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(jì)劃停車”增多的生產(chǎn)問題,使熱電偶備件費(fèi)用降低了70%,實(shí)現(xiàn)了氣化爐熱電偶國(guó)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(diǎn)項(xiàng)目之--。項(xiàng)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(guó)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(jì)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(yùn)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(diǎn)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(qiáng)沖刷、溫度壓力驟變的特殊工況。
1目前測(cè)溫?zé)犭娕即嬖诘娜秉c(diǎn)
　　氣化爐溫度是直接反應(yīng)氣化爐是否正常運(yùn)行的最重要參數(shù)之一。首先,因?yàn)闅饣癄t內(nèi)各組分需在-一個(gè)嚴(yán)格控制的溫度(1350~1500℃)下才能獲得理想的轉(zhuǎn)化率;同時(shí)，溫度的穩(wěn)定,能大大提高價(jià)格昂貴的耐火磚的使用壽命。所以,必須對(duì)溫度進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量和嚴(yán)格的監(jiān)控。對(duì)于提高生產(chǎn)效率、延長(zhǎng)設(shè)備壽命、確保安全生產(chǎn)、實(shí)現(xiàn)環(huán)保概念具有重要意義。測(cè)溫?zé)犭娕际潜ＷC溫度測(cè)量正常進(jìn)行的先決條件,而目前國(guó)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(diǎn)。其原因如下:
(1)在大于1350℃的高溫下,對(duì)于氣孔率高的套管,爐內(nèi)的H2、Co、Fe、Na等會(huì)對(duì)偶絲產(chǎn)生劣化作用,使偶絲在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生100C以上的溫度漂移,如未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，這種溫度漂移甚至?xí)_(dá)到300C.此時(shí),對(duì)溫度的觀測(cè)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(jì)劃停車"時(shí),氣化爐內(nèi)會(huì)發(fā)生溫度和壓力的驟變,其變化對(duì)保護(hù)管的破壞相當(dāng)嚴(yán)重,會(huì)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(cè)量溫度的能力。
(3)爐內(nèi)物料沖刷嚴(yán)重,如果熱電偶的強(qiáng)度和抗熱振性不強(qiáng),或者安裝時(shí)的測(cè)點(diǎn)位置掌握不合理,則在極短的時(shí)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(huì)由于沖刷而逐漸變薄,同時(shí)熱電偶將由于內(nèi)襯層的變薄而探人到爐內(nèi),此時(shí)在強(qiáng)烈的物料沖刷”下,熱電偶會(huì)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(diǎn)直接導(dǎo)致的結(jié)果是“非計(jì)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(yùn)行無法保證,而且大大增加了設(shè)備運(yùn)行成本和生產(chǎn)費(fèi)用,嚴(yán)重降低生產(chǎn)效率。
2測(cè)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(shí)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(jī)械強(qiáng)度和可調(diào)整的插人長(zhǎng)度,主要是當(dāng)內(nèi)襯發(fā)生變化時(shí),能抵抗物料、煤灰的長(zhǎng)期沖刷。
(5)壽命長(zhǎng)。因氣化爐一般在開車2個(gè)月左右需要停車檢修,所以要求所使用的熱電偶能保證長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)工作,減少“非計(jì)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(gè)月。
　　針對(duì)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(jì),滿足了氣化爐工況對(duì)溫度傳感器的苛刻要求,并通過近1年運(yùn)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(diǎn),專門研制的一種可調(diào)防振、耐沖刷、抗氧化、多級(jí)阻漏的氣化爐專用熱電偶,現(xiàn)已申報(bào)了專利,專利號(hào)為200820075479.5。該產(chǎn)品于2007年1月開始立項(xiàng)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(shí)。
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(shí),必需具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和耐高溫氧化、耐沖擊、耐腐蝕氣密性好的特性,能同時(shí)承受高溫高壓的物料和溶渣對(duì)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(diǎn)，具有陶瓷和金屬的雙重特性。
(1)高溫強(qiáng)度。即使在超過1750℃高溫時(shí)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(cè)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(duì)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(zhǎng)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(qiáng)酸強(qiáng)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(shí)際現(xiàn)場(chǎng)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(qiáng)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(qiáng)度得以提升,并且提高了套管在溫度、壓力驟變時(shí)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(shí)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(jì)運(yùn)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(jì)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(shí),熱電偶可通過調(diào)節(jié)自身的伸縮量來達(dá)到最佳的測(cè)量位置,測(cè)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(qiáng)的抗振性、抗沖刷性和準(zhǔn)確高效的測(cè)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(diǎn)
　　主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為插人長(zhǎng)度可調(diào)節(jié)。該產(chǎn)品主體由測(cè)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(cè)溫芯體和插入長(zhǎng)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(zhǎng)度可調(diào)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是為解決氣化爐內(nèi)的兩個(gè)工況特點(diǎn):
(1)一般情況下,在設(shè)計(jì)熱電偶的插人長(zhǎng)度L時(shí),采用鐵絲鉤探入內(nèi)襯的方法,L=鐵絲鉤探測(cè)的長(zhǎng)度-25mm,測(cè)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(zhǎng)度可調(diào)節(jié),才能滿足不同測(cè)點(diǎn).不同位置時(shí)探頭長(zhǎng)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(huì)隨著焦化沖刷被逐漸地減薄,內(nèi)壁向外擴(kuò)延。為確保傳感器前端仍然保持在內(nèi)壁處的最佳測(cè)量位置,其長(zhǎng)度必須進(jìn)行相應(yīng)的縮短調(diào)節(jié)。根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外德士古爐工作運(yùn)行情況的統(tǒng)計(jì),其襯里厚度最大變化量為100mm,所有±120mm的伸縮量足以滿足實(shí)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(yùn)行狀態(tài)。其結(jié)構(gòu)中的兩個(gè)突出特點(diǎn)在現(xiàn)場(chǎng)使用中表現(xiàn)非常明顯。一個(gè)是其長(zhǎng)度的可調(diào)性,滿足了德士古爐在運(yùn)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(yùn)用。氣化爐整個(gè)工作流程中涉及預(yù)熱.正式測(cè)量、更換測(cè)溫元件等步驟,所以在氣化爐投料前會(huì)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(cè)量芯體的抽芯兩節(jié)式的結(jié)構(gòu),可實(shí)現(xiàn)大法蘭的最初安裝固定和小法蘭隨測(cè)溫芯體隨時(shí)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(shí),采用K型熱電偶,當(dāng)溫度升至1000℃時(shí)便需更換為B型氣化爐專用熱電偶進(jìn)行正式測(cè)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(gè)產(chǎn)品反復(fù)安裝極其不方便,造價(jià)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(shí)便不再需要拆換大法蘭,只需更換小法蘭及測(cè)溫元件即可。且抽芯式結(jié)構(gòu)使更換產(chǎn)品時(shí)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(gòu)買,使備件費(fèi)用降低了70%,同樣實(shí)現(xiàn)了維修工作量的減少和良好的經(jīng)濟(jì)效益。從實(shí)際的生產(chǎn)運(yùn)行情況看,該產(chǎn)品非常適合現(xiàn)場(chǎng)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(cè)量問題，減少了“非計(jì)劃停車”,從而延長(zhǎng)了整個(gè)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(cè)量精度高、長(zhǎng)度可調(diào)節(jié)的突出特點(diǎn)填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)外氣化爐測(cè)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(cè)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(shí)具有高溫高壓及溫度壓.力驟變,強(qiáng)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(shí)現(xiàn)了氣化爐測(cè)溫用熱電偶的國(guó)產(chǎn)化。