貴金屬熱電偶在硫磺爐上的應用

彭玉平，何佳林，崔海超

1 概述

煉油能力是一個國家工業化水平與能源保障水平的重要衡量標志。經過半個多世紀的發展，特別是最近十年，隨著我國經濟的高速發展，越來越多的大型煉油廠被廣泛興建。目前我國已成為世界上僅次于美國的第二大煉油國，截至2009年底，原油一次加工能力達4.77億噸。

在所有的煉油廠都有一個必不可少的環保裝置硫磺回收裝置。通過該裝置，原油中的硫能夠實現高達99.5%的回收率。它將硫化物轉化為硫磺產品，從而避免了煉油過程中因排放酸性氣體而造成環境污染。

衡量油品品質的一個重要指標就是含硫量。例如，歐V標準中關于車用柴油硫含量要求為不超過10ppm。煉油廠在使原油經過常減壓、延遲焦化、加氫裂化、加氫脫硫和催化重振等一系列處理工藝后，生產出符合國際或國家相關標準的油品，但同時也產生了大量酸性氣體，如H2S和SO2等既污染環境又有毒的危險氣體。必須通過脫硫裝置和硫磺回收對這些污染氣體進行處理，以使煉廠的尾氣排放達標。目前所有新上的煉油廠項目均要求配備該裝置，以往老的煉油廠也多要求增配該裝置。

另外，近年來隨著我國天然氣工業和煤化工工業的蓬勃發展，硫磺回收裝置也被大量應用于天然氣凈化廠和煤氣化工藝中。

目前，我國硫回收方法主要有兩大類：干法和濕法，其中又以干法中的克勞斯（Claus）法應用最為廣泛。克勞斯法也分為兩類，即常規克勞斯法和超級克勞斯法（SuperClaus）。它們的主要工藝過程為：將含有硫化氫的酸性氣體在克勞斯反應器（Claus Reactor）中燃燒，使部分硫化氫氧化為二氧化硫，二氧化硫再與剩余的未反應的硫化氫在催化劑上反應生成硫磺。其中克勞斯反應器就是大家俗稱的硫磺爐，它是硫磺回收裝置中最重要的設備之一。從煉油裝置過來的酸氣和相應比例的空氣被送入硫磺爐進行燃燒并最終生成單質硫。

2 硫磺爐爐膛溫度測量難點

硫磺爐的最大特點是溫度非常高。其通常溫度范圍在1200～1450℃，但有時設備出故障時溫度能夠高達1600℃。該爐的另一特點是爐內含有大量的劇毒氣體H2S氣體。通常該爐也帶有一定的壓力，這個壓力通常在0.4MPa以內。在正常的生產流程中，對該爐的溫度控制非常關鍵，必須保證爐膛溫度在上述溫度范圍內，如果溫度過低，催化劑反應效率低下，會影響硫回收效率，只能回收部分硫磺；如果溫度過高則會加速設備老化，特別是爐膛內襯耐火磚的壽命，極端的情況還可能出現因內襯損壞而導致反應器殼體破裂而出現硫化氫氣體泄露危及現場人員生命安全的嚴重事故。

圖1 克勞斯硫磺爐

由于硫磺爐的上述特點，關于硫磺爐爐膛的溫度測量一直是行業內的難點。目前，主要的測溫手段還是采用貴金屬熱電偶的方法來測量硫磺爐爐膛。另外，也有個別的爐子采用紅外或光纖等非接觸式測溫方法來測量，但從現場使用的效果來看，并不是很理想。本文主要討論采用熱電偶如何來準確可靠的測量。目前，采用普通熱電偶主要遇到下述困難：

（1）熱電偶使用壽命短，有時剛換上的熱電偶幾個小時就損壞了，使用時間最多只有半年時間；

（2）熱電偶保護套管易破裂損壞，即使采用的是剛玉式套管也一樣易裂；

（3）硫化氫氣體會從順著損壞的熱電偶泄露到反應器外，危及現場人員安全。另外，在個別極端的情況下，硫化氫氣體還會順著熱電偶連接電纜泄露到控制室。

其實，出現上述問題也主要是由硫磺爐的工藝特點決定的。具體如下：

（1）硫磺爐爐膛溫度高，其通常溫度在1200～1450℃。

在這樣的高溫下選擇正確的熱電偶套管材質尤為關鍵。如果選擇普通的不銹鋼套管，熱電偶將會很快被損壞，因為普通的不銹鋼工作溫度在800℃以內，如304SS或316SS；如果選擇特殊的高溫合金鋼，熱電偶也會很快被損壞，這是因為大多高溫合金鋼其工作溫度上限只有1200℃，如Inconel 600或GH3039等；如果選擇陶瓷材料作為套管，如剛玉套管等，在耐高溫特性是沒有問題的，如特種高鋁陶瓷工作溫度可到1800℃，但是從應用現場的陶瓷套管來看，還是出現很多套管破裂的情況。主要是因為陶瓷套管在高溫狀態下太脆，如遇熱沖擊則易碎。現場破裂的套管多數是由于熱沖擊造成的。硫磺爐內燃燒器產生的火焰根據氣體流量的不同其火焰的強度也不同，有時瞬間就能高至2000℃，這就會在爐內造成熱沖擊。

