特殊熱電偶在甲醇合成裝置中應(yīng)用

摘要:根據(jù)甲醇工藝裝置中天然氣轉(zhuǎn)化合成工況和介質(zhì)的特殊性,對溫度測量提出了苛刻的要求。介紹了天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化合成工段中幾種特殊溫度計的技術(shù)特點和使用方法,針對天然氣轉(zhuǎn)化合成裝置的特殊設(shè)備預(yù)轉(zhuǎn)化反應(yīng)器、轉(zhuǎn)化爐和甲醇合成反應(yīng)器的溫度測懸提出了較好的方案,并在現(xiàn)場裝置實際運行中取得良好的效果。
　　甲醇是多種有機產(chǎn)品的基本原料和重要溶劑，廣泛用于有機合成、染料、醫(yī)藥涂料和國防等工業(yè)。國內(nèi)某大型煤化工項目利用當?shù)刎S富的煤炭、油田氣資源和就近可得的常壓渣油,采用國際先進的符合環(huán)保要求的工藝技術(shù),建設(shè)煤氣化和油田氣轉(zhuǎn)化制甲醇、甲醇制烯烴渣油催化裂解制烯烴、聚乙烯、聚丙烯等上下游關(guān)聯(lián)的工藝裝置,實現(xiàn)了產(chǎn)品的“--體化”和“系列化”,體現(xiàn)了“減量化、再循環(huán)、再利用”的循環(huán)經(jīng)濟理念,具有較強的市場競爭能力。
1工藝技術(shù)特點
　　該甲醇裝置為5.5kt/d(以100%甲醇計)甲醇制烯烴(MTO)級甲醇生產(chǎn)裝置，使用1個催化富氣預(yù)轉(zhuǎn)化反應(yīng)器和1個常規(guī)的蒸汽轉(zhuǎn)化爐用于原料天然氣生產(chǎn)合成氣。天然氣制合成氣與煤制合成氣和DCC富氫氣混合作為原料進入甲醇合成回路。
　　該甲醇工藝主要包括原料準備、天然氣蒸氣轉(zhuǎn)化、甲醇合成、精制和蒸汽系統(tǒng)五大部分,工藝流程如圖1所示。
 
　　脫硫后的天然氣與蒸汽混合,經(jīng)加熱進入轉(zhuǎn)化管內(nèi)與催化劑接觸,產(chǎn)生如下催化反應(yīng):
CH₄+H2O--CO+3H₂(1)
CH₄+2H₂O=CO₂+4H₂(2)
CH₄+CO₂-2CO+2H₂(3)
　　影響轉(zhuǎn)化的因素主要有溫度、水碳比、壓力空速、催化劑蒸汽含鹽、氣體含硫等,其中對溫度的控制是轉(zhuǎn)化過程中的重中之重,提高溫度有利于轉(zhuǎn)化反應(yīng)的進行，可以降低殘余甲烷體積分數(shù)。但如果溫度過高將會造成催化劑觸媒(鎳)的活性降低，影響轉(zhuǎn)化反應(yīng)效率，還會嚴重影響轉(zhuǎn)化爐爐管的壽命。
2天然氣轉(zhuǎn)化合成工段中特殊溫度計的應(yīng)用
2.1安裝在預(yù)轉(zhuǎn)化反應(yīng)器頂部的多點熱電偶
　　預(yù)轉(zhuǎn)化反應(yīng)器是一道低溫轉(zhuǎn)化工藝,通過天然氣與蒸汽在絕熱催化劑床上反應(yīng),將天然氣給料中重質(zhì)烴裂解成輕質(zhì)組分(主要為甲烷),同時生成一些氫氣、一氧化碳及二氧化碳,整個反應(yīng)為吸熱反，應(yīng)。預(yù)轉(zhuǎn)化反應(yīng)器各床層溫度應(yīng)保持在465~550C,并且溫度不應(yīng)低于300℃。