成氣,德士古熱電偶安裝在氣化爐容器上,用于在預(yù)熱、正常運(yùn)行和冷卻期間測(cè)量反應(yīng)區(qū)的溫度。熱電偶絲的組合可以是鉑/鉑-10%銠(S類),鉑/鉑-13%銠(R類)或鉑-30%銠/鉑-6%銠(B類)。R類或S類都能用于監(jiān)視不超過(guò)2800°F(1538℃)的預(yù)熱和正常運(yùn)行。R類一般為首選，由于其較高的電動(dòng)勢(shì)(EMF)。B類熱電偶對(duì)于小于1470°F(800℃)的較低預(yù)熱范圍不那么敏感:不過(guò)，它卻具有高達(dá)3270°F(1800℃)的較高操作范圍，這可以增加其在線壽命。如果使用B類熱電偶，則需要另外一個(gè)R或S類熱電偶來(lái)單獨(dú)監(jiān)視預(yù)熱。研究對(duì)德士古氣化爐高溫?zé)崤紲y(cè)量點(diǎn)及高溫?zé)崤冀Y(jié)構(gòu)形式做介紹，并詳細(xì)分析了氣化爐高溫?zé)犭娕?/strong>損壞的主要原因及發(fā)生故障后的處理方法，從而延長(zhǎng)德士古氣化爐高溫?zé)崤荚谡２僮鬟\(yùn)用中的壽命。
1緒論
1.1研究氣化爐高溫?zé)崤嫉谋尘昂鸵饬x
       德士古氣化爐是煤在高溫高壓條件下，與氣化劑反應(yīng)，轉(zhuǎn)換成以合成氣(C0/H)為主要成分的氣體產(chǎn)物和少量殘?jiān)?德士古熱電偶安裝在氣化爐容器上，用于在預(yù)熱、正常運(yùn)行和冷卻期間測(cè)量反應(yīng)區(qū)的溫度。熱電偶組件必須能承受氣化爐內(nèi)的惡劣條件。它們一般能提供接近于氣化爐耐火材料高溫表面溫度的溫度讀數(shù)，在理解氣化爐操作條件和性能方面起著重要作用。但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中延長(zhǎng)高溫?zé)犭娕际褂脡勖?，以及?duì)高溫?zé)崤嫉呐伎资柰▎?wèn)題，一直是儀表專業(yè)有待攻克的難題
1.2德士古氣化爐介紹
      德士古氣化爐是-種以水煤氣為進(jìn)料的加壓氣流床氣化工藝。是由美國(guó)德士古開發(fā)公司在1946年研制成功的，1953年第一臺(tái)德士古重油氣化工業(yè)裝置投產(chǎn)。在此基礎(chǔ)上，1956年開始開發(fā)煤的氣化。本世紀(jì)70年代初期發(fā)生世界性危機(jī)，美國(guó)能源部制定了煤液化開發(fā)計(jì)劃，于是，德士古公司據(jù)此在加利福尼亞州蒙特貝洛(Montebello)研究所建設(shè)了日處理15t的德士古氣化裝置,用于燒制煤和煤液化殘?jiān)?。目前?guó)內(nèi)煤化工裝置較多采用德士古氣化爐，并且世界范圍內(nèi)IGCC電站也應(yīng)用較多.
       德士古氣化爐基本運(yùn)行原理:氧氣和含有溫度調(diào)節(jié)劑的水煤漿經(jīng)過(guò)一個(gè)特別設(shè)計(jì)的工藝燒嘴進(jìn)入帶有耐火材料襯里的氣化爐，在嚴(yán)格控制的條件下進(jìn)行部分氧化、還原反應(yīng)，產(chǎn)生合成氣。該氣化爐的合成氣流股主要包含氫氣、--氧化碳、水蒸氣、二氧化碳以及少量的甲烷和未反應(yīng)的碳粒，氣化爐進(jìn)料中的不可燃灰份和未反應(yīng)的碳經(jīng)激冷水浴后沉降在急冷室底部，落入鎖斗排渣系統(tǒng)定時(shí)隔離排放。出急冷室被冷卻的合成氣在碳洗塔中被洗滌，生成無(wú)固體微粒的飽和合成氣,此后，無(wú)塵的飽和合成氣被送往一氧化碳轉(zhuǎn)換裝置.
