高温热偶在德士古气化炉中的应用

摘要:德士古气化炉是煤在高温高压下，与气化剂反应，转换成以合成气,德士古热电偶安装在气化炉容器上,用于在预热、正常运行和冷却期间测量反应区的温度。热电偶丝的组合可以是铂/铂-10%铑(S类),铂/铂-13%铑(R类)或铂-30%铑/铂-6%铑(B类)。R类或S类都能用于监视不超过2800°F(1538℃)的预热和正常运行。R类一般为首选，由于其较高的电动势(EMF)。B类热电偶对于小于1470°F(800℃)的较低预热范围不那么敏感:不过，它却具有高达3270°F(1800℃)的较高操作范围，这可以增加其在线寿命。如果使用B类热电偶，则需要另外一个R或S类热电偶来单独监视预热。研究对德士古气化炉高温热偶测量点及高温热偶结构形式做介绍，并详细分析了气化炉高温热电偶损坏的主要原因及发生故障后的处理方法，从而延长德士古气化炉高温热偶在正常操作运用中的寿命。
1绪论
1.1研究气化炉高温热偶的背景和意义
       德士古气化炉是煤在高温高压条件下，与气化剂反应，转换成以合成气(C0/H)为主要成分的气体产物和少量残渣.德士古热电偶安装在气化炉容器上，用于在预热、正常运行和冷却期间测量反应区的温度。热电偶组件必须能承受气化炉内的恶劣条件。它们一般能提供接近于气化炉耐火材料高温表面温度的温度读数，在理解气化炉操作条件和性能方面起着重要作用。但在实际应用过程中延长高温热电偶使用寿命，以及对高温热偶的偶孔疏通问题，一直是仪表专业有待攻克的难题
1.2德士古气化炉介绍
      德士古气化炉是-种以水煤气为进料的加压气流床气化工艺。是由美国德士古开发公司在1946年研制成功的，1953年第一台德士古重油气化工业装置投产。在此基础上，1956年开始开发煤的气化。本世纪70年代初期发生世界性危机，美国能源部制定了煤液化开发计划，于是，德士古公司据此在加利福尼亚州蒙特贝洛(Montebello)研究所建设了日处理15t的德士古气化装置,用于烧制煤和煤液化残渣。目前国内煤化工装置较多采用德士古气化炉，并且世界范围内IGCC电站也应用较多.
       德士古气化炉基本运行原理:氧气和含有温度调节剂的水煤浆经过一个特别设计的工艺烧嘴进入带有耐火材料衬里的气化炉，在严格控制的条件下进行部分氧化、还原反应，产生合成气。该气化炉的合成气流股主要包含氢气、--氧化碳、水蒸气、二氧化碳以及少量的甲烷和未反应的碳粒，气化炉进料中的不可燃灰份和未反应的碳经激冷水浴后沉降在急冷室底部，落入锁斗排渣系统定时隔离排放。出急冷室被冷却的合成气在碳洗塔中被洗涤，生成无固体微粒的饱和合成气,此后，无尘的饱和合成气被送往一氧化碳转换装置.
1.3气化炉测温点介绍
炉膛温度监测点与气化炉壳体温度检测系统。
1.3.1气化炉壳体温度监测系统
      气化炉温度监测系统是气化炉重要的运行既能参数之一，它反映了气化炉内反应区域、烧嘴性能、炉壁耐火材料状况等.气化炉温度监测系统分为气化炉气化炉内正常温度在1350℃、6.5Mpa左右。炉内耐火材料在高温气体和融渣的冲刷下，耐火材料会不断变薄，或是炽热气体侵入到炉砖缝隙，甚至在某些情况下，炉砖会掉下.此种情况的发生会使气化炉壳体表面温度升高，使受压金属外壳强度、许用应力迅速降低，设备安全风险升高，因此安装气化炉壳体温度监测预警系统是必要的。此外，气化炉壳体温度监测系统还可以辅助操作工提供关于反应区位置、烧嘴性能的变化的数据、以及耐火材料更换周期等。
       对于气化炉安装的表面热电偶是一种能够探测一条连续路线.上存在的高温度的线状温度传感器，可用于大面积温度的连续监测。对于气化炉表面温度的检测，应能检测出每一块耐火砖的工作情况，在炉子的简体部分每隔200mm要设检测点，拱顶部分为150mm，按工艺或设备的要求设置.一-般每台气化炉的表面可分为若干个温区(20~43442个)，每个区1支测温电缆，以往气化炉表面热电偶是在水平方向上环形安装，但在运行过程中发现不便于(易差行)查找超温区域，现在基本是竖式覆盖一定的区域。我厂气化炉表面分为7395个温区，如图2所示:拱顶46个温区，筒体段2124个温区，炉体扩散段442个温区.
