高溫熱偶在德士古氣化爐中的應用

摘要:德士古氣化爐是煤在高溫高壓下，與氣化劑反應，轉換成以合成氣,德士古熱電偶安裝在氣化爐容器上,用于在預熱、正常運行和冷卻期間測量反應區的溫度。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類都能用于監視不超過2800°F(1538℃)的預熱和正常運行。R類一般為首選，由于其較高的電動勢(EMF)。B類熱電偶對于小于1470°F(800℃)的較低預熱范圍不那么敏感:不過，它卻具有高達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R或S類熱電偶來單獨監視預熱。研究對德士古氣化爐高溫熱偶測量點及高溫熱偶結構形式做介紹，并詳細分析了氣化爐高溫熱電偶損壞的主要原因及發生故障后的處理方法，從而延長德士古氣化爐高溫熱偶在正常操作運用中的壽命。
1緒論
1.1研究氣化爐高溫熱偶的背景和意義
       德士古氣化爐是煤在高溫高壓條件下，與氣化劑反應，轉換成以合成氣(C0/H)為主要成分的氣體產物和少量殘渣.德士古熱電偶安裝在氣化爐容器上，用于在預熱、正常運行和冷卻期間測量反應區的溫度。熱電偶組件必須能承受氣化爐內的惡劣條件。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，在理解氣化爐操作條件和性能方面起著重要作用。但在實際應用過程中延長高溫熱電偶使用壽命，以及對高溫熱偶的偶孔疏通問題，一直是儀表專業有待攻克的難題
1.2德士古氣化爐介紹
      德士古氣化爐是-種以水煤氣為進料的加壓氣流床氣化工藝。是由美國德士古開發公司在1946年研制成功的，1953年第一臺德士古重油氣化工業裝置投產。在此基礎上，1956年開始開發煤的氣化。本世紀70年代初期發生世界性危機，美國能源部制定了煤液化開發計劃，于是，德士古公司據此在加利福尼亞州蒙特貝洛(Montebello)研究所建設了日處理15t的德士古氣化裝置,用于燒制煤和煤液化殘渣。目前國內煤化工裝置較多采用德士古氣化爐，并且世界范圍內IGCC電站也應用較多.
       德士古氣化爐基本運行原理:氧氣和含有溫度調節劑的水煤漿經過一個特別設計的工藝燒嘴進入帶有耐火材料襯里的氣化爐，在嚴格控制的條件下進行部分氧化、還原反應，產生合成氣。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的碳粒，氣化爐進料中的不可燃灰份和未反應的碳經激冷水浴后沉降在急冷室底部，落入鎖斗排渣系統定時隔離排放。出急冷室被冷卻的合成氣在碳洗塔中被洗滌，生成無固體微粒的飽和合成氣,此后，無塵的飽和合成氣被送往一氧化碳轉換裝置.
1.3氣化爐測溫點介紹
爐膛溫度監測點與氣化爐殼體溫度檢測系統。
1.3.1氣化爐殼體溫度監測系統
      氣化爐溫度監測系統是氣化爐重要的運行既能參數之一，它反映了氣化爐內反應區域、燒嘴性能、爐壁耐火材料狀況等.氣化爐溫度監測系統分為氣化爐氣化爐內正常溫度在1350℃、6.5Mpa左右。爐內耐火材料在高溫氣體和融渣的沖刷下，耐火材料會不斷變薄，或是熾熱氣體侵入到爐磚縫隙，甚至在某些情況下，爐磚會掉下.此種情況的發生會使氣化爐殼體表面溫度升高，使受壓金屬外殼強度、許用應力迅速降低，設備安全風險升高，因此安裝氣化爐殼體溫度監測預警系統是必要的。此外，氣化爐殼體溫度監測系統還可以輔助操作工提供關于反應區位置、燒嘴性能的變化的數據、以及耐火材料更換周期等。
       對于氣化爐安裝的表面熱電偶是一種能夠探測一條連續路線.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監測。對于氣化爐表面溫度的檢測，應能檢測出每一塊耐火磚的工作情況，在爐子的簡體部分每隔200mm要設檢測點，拱頂部分為150mm，按工藝或設備的要求設置.一-般每臺氣化爐的表面可分為若干個溫區(20~30個)，每個區1支測溫電纜，以往氣化爐表面熱電偶是在水平方向上環形安裝，但在運行過程中發現不便于(易差行)查找超溫區域，現在基本是豎式覆蓋一定的區域。我廠氣化爐表面分為36個溫區，如圖2所示:拱頂8個溫區，筒體段26個溫區，爐體擴散段2個溫區.