1.3氣化爐測(cè)溫點(diǎn)介紹
爐膛溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)與氣化爐殼體溫度檢測(cè)系統(tǒng)。
1.3.1氣化爐殼體溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
      氣化爐溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是氣化爐重要的運(yùn)行既能參數(shù)之一，它反映了氣化爐內(nèi)反應(yīng)區(qū)域、燒嘴性能、爐壁耐火材料狀況等.氣化爐溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為氣化爐氣化爐內(nèi)正常溫度在1350℃、6.5Mpa左右。爐內(nèi)耐火材料在高溫氣體和融渣的沖刷下，耐火材料會(huì)不斷變薄，或是熾熱氣體侵入到爐磚縫隙，甚至在某些情況下，爐磚會(huì)掉下.此種情況的發(fā)生會(huì)使氣化爐殼體表面溫度升高，使受壓金屬外殼強(qiáng)度、許用應(yīng)力迅速降低，設(shè)備安全風(fēng)險(xiǎn)升高，因此安裝氣化爐殼體溫度監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)是必要的。此外，氣化爐殼體溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還可以輔助操作工提供關(guān)于反應(yīng)區(qū)位置、燒嘴性能的變化的數(shù)據(jù)、以及耐火材料更換周期等。
       對(duì)于氣化爐安裝的表面熱電偶是一種能夠探測(cè)一條連續(xù)路線.上存在的高溫度的線狀溫度傳感器，可用于大面積溫度的連續(xù)監(jiān)測(cè)。對(duì)于氣化爐表面溫度的檢測(cè)，應(yīng)能檢測(cè)出每一塊耐火磚的工作情況，在爐子的簡(jiǎn)體部分每隔200mm要設(shè)檢測(cè)點(diǎn)，拱頂部分為150mm，按工藝或設(shè)備的要求設(shè)置.一-般每臺(tái)氣化爐的表面可分為若干個(gè)溫區(qū)(20~30個(gè))，每個(gè)區(qū)1支測(cè)溫電纜，以往氣化爐表面熱電偶是在水平方向上環(huán)形安裝，但在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)不便于(易差行)查找超溫區(qū)域，現(xiàn)在基本是豎式覆蓋一定的區(qū)域。我廠氣化爐表面分為36個(gè)溫區(qū)，如圖2所示:拱頂8個(gè)溫區(qū)，筒體段26個(gè)溫區(qū)，爐體擴(kuò)散段2個(gè)溫區(qū).
1.3.2氣化爐爐膛溫度檢測(cè)點(diǎn)介紹
       氣化爐預(yù)熱低溫(預(yù)熱)熱偶:在氣化爐烘爐及冷卻階段，使用低溫(預(yù)熱)熱電偶，監(jiān)測(cè)氣化爐升溫、降溫曲線.低溫(預(yù)熱)熱電偶可采用S分度(Pt-Pt-10Rh，即鉑一鉑10%銠)或R分度(Pt-Pt--13Rh.即鉑一鉑13%銠)熱電偶，而R分度熱電偶更合適-一些，它的熱電勢(shì)更高，也可采用K型熱電偶。我廠爐內(nèi)溫度升溫預(yù)熱熱電偶儀表量程，為0~1315℃.氣化爐高溫?zé)崤?正常操作時(shí)直接測(cè)量氣化爐耐火材料高溫表面溫度，目前國(guó)內(nèi)裝置均用B分度熱電偶，偶絲是由鉑一30%銠和鉑一6%銠兩種合金絲構(gòu)成，它可長(zhǎng)期工作在1600℃下，短期使用可達(dá)到1800℃,在600℃~1500℃時(shí)，測(cè)溫?zé)犭娕荚葹橥?.5%或士4℃，但它在600℃以下時(shí)，幾乎沒(méi)有熱電勢(shì)。
1.4氣化爐高溫?zé)崤冀Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)介紹
       氣化爐高溫?zé)崤际怯筛呒儎傆裢夤?、?nèi)管和中間的專用高溫澆注料在1600℃的高溫下共同燒結(jié)而成.外面噴涂進(jìn)口耐高溫、防粘結(jié)涂料，方便更換熱電偶時(shí)疏通。內(nèi)嵌的單晶管的熔點(diǎn)達(dá)2050℃，可以提供良好的保護(hù)作用。內(nèi)、外保護(hù)套管的材質(zhì)均為高純剛玉粉(Al203含量99.7%)添加稀土元素?zé)贫?，耐高溫達(dá)到1750℃以上.