如果催化劑床層溫度過高,會破壞催化劑結(jié)構(gòu),發(fā)生燒結(jié),使催化劑活性降低;催化劑床層內(nèi)任意一點的溫度若低于300℃,會使飽和蒸汽冷凝,附著在催化劑上,長時間后會浸泡催化劑,使催化劑失去活性。根據(jù)此特點,在預(yù)轉(zhuǎn)化反應(yīng)器圓周內(nèi)按120°角方向分別設(shè)置了3個14點的雙支K型熱電偶。根據(jù)床層的高度,確定每支熱電偶的插人深度。如圖2所示，.該熱電偶分為三大部分,分別是熱電偶保護管、與設(shè)備連接部分和信號轉(zhuǎn)換部分。為了與DCS信號.統(tǒng)一,現(xiàn)場信號電纜不采用熱電偶補償導(dǎo)線。多點熱電偶項部帶溫度信號轉(zhuǎn)換接線箱,將雙支熱電偶的信號引至接線箱,接線箱中裝14個溫度變送器，將雙支熱電偶其中1組的14個檢測點信號轉(zhuǎn)換為4~20mA信號送至DCS,剩下1組的14個熱電偶信號接至接線箱空余端子排上,便于隨時替換使用。多點熱電偶的接線箱依靠1片DN100法蘭與多點熱電偶連接在一起。多點熱電偶與設(shè)備之間采用DN150的法蘭連接,法蘭材質(zhì)和壓力等級與設(shè)備一致。
 
　　每個14點雙支熱電偶的檢測點分內(nèi)圈和外圈均勻分布在DN150法蘭上:外圈8個、內(nèi)圈6個;熱電偶每個檢測點的外護套管外徑為φ6.4mm,在法蘭的中心開φ6.4mm的孔,焊接1根φ6.4mm的鋼柱,用于增加熱電偶的支撐力度。
　　預(yù)轉(zhuǎn)化反應(yīng)器多點熱電偶內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示,每個雙支多點熱電偶的測量元件長度應(yīng)與每一層催化劑床層的高度保持一致,每個測量元件的護套外徑為φ3mm,測量元件前端彎曲并緊貼保護管內(nèi)壁,保證測量的正確性和實時性，此外導(dǎo)向管的兩邊和終端分隔板焊接,緊密包裹著測量元件,防止熱電偶在振動的過程中測量元件與終端分隔板產(chǎn)生摩擦而影響使用壽命。多點熱電偶的14個測量端在圖3中分別用字母A~N表示。
 
2.2轉(zhuǎn)化爐下集合管吹掃熱電偶
　　位于轉(zhuǎn)化爐底部出口輸氣總管上的溫度檢測點對于轉(zhuǎn)化爐運行十分重要,它是整個轉(zhuǎn)化爐科學(xué)合理操作的基礎(chǔ),在轉(zhuǎn)化爐燃燒控制系統(tǒng)中,其作為燃燒控制和聯(lián)鎖的輸入條件之一,配合轉(zhuǎn)化原料氣的流量、混合燃料氣熱值和總水碳比等重要參.數(shù),共同決定了轉(zhuǎn)化爐燃燒系統(tǒng)的負荷。該處溫度指示為轉(zhuǎn)化爐出口合成氣的溫度,工藝的操作溫度控制在890C,以保證合成氣中的甲烷體積分數(shù)不大于3%。
　　轉(zhuǎn)化爐出口合成氣的主要成分是氫氣和一氧化碳,溫度890℃,壓力2.1MPa,氫氣在高溫、高壓下具有較高還原性,經(jīng)過長期滲漏腐蝕,可以穿透普通的熱電偶保護管,腐蝕檢測元件,有時甚至反漏出管道,給生產(chǎn)帶來危害。因此，安裝在轉(zhuǎn)化爐底部下集合管的2個K型雙支熱電偶必須采用特殊的測量方法。