所以熱電偶外保護套管的材質一定要選擇既耐高溫又抗熱沖擊的材質。

（2）爐內帶壓力。

雖然爐內的壓力不大，一般都在0.4MPa以內，但是如果熱電偶的外保護套管損壞，爐內的腐蝕性介質很快就會滲透到熱電偶的偶絲上，而熱電偶偶絲對腐蝕性介質是極其敏感的，它極容易被毒化。熱電偶一旦被毒化，其測量的準確性和可靠性都會受到影響，信號也將不穩定，現場就無法可靠測量。

所以，硫磺爐上的熱電偶還應該能夠承壓。

（3）爐內充滿硫化氫氣體。

硫化氫氣體是一種劇毒氣體，當其濃度大于10mg/m3時，人就會出現身體不適的癥狀；當其濃度大于760mg/m3時，人就會很快出現急性中毒，最后因呼吸麻痹而死亡。雖然硫化氫氣體有一種臭雞蛋氣味，但人能夠很快適應這種味道而感覺不到硫化氫。

當現場套管破裂時，硫化氫氣體會順著破裂的套管腐蝕熱電偶偶絲，并且非常危險的是：硫化氫還會順著套管進入到接線盒，接線盒一旦被腐蝕，硫化氫就會泄露到現場，極端情況下還會發生硫化氫順著電纜泄露到控制室。

所以，硫磺爐上的熱電偶還應該帶雙層氣密結構，以保證即使現場套管破裂，也不會出現硫化氫泄露的事故。另外，鑒于該工況的危險性，該熱電偶最好帶一個壓力變送器的接口，以便于隨時監測熱電偶外保護套管是否破裂。

綜上，硫磺爐上的熱電偶應該具有以下特性：

? 耐高溫至1600℃；

? 耐熱沖擊、承壓至0.8.MPa；

? 抗硫化氫腐蝕；

? 帶雙層氣密結構；

? 帶檢壓接口。

3 T781如何測量硫磺爐爐膛溫度

基于硫磺爐測溫的上述困難，Endress+Hauser公司開發了T781系列解決多年來硫磺爐測溫難的問題。經過在某大型煉油廠的硫磺爐上一年多的現場測試，T781型貴金屬熱電偶測量準確可靠，經受住了高溫、熱沖擊和硫化氫的考驗，沒有出現套管破裂和失效的現象。下面就T781如何解決硫磺爐測溫難的問題進行詳細闡述。

（1）選擇正確的保護套管材質。這是該產品最關鍵的部分。這種材質必須要耐高溫和熱沖擊，并且能夠承受壓力，耐硫化氫腐蝕。T781選擇了歐洲的特種高鋁陶瓷DIN710。該陶瓷氧化鋁的含量達到99.7%，并且耐溫到1800℃，耐熱沖擊。另外該材質表面空隙非常細小，它能夠實現氣密結構。

（2）兩層氣密結構。為了防止熱電偶保護套管意外破裂而發生硫化氫泄露事故，對熱電偶的設計必須采用兩層氣密結構。第一層是在與設備過程管嘴連接處，該處采用法蘭密封；第二層密封結構在熱電偶接線盒下部，帶一個氣密的卡套機構，將熱電偶卡死，以保證氣體介質不會泄露到接線盒部分。

（3）帶檢壓接口。該接口可以安裝一臺壓力變送器和壓力表，以便隨時監測熱電偶套管的破裂情況。

（4）帶吹氣接口。該接口連接氣源，氣源可以是氮氣等保護氣，吹入氣體能將滲入熱電偶套管的有毒介質帶出，以便延長貴金屬熱電偶的使用壽命。

（5）采用B型熱電偶。B型熱電偶測溫高至1800℃。它的偶絲為鉑銠合金，其正極含銠為30%，含鉑為70%，負極含銠為量6%，故也俗稱雙鉑銠熱電偶。

圖2 T781結構圖

4 結語

T781至現場投運以來，測量準確可靠，精度高，一舉解決了多年來硫磺爐測溫難易出故障的問題。