       可調(diào)節(jié)延伸管-能根據(jù)所需的熱電偶插入深度，螺紋調(diào)節(jié)熱電偶的長(zhǎng)度，在安裝時(shí)保護(hù)管端部從耐火材料壁上縮回0.5英寸(12.5m),在廠實(shí)際操作時(shí)這個(gè)縮回?cái)?shù)值是5mm,以確保測(cè)量精度.
密封附件一專利的高壓密封接頭裝置，為確保安全，密.封附件全部由美國(guó)原裝進(jìn)口的火山灰密封件(國(guó)產(chǎn)的密封附件因?yàn)椴馁|(zhì)的硬度過(guò)高，不易擠碎，容易漏氣，造成重大安全隱患.)
(1)熱電偶套管具有良好的抗熱震性、耐磨和耐腐蝕性。
(2)熱電偶尾長(zhǎng)在安裝時(shí)可根據(jù)耐火磚厚度任意調(diào)節(jié)。
(3)法蘭與套管為肘關(guān)節(jié)連接，萬(wàn)向調(diào)節(jié)，免除熱應(yīng)力剪切。
(4)采用耐高溫、高壓密封技術(shù)，無(wú)需氮?dú)獗Ｗo(hù)，安全可靠。
(5)熱電偶絲與套管及其他附件集成，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)需裝配。
2延長(zhǎng)氣化爐高溫?zé)崤級(jí)勖奶接?br /> 2.1熱偶絲性能的研究
       氣化爐高溫?zé)崤嫉呐冀z為B型偶絲(鉑銠30/鉑銠6),.偶絲屬于貴金屬，均耐高溫，但要避免低熔點(diǎn)金屬雜質(zhì)及化合物的污染。低熔點(diǎn)金屬雜質(zhì)在氣化爐爐溫1350被℃時(shí)被熔化，熔化后的金屬離子劇烈運(yùn)動(dòng)，作用于鉑銠絲，使其容易發(fā)生脆斷.鉑最怕二種工作環(huán)境:還原性氣氛和真空環(huán)境。所以根據(jù)鉑的金屬特性，需要以下步驟，以達(dá)到鉑銠絲的工作狀態(tài)
      清洗:清洗的目的是除去偶絲表面的有機(jī)物，一般為金屬、金屬氧化物，具體方法是將偶絲放入30%稀鹽酸或稀硝酸中煮沸15分鐘，再將熱偶絲放入蒸餾水中煮沸數(shù)次，洗去熱偶絲表面的酸。
掛絲退火:將熱偶絲掛在帶有鉑鉤的退火柜中進(jìn)行退火，退火時(shí)間1小時(shí)。目的是使熱偶絲縱向受熱均勻，使附在電極表面的低熔點(diǎn)金屬雜質(zhì)得到充分揮發(fā)
       爐內(nèi)退火:將熱偶絲套入剛玉管，放入退火柜中，使其測(cè)量端處在1300℃溫場(chǎng)下退火3-4小時(shí),使熱偶絲徑向受熱均勻,消除因穿管產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，以增加熱偶絲性能穩(wěn)定性。
2.2熱偶套管保護(hù)的研究
2.2.1氣化爐爐膛測(cè)溫點(diǎn)介紹
       德士古氣化爐主要操作指標(biāo)是控制爐膛內(nèi)溫度為1350℃，禁止超溫，以確保氣化爐安全運(yùn)行。
       在實(shí)際生產(chǎn)中，由于爐內(nèi)溫度的波動(dòng)，導(dǎo)致高溫?zé)崤际褂脡勖^短。因此，在高溫?zé)崤紵o(wú)指示的情況下，只能通過(guò)出口氣體中甲烷含量等參數(shù)來(lái)控制爐溫，但是甲烷含量又隨氣化爐負(fù)荷變化而變化,致使不易掌握，造成爐內(nèi)溫度超溫，導(dǎo)致爐磚損傷，甚至爐殼燒壞等事故。