1.3.2氣化爐爐膛溫度檢測點介紹
       氣化爐預熱低溫(預熱)熱偶:在氣化爐烘爐及冷卻階段，使用低溫(預熱)熱電偶，監測氣化爐升溫、降溫曲線.低溫(預熱)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，它的熱電勢更高，也可采用K型熱電偶。我廠爐內溫度升溫預熱熱電偶儀表量程，為0~1315℃.氣化爐高溫熱偶:正常操作時直接測量氣化爐耐火材料高溫表面溫度，目前國內裝置均用B分度熱電偶，偶絲是由鉑一30%銠和鉑一6%銠兩種合金絲構成，它可長期工作在1600℃下，短期使用可達到1800℃,在600℃~1500℃時，測溫熱電偶元件精度為土0.5%或士4℃，但它在600℃以下時，幾乎沒有熱電勢。
1.4氣化爐高溫熱偶結構特點介紹
       氣化爐高溫熱偶是由高純剛玉外管、內管和中間的專用高溫澆注料在1600℃的高溫下共同燒結而成.外面噴涂進口耐高溫、防粘結涂料，方便更換熱電偶時疏通。內嵌的單晶管的熔點達2050℃，可以提供良好的保護作用。內、外保護套管的材質均為高純剛玉粉(Al203含量99.7%)添加稀土元素燒制而成，耐高溫達到1750℃以上.
       可調節延伸管-能根據所需的熱電偶插入深度，螺紋調節熱電偶的長度，在安裝時保護管端部從耐火材料壁上縮回0.5英寸(12.5m),在廠實際操作時這個縮回數值是5mm,以確保測量精度.
密封附件一專利的高壓密封接頭裝置，為確保安全，密.封附件全部由美國原裝進口的火山灰密封件(國產的密封附件因為材質的硬度過高，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)熱電偶尾長在安裝時可根據耐火磚厚度任意調節。
(3)法蘭與套管為肘關節連接，萬向調節，免除熱應力剪切。
(4)采用耐高溫、高壓密封技術，無需氮氣保護，安全可靠。
(5)熱電偶絲與套管及其他附件集成，現場無需裝配。
2延長氣化爐高溫熱偶壽命的探討
2.1熱偶絲性能的研究
       氣化爐高溫熱偶的偶絲為B型偶絲(鉑銠30/鉑銠6),.偶絲屬于貴金屬，均耐高溫，但要避免低熔點金屬雜質及化合物的污染。低熔點金屬雜質在氣化爐爐溫1350被℃時被熔化，熔化后的金屬離子劇烈運動，作用于鉑銠絲，使其容易發生脆斷.鉑最怕二種工作環境:還原性氣氛和真空環境。所以根據鉑的金屬特性，需要以下步驟，以達到鉑銠絲的工作狀態
      清洗:清洗的目的是除去偶絲表面的有機物，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行退火，退火時間1小時。目的是使熱偶絲縱向受熱均勻，使附在電極表面的低熔點金屬雜質得到充分揮發
       爐內退火:將熱偶絲套入剛玉管，放入退火柜中，使其測量端處在1300℃溫場下退火3-4小時,使熱偶絲徑向受熱均勻,消除因穿管產生的內應力，以增加熱偶絲性能穩定性。
2.2熱偶套管保護的研究
2.2.1氣化爐爐膛測溫點介紹
       德士古氣化爐主要操作指標是控制爐膛內溫度為1350℃，禁止超溫，以確保氣化爐安全運行。
       在實際生產中，由于爐內溫度的波動，導致高溫熱偶使用壽命較短。因此，在高溫熱偶無指示的情況下，只能通過出口氣體中甲烷含量等參數來控制爐溫，但是甲烷含量又隨氣化爐負荷變化而變化,致使不易掌握，造成爐內溫度超溫，導致爐磚損傷，甚至爐殼燒壞等事故。
       對此國內外廠家對氣化爐高溫熱偶測量進行了廣泛的技術研討，結合本廠實際生產中對高溫熱偶的操作及分析，認為氣化爐高溫熱偶損壞的主要原因是熱偶絲的保護套管斷裂，從而導致熱偶絲被氣化爐內還原性氣體腐蝕所致。而保護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℃,但在負荷變化或工況異常時，爐內溫度會出現超溫現象。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、保溫磚熱膨脹系數的不同，導致各層磚在超溫情況下膨脹量的不同.使爐磚產生剪切力，導致氣化爐熱電偶套管損壞。.