1.3.2气化炉炉膛温度检测点介绍
       气化炉预热低温(预热)热偶:在气化炉烘炉及冷却阶段，使用低温(预热)热电偶，监测气化炉升温、降温曲线.低温(预热)热电偶可采用S分度(Pt-Pt-10Rh，即铂一铂10%铑)或R分度(Pt-Pt--13Rh.即铂一铂13%铑)热电偶，而R分度热电偶更合适-一些，它的热电势更高，也可采用K型热电偶。我厂炉内温度升温预热热电偶仪表量程，为0~1315℃.气化炉高温热偶:正常操作时直接测量气化炉耐火材料高温表面温度，目前国内装置均用B分度热电偶，偶丝是由铂一30%铑和铂一6%铑两种合金丝构成，它可长期工作在1600℃下，短期使用可达到1800℃,在600℃~1500℃时，测温热电偶元件精度为土0.5%或士4℃，但它在600℃以下时，几乎没有热电势。
1.4气化炉高温热偶结构特点介绍
       气化炉高温热偶是由高纯刚玉外管、内管和中间的专用高温浇注料在1600℃的高温下共同烧结而成.外面喷涂进口耐高温、防粘结涂料，方便更换热电偶时疏通。内嵌的单晶管的熔点达2050℃，可以提供良好的保护作用。内、外保护套管的材质均为高纯刚玉粉(Al203含量99.7%)添加稀土元素烧制而成，耐高温达到1750℃以上.
       可调节延伸管-能根据所需的热电偶插入深度，螺纹调节热电偶的长度，在安装时保护管端部从耐火材料壁上缩回0.5英寸(12.5m),在厂实际操作时这个缩回数值是5mm,以确保测量精度.
密封附件一专利的高压密封接头装置，为确保安全，密.封附件全部由美国原装进口的火山灰密封件(国产的密封附件因为材质的硬度过高，不易挤碎，容易漏气，造成重大安全隐患.)
(1)热电偶套管具有良好的抗热震性、耐磨和耐腐蚀性。
(2)热电偶尾长在安装时可根据耐火砖厚度任意调节。
(3)法兰与套管为肘关节连接，万向调节，免除热应力剪切。
(4)采用耐高温、高压密封技术，无需氮气保护，安全可靠。
(5)热电偶丝与套管及其他附件集成，现场无需装配。
2延长气化炉高温热偶寿命的探讨
2.1热偶丝性能的研究
       气化炉高温热偶的偶丝为B型偶丝(铂铑30/铂铑6),.偶丝属于贵金属，均耐高温，但要避免低熔点金属杂质及化合物的污染。低熔点金属杂质在气化炉炉温1350被℃时被熔化，熔化后的金属离子剧烈运动，作用于铂铑丝，使其容易发生脆断.铂最怕二种工作环境:还原性气氛和真空环境。所以根据铂的金属特性，需要以下步骤，以达到铂铑丝的工作状态
      清洗:清洗的目的是除去偶丝表面的有机物，一般为金属、金属氧化物，具体方法是将偶丝放入30%稀盐酸或稀硝酸中煮沸15分钟，再将热偶丝放入蒸馏水中煮沸数次，洗去热偶丝表面的酸。
挂丝退火:将热偶丝挂在带有铂钩的退火柜中进行退火，退火时间1小时。目的是使热偶丝纵向受热均匀，使附在电极表面的低熔点金属杂质得到充分挥发
       炉内退火:将热偶丝套入刚玉管，放入退火柜中，使其测量端处在1300℃温场下退火3-4小时,使热偶丝径向受热均匀,消除因穿管产生的内应力，以增加热偶丝性能稳定性。
2.2热偶套管保护的研究
2.2.1气化炉炉膛测温点介绍
       德士古气化炉主要操作指标是控制炉膛内温度为1350℃，禁止超温，以确保气化炉安全运行。
       在实际生产中，由于炉内温度的波动，导致高温热偶使用寿命较短。因此，在高温热偶无指示的情况下，只能通过出口气体中甲烷含量等参数来控制炉温，但是甲烷含量又随气化炉负荷变化而变化,致使不易掌握，造成炉内温度超温，导致炉砖损伤，甚至炉壳烧坏等事故。
       对此国内外厂家对气化炉高温热偶测量进行了广泛的技术研讨，结合本厂实际生产中对高温热偶的操作及分析，认为气化炉高温热偶损坏的主要原因是热偶丝的保护套管断裂，从而导致热偶丝被气化炉内还原性气体腐蚀所致。而保护套管是由以下几方面原因照成。
(1)炉砖的热涨冷缩
       气化炉的正常操作温度为1350℃,但在负荷变化或工况异常时，炉内温度会出现超温现象。从气化炉炉砖向火面到法兰连接面，由于温度的递减及铬刚玉砖、隔热砖、保温砖热膨胀系数的不同，导致各层砖在超温情况下膨胀量的不同.使炉砖产生剪切力，导致气化炉热电偶套管损坏。.
