淺談水煤漿氣化爐高溫熱偶的使用和優(yōu)化

馬克和

(江蘇索普化工股份有限公司,江蘇鎮(zhèn)江 212000)

江蘇索普化工股份有限公司(簡稱江蘇索普)化工裝置的核心產業(yè)之一為煤化工水煤漿氣化裝置,采用多噴嘴對置式水煤漿氣化技術。

多噴嘴對置式水煤漿氣化技術是將高壓水煤漿與8.2 MPa的高壓O2通過多對對置式燒嘴噴入氣化爐,在高溫、高壓的條件下進行部分氧化反應生成粗合成氣。氣化爐燃燒室溫度一般控制在1 100～1 300 ℃,操作壓力為4.0～6.3 MPa,氣化爐內氣體成分有CO、CO2、H2、CH4、H2S、N2、H2O等。該工藝的核心是氣化爐內氧化反應的穩(wěn)定控制。而氣化爐爐內溫度又是氣化爐運行最重要的參數(shù)之一,它反映了水煤漿在氣化爐內化學反應的狀況,影響著碳的轉化率、氣化爐的運行狀態(tài),以及氣化爐的壽命和安全[1]。

1 氣化爐內溫度測量的難點

在氣化爐高溫、高壓的工況下,一般采用上下不對稱的4支方向互成直角且相對2支在同一平面上的高溫熱電偶測量氣化爐內溫度[2]。由于水煤漿氣化爐特殊的條件,使得氣化爐內測溫存在以下難點:

(1) 氣化爐高溫、高壓的工況下,一般熱電偶的保護套管會變軟,如果熱電偶的機械強度和抗熱振性能不強,很容易被振斷。

(2) 由于氣化爐耐火磚襯里在反應過程中容易被高溫氣體和熔渣沖刷而不斷減薄,導致高溫熱偶露出安裝孔的磚面,被熔融的爐渣沖刷后會很快斷裂。

(3) 在發(fā)生非計劃停車時,氣化爐內的溫度、壓力發(fā)生驟變,會導致爐內的H2和CO透過套管進入熱電偶內部,使得熱電偶絲產生氫脆,喪失測量溫度的能力[3]。

(4) 開停車過程中,在氣化爐內高溫環(huán)境下,需要用低溫N2進行置換;冷熱溫度驟變對熱偶保護套管造成直接沖擊,會導致高溫熱偶的保護套管破裂。

(5) 開車過程中氣化爐內不斷升溫,耐火磚受熱膨脹,對高溫熱偶保護套管產生剪切力,進而使套管斷裂。

(6) 氣化爐內氣體組分復雜,有較強的腐蝕性,熱