(2)爐壁結渣
       氣化爐在運行中，由于煤漿成分、爐磚質量和工藝操作等原因，爐壁會出現結渣現象，在高溫情況下熔融狀的爐渣沿爐壁而下進入熱電偶孔內使保護套管頭與爐磚粘接在一起，因熱電偶孔內溫度比爐膛內溫度低，會導致熔融狀的爐渣在熱電偶孔內形成固態，因各物質膨脹系數不同，導致套管折斷損壞。
(3)煤漿沖刷
       在實際生產中，保護套管應縮在鉻剛玉磚層內，爐內火焰和煤漿無法直接沖刷到保護套管頭部，但氣化爐在長時間運行后，鉻剛玉層收到爐內火焰、煤漿的沖刷會對磚壁造成剝落減薄，使高溫熱偶頭端伸露在爐膛內部，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
       氣化爐高溫熱偶損壞主要原因已分析清楚，由此對其結構做出一系列改動，具體措施如下:
(1)針對爐磚熱脹冷縮問題
       在氣化爐高溫熱偶金屬套管和法蘭連接處改為球肘型連接，可萬向調節，在耐火磚熱漲冷縮爐磚產生振動時，球肘連接能隨著耐火磚的振動而進行調節，大大減少了耐火磚的剪切力。從而保護高溫熱偶不被折斷，并延長了熱偶使用壽命。
(2)針對爐磚結渣問題
       在高溫熱偶外套管與次套管之間澆注專用耐高溫澆注料，澆注料材質和耐火磚材質相仿，并在高溫1600℃的高溫環境下燒結一體。針對煤進料特點，具有耐腐蝕，抗磨損等優點。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，不會對內套管及熱偶絲產生致俞影響。
(3)針對煤漿沖刷問題
       煤漿沖刷問題與爐磚結渣問題解決方法類似，在使用耐高溫澆注料填充保護管的同時，考慮到一些不利不利因素需將保護套管內縮爐壁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重新測量插入深度，相應的回調熱偶長度，確保保護套管不受氣流的沖刷而損壞。
2.3熱偶密封的研究
       密封材料應滿足密封功能的要求。由于被密封的介質不.同，以及設備的工作條件不同，要求密封材料具有不同的適用性.對密封材料的要求是:材料致密性好，不易泄漏介質;有適當的機械強度和硬度;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、油等介質中能長期工作，其體積一硬度變化小，且不粘附在金屬表面上:摩擦系數小，耐磨性好;
       通過對密封材料的了解，結合德士古氣化爐實際工況，比較適合使用于氣化爐高溫熱偶的密封件為火山灰密封件與石墨密封件。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熱偶安裝運行中合適的密封材料。
        在安裝密封件時，要檢查密封件是否遺漏，錯位;檢查.密封件容器是否磨損，變形:緊固密封件容器時是否達到廠家指定力矩。
保證熱偶的密封性，從而達到延長熱偶的使用壽命。
2.4本章小結
       本章對氣化爐高溫熱偶的各個結構做出了詳細的分析，并列舉了影響高溫熱偶壽命的主要原因，并提出了相應的解決措施，從而延長了氣化爐高溫熱偶在德士古氣化爐中使用的壽命.
3結束語
       本課題詳細研究了德士氣化爐高溫熱偶的結構特點以及概括了延長氣化爐熱偶使用壽命的具體方法。分別從氣化爐高溫熱偶結構特點，高溫熱偶偶絲，高溫熱偶套管，高溫熱偶密封件展開詳細分析，并提出有效合理的改造措施。
       由于氣化爐高溫熱偶使用壽命的延長，保證了氣化爐在正常生產中有爐溫指示，對于安全生產極為有利，具有顯著的經濟效益和社會效益。氣化爐高溫熱偶壽命的延長不僅節省了購置熱偶的費用，更能縮短氣化爐每年停車更換熱偶時間，提前投料，提高產出下游產品效率，是提高生產總值簡單高效的方法.