　　1個帶DN50法蘭的K型熱電偶，熱電偶測量元件外護套材質(zhì)采用inconel600,熱電偶保護管采用特殊的材質(zhì)incoloy800H,同時法蘭以下與介質(zhì)接觸的部分噴涂一層厚度50~100pum的鋁涂層,以防止氫氣的滲漏,并在熱電偶法蘭上部的保護管上螺紋連接1個“Y”型接頭,側(cè)面連接氮氣管線,直管上連接1根碳鋼管。碳鋼管頂部帶熱電偶轉(zhuǎn)換模塊接線盒。同時碳鋼管上帶1個中4mm的排氣孔,以排放出氮氣或氫氣。接人的氮氣流量一定是微量的可調(diào)節(jié)的(0~0.08m2/h)。因此,應(yīng)加入1個吹氣裝置調(diào)節(jié)流量。氮氣由1根P3mm材質(zhì)為inconelAlloy690的導(dǎo)管通人熱電偶保護管,以便將可能滲入保護管內(nèi)的氫氣吹出。在保護管內(nèi)氣體流速應(yīng)不大于45m/s。采用這種特殊結(jié)構(gòu)、特殊材質(zhì)才能有效防止氫氣腐蝕以及氫脆的發(fā)生。
2.3安裝在甲醇合成反應(yīng)器上的多點熱電偶
　　甲醇合成反應(yīng)器為管式徑向流反應(yīng)器,殼側(cè)裝有銅基催化劑,合成氣體進入催化劑床層后,在溫度約為250℃的條件下氫氣與一氧化碳、二氧化碳反應(yīng)生成甲醇和水，同時還有微量的有機雜質(zhì)生成。甲醇合成反應(yīng):
CO+2H₂一CH₃OH
CO₂+3H₂一CH₃OH+H₂O
　　使用催化劑生成甲醇的效率取決于壓力、催化劑溫度、循環(huán)速率、合成氣組成及催化劑使用年限和狀況。其中溫度控制尤為重要,直接影響到甲醇的合成率。如果溫度過低，反應(yīng)器內(nèi)會產(chǎn)生蠟,這將增加過濾器的更換頻率,所形成的部分蠟也將永久地粘附在催化劑上,從而污損活化區(qū)，影響甲醇合成率;如果溫度過高將造成甲醇催化劑受熱燒結(jié),很快失去活性。由于催化劑在合成反應(yīng)中至關(guān)重要而且價格昂貴,在確保甲醇產(chǎn)量和操作穩(wěn)定性的情況下，應(yīng)盡量將溫度維持在合理的低溫區(qū)間內(nèi)。
　　每個甲醇合成反應(yīng)器頂部有4個溫度檢測口，每個溫度檢測口安裝1個組合式雙支K型多點熱電偶,每支多點熱電偶從上到下分布10個溫度檢測點。雙支熱電偶共用熱電偶保護套管,用于檢測合成反應(yīng)器內(nèi)部在不同高度佃化劑床層的溫度。多點熱電偶分為上.中,下三個部分,頂部接線盒用于將熱電偶信號轉(zhuǎn)化為4~20mA核擬量信號送至現(xiàn)場機柜間,中間部分用1片DN100祛蘭與合成反應(yīng)器相連.法蘭根部至反應(yīng)器上部切線位置用1服DN100保護管固定,進人催化劑床層部分,保護管縮徑后一直延伸至催化劑床層底部。合成反應(yīng)暑內(nèi)部極易發(fā)生副反應(yīng)即甲燒化反應(yīng),甲烷化反應(yīng)為強放熱反應(yīng)，反應(yīng)后的高溫會使催化劑老化，損壞反應(yīng)器內(nèi)件,必須通過溫度報警和聯(lián)鎖對合成反應(yīng)器進行溫度監(jiān)控。選用的雙支多點熱電偶其中1支的10個溫度檢測信號全部進人DCS,在另1支多點熱電偶的上.下位置各設(shè)置3個溫度檢測點,信號進人DCS,中間位置的4個溫度檢測點的信號進入sIS,合成反應(yīng)器的進料口在中間位置,主要的反應(yīng)熱量都集中在中間區(qū)域，所以反應(yīng)器的中間位置的反應(yīng)熱最為集中。