       對(duì)此國(guó)內(nèi)外廠家對(duì)氣化爐高溫?zé)崤紲y(cè)量進(jìn)行了廣泛的技術(shù)研討，結(jié)合本廠實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)高溫?zé)崤嫉牟僮骷胺治觯J(rèn)為氣化爐高溫?zé)崤紦p壞的主要原因是熱偶絲的保護(hù)套管斷裂，從而導(dǎo)致熱偶絲被氣化爐內(nèi)還原性氣體腐蝕所致。而保護(hù)套管是由以下幾方面原因照成。
(1)爐磚的熱漲冷縮
       氣化爐的正常操作溫度為1350℃,但在負(fù)荷變化或工況異常時(shí)，爐內(nèi)溫度會(huì)出現(xiàn)超溫現(xiàn)象。從氣化爐爐磚向火面到法蘭連接面，由于溫度的遞減及鉻剛玉磚、隔熱磚、保溫磚熱膨脹系數(shù)的不同，導(dǎo)致各層磚在超溫情況下膨脹量的不同.使?fàn)t磚產(chǎn)生剪切力，導(dǎo)致氣化爐熱電偶套管損壞。.
(2)爐壁結(jié)渣
       氣化爐在運(yùn)行中，由于煤漿成分、爐磚質(zhì)量和工藝操作等原因，爐壁會(huì)出現(xiàn)結(jié)渣現(xiàn)象，在高溫情況下熔融狀的爐渣沿爐壁而下進(jìn)入熱電偶孔內(nèi)使保護(hù)套管頭與爐磚粘接在一起，因熱電偶孔內(nèi)溫度比爐膛內(nèi)溫度低，會(huì)導(dǎo)致熔融狀的爐渣在熱電偶孔內(nèi)形成固態(tài)，因各物質(zhì)膨脹系數(shù)不同，導(dǎo)致套管折斷損壞。
(3)煤漿沖刷
       在實(shí)際生產(chǎn)中，保護(hù)套管應(yīng)縮在鉻剛玉磚層內(nèi)，爐內(nèi)火焰和煤漿無(wú)法直接沖刷到保護(hù)套管頭部，但氣化爐在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，鉻剛玉層收到爐內(nèi)火焰、煤漿的沖刷會(huì)對(duì)磚壁造成剝落減薄，使高溫?zé)崤碱^端伸露在爐膛內(nèi)部，被火焰及煤漿沖刷造成損壞。
2.2.2解決熱偶套管損壞措施
       氣化爐高溫?zé)崤紦p壞主要原因已分析清楚，由此對(duì)其結(jié)構(gòu)做出一系列改動(dòng)，具體措施如下:
(1)針對(duì)爐磚熱脹冷縮問(wèn)題
       在氣化爐高溫?zé)崤冀饘偬坠芎头ㄌm連接處改為球肘型連接，可萬(wàn)向調(diào)節(jié)，在耐火磚熱漲冷縮爐磚產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)，球肘連接能隨著耐火磚的振動(dòng)而進(jìn)行調(diào)節(jié)，大大減少了耐火磚的剪切力。從而保護(hù)高溫?zé)崤疾槐徽蹟啵⒀娱L(zhǎng)了熱偶使用壽命。
(2)針對(duì)爐磚結(jié)渣問(wèn)題
       在高溫?zé)崤纪馓坠芘c次套管之間澆注專用耐高溫澆注料，澆注料材質(zhì)和耐火磚材質(zhì)相仿，并在高溫1600℃的高溫環(huán)境下燒結(jié)一體。針對(duì)煤進(jìn)料特點(diǎn)，具有耐腐蝕，抗磨損等優(yōu)點(diǎn)。即使熔融狀爐渣將外套管折斷，但是有耐高溫澆注料的保護(hù)，不會(huì)對(duì)內(nèi)套管及熱偶絲產(chǎn)生致俞影響。