(2)炉壁结渣
       气化炉在运行中，由于煤浆成分、炉砖质量和工艺操作等原因，炉壁会出现结渣现象，在高温情况下熔融状的炉渣沿炉壁而下进入热电偶孔内使保护套管头与炉砖粘接在一起，因热电偶孔内温度比炉膛内温度低，会导致熔融状的炉渣在热电偶孔内形成固态，因各物质膨胀系数不同，导致套管折断损坏。
(3)煤浆冲刷
       在实际生产中，保护套管应缩在铬刚玉砖层内，炉内火焰和煤浆无法直接冲刷到保护套管头部，但气化炉在长时间运行后，铬刚玉层收到炉内火焰、煤浆的冲刷会对砖壁造成剥落减薄，使高温热偶头端伸露在炉膛内部，被火焰及煤浆冲刷造成损坏。
2.2.2解决热偶套管损坏措施
       气化炉高温热偶损坏主要原因已分析清楚，由此对其结构做出一系列改动，具体措施如下:
(1)针对炉砖热胀冷缩问题
       在气化炉高温热偶金属套管和法兰连接处改为球肘型连接，可万向调节，在耐火砖热涨冷缩炉砖产生振动时，球肘连接能随着耐火砖的振动而进行调节，大大减少了耐火砖的剪切力。从而保护高温热偶不被折断，并延长了热偶使用寿命。
(2)针对炉砖结渣问题
       在高温热偶外套管与次套管之间浇注专用耐高温浇注料，浇注料材质和耐火砖材质相仿，并在高温1600℃的高温环境下烧结一体。针对煤进料特点，具有耐腐蚀，抗磨损等优点。即使熔融状炉渣将外套管折断，但是有耐高温浇注料的保护，不会对内套管及热偶丝产生致俞影响。
(3)针对煤浆冲刷问题
       煤浆冲刷问题与炉砖结渣问题解决方法类似，在使用耐高温浇注料填充保护管的同时，考虑到一些不利不利因素需将保护套管内缩炉壁15mm~20mm，并随着炉砖减薄的速率，在每次停炉更换新热偶的同时重新测量插入深度，相应的回调热偶长度，确保保护套管不受气流的冲刷而损坏。
2.3热偶密封的研究
       密封材料应满足密封功能的要求。由于被密封的介质不.同，以及设备的工作条件不同，要求密封材料具有不同的适用性.对密封材料的要求是:材料致密性好，不易泄漏介质;有适当的机械强度和硬度;压缩性和回弹性好，永久性变形小;高温下不软化、不分解，低温'下不硬化、不脆裂;抗腐蚀性能好，在酸、碱、油等介质中能长期工作，其体积一硬度变化小，且不粘附在金属表面上:摩擦系数小，耐磨性好;
       通过对密封材料的了解，结合德士古气化炉实际工况，比较适合使用于气化炉高温热偶的密封件为火山灰密封件与石墨密封件。但是石墨的耐腐蚀性较差，在高温情况下成软化状，在气化炉泄漏的情况下，安全性比火山灰密封件要低，所以火山灰密封件是气化炉高温热偶安装运行中合适的密封材料。
        在安装密封件时，要检查密封件是否遗漏，错位;检查.密封件容器是否磨损，变形:紧固密封件容器时是否达到厂家指定力矩。
保证热偶的密封性，从而达到延长热偶的使用寿命。
2.4本章小结
       本章对气化炉高温热偶的各个结构做出了详细的分析，并列举了影响高温热偶寿命的主要原因，并提出了相应的解决措施，从而延长了气化炉高温热偶在德士古气化炉中使用的寿命.
3结束语
       本课题详细研究了德士气化炉高温热偶的结构特点以及概括了延长气化炉热偶使用寿命的具体方法。分别从气化炉高温热偶结构特点，高温热偶偶丝，高温热偶套管，高温热偶密封件展开详细分析，并提出有效合理的改造措施。
       由于气化炉高温热偶使用寿命的延长，保证了气化炉在正常生产中有炉温指示，对于安全生产极为有利，具有显著的经济效益和社会效益。气化炉高温热偶寿命的延长不仅节省了购置热偶的费用，更能缩短气化炉每年停车更换热偶时间，提前投料，提高产出下游产品效率，是提高生产总值简单高效的方法.