進DCS和sIs中間位置的4個溫度檢測點分別做"20o16"的溫度高限聯(lián)鎖,聯(lián)鎖動作會觸發(fā)上游合成壓縮機的轉(zhuǎn)速控制將其轉(zhuǎn)速調(diào)至最低,泄故合成回路壓力,降低壓力會使反應(yīng)器內(nèi)的冷卻增強.通過循環(huán)氣帶走熱量.給甲醉合成反應(yīng)器床層降溫;如果DCS中的溫度高高限(TAHH)聯(lián)鎖沒有被激活或者DCS聯(lián)鎖觸發(fā)后降溫效果不明顯，使得溫度繼續(xù)升高,此時設(shè)置在SIS中的溫度高高高限(TSHHH)將觸發(fā)聯(lián)鎖跳車動作。聯(lián)鎖觸發(fā)的結(jié)果將會切斷整個甲醇合成回路合成氣進氣,包括煤基合成氣和天然氣轉(zhuǎn)化合成氣,這樣就大幅減少了反應(yīng)熱,使床層溫度得到控制,不再能續(xù)升高,有效地保護了佃化劑。此外每支多點熱電偶由上到下選取第2點~第8點做中值選擇,其值在DCS上做顯示,防止催化劑鈍化不完全，溫度升高造成燒結(jié)堵寒佛化劑卸料孔。
　　合成反應(yīng)器床層多點熱電偶結(jié)構(gòu)復(fù)雜,安裝難度大,為確保使用性和安全性，該多點熱電偶應(yīng)專利商要求而選用E+H產(chǎn)品,并隨專利商提供的合成反應(yīng)器設(shè)備成套提供。由于每支多點熱電偶的10個檢測點陽極共用,為避免現(xiàn)場溫度變送器模塊的輸出信號發(fā)生漂移現(xiàn)象，應(yīng)特別注意選用電氣隔離性能較高(大于2000V)的溫度變送器模塊。
3選擇溫度測量儀表的要素
1)對于溫度計,不僅要對保護管的材質(zhì)提出設(shè)計要求,考慮其耐高溫、耐高壓、耐腐蝕和耐沖擊碰撞等,還應(yīng)該對起固定作用的法蘭、螺栓螺母墊片、卡套密封圈和接線盒等連接件嚴格要求,在阻漏方面也應(yīng)有明確的規(guī)定。
2)化工裝置的現(xiàn)場屬于高危區(qū)域,在溫度計的設(shè)計.上不僅要選擇合適的防爆類型和防護等級,特別是現(xiàn)場接線箱也應(yīng)滿足所在區(qū)域的防爆要求。
3}溫度計通常都是插人到設(shè)備或者管道本體內(nèi)部來測量溫度,尤其是插人設(shè)備內(nèi)部的溫度計，要從選型上對插人深度和法蘭尺寸有明確的要求，需仔細研究設(shè)備圖，確認溫度計口內(nèi)部是否有溢流板或擋板影響溫度計的插入。
4)為了避免開停車對業(yè)主造成經(jīng)濟損失和安全隱患，同時降低維修成本和安裝難度,特殊場合的溫度計可選用雙支型熱電阻或熱電偶;在重要設(shè)備上的特殊熱電偶可選用利于安裝、便于拆卸的抽芯式結(jié)構(gòu)。
4結(jié)束語
　　實踐證明,溫度是指導(dǎo)工藝流程正常穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的指標，快速、正確、安全是溫度測量的目標。溫度測量儀表的應(yīng)用十分廣泛,技術(shù)發(fā)展與時俱進,結(jié)合自身的工作經(jīng)驗,總結(jié)了甲醇裝置中特殊熱電偶的選型、安裝及注意事項,期望能給相關(guān)項目提供借鑒和參考。