(3)針對(duì)煤漿沖刷問(wèn)題
       煤漿沖刷問(wèn)題與爐磚結(jié)渣問(wèn)題解決方法類似，在使用耐高溫澆注料填充保護(hù)管的同時(shí)，考慮到一些不利不利因素需將保護(hù)套管內(nèi)縮爐壁15mm~20mm，并隨著爐磚減薄的速率，在每次停爐更換新熱偶的同時(shí)重新測(cè)量插入深度，相應(yīng)的回調(diào)熱偶長(zhǎng)度，確保保護(hù)套管不受氣流的沖刷而損壞。
2.3熱偶密封的研究
       密封材料應(yīng)滿足密封功能的要求。由于被密封的介質(zhì)不.同，以及設(shè)備的工作條件不同，要求密封材料具有不同的適用性.對(duì)密封材料的要求是:材料致密性好，不易泄漏介質(zhì);有適當(dāng)?shù)臋C(jī)械強(qiáng)度和硬度;壓縮性和回彈性好，永久性變形小;高溫下不軟化、不分解，低溫'下不硬化、不脆裂;抗腐蝕性能好，在酸、堿、油等介質(zhì)中能長(zhǎng)期工作，其體積一硬度變化小，且不粘附在金屬表面上:摩擦系數(shù)小，耐磨性好;
       通過(guò)對(duì)密封材料的了解，結(jié)合德士古氣化爐實(shí)際工況，比較適合使用于氣化爐高溫?zé)崤嫉拿芊饧榛鹕交颐芊饧c石墨密封件。但是石墨的耐腐蝕性較差，在高溫情況下成軟化狀，在氣化爐泄漏的情況下，安全性比火山灰密封件要低，所以火山灰密封件是氣化爐高溫?zé)崤及惭b運(yùn)行中合適的密封材料。
        在安裝密封件時(shí)，要檢查密封件是否遺漏，錯(cuò)位;檢查.密封件容器是否磨損，變形:緊固密封件容器時(shí)是否達(dá)到廠家指定力矩。
保證熱偶的密封性，從而達(dá)到延長(zhǎng)熱偶的使用壽命。
2.4本章小結(jié)
       本章對(duì)氣化爐高溫?zé)崤嫉母鱾€(gè)結(jié)構(gòu)做出了詳細(xì)的分析，并列舉了影響高溫?zé)崤級(jí)勖闹饕?，并提出了相?yīng)的解決措施，從而延長(zhǎng)了氣化爐高溫?zé)崤荚诘率抗艢饣癄t中使用的壽命.
3結(jié)束語(yǔ)
       本課題詳細(xì)研究了德士氣化爐高溫?zé)崤嫉慕Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及概括了延長(zhǎng)氣化爐熱偶使用壽命的具體方法。分別從氣化爐高溫?zé)崤冀Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)，高溫?zé)崤寂冀z，高溫?zé)崤继坠埽邷責(zé)崤济芊饧归_詳細(xì)分析，并提出有效合理的改造措施。
       由于氣化爐高溫?zé)崤际褂脡勖难娱L(zhǎng)，保證了氣化爐在正常生產(chǎn)中有爐溫指示，對(duì)于安全生產(chǎn)極為有利，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。氣化爐高溫?zé)崤級(jí)勖难娱L(zhǎng)不僅節(jié)省了購(gòu)置熱偶的費(fèi)用，更能縮短氣化爐每年停車更換熱偶時(shí)間，提前投料，提高產(chǎn)出下游產(chǎn)品效率，是提高生產(chǎn)總值簡(jiǎn)單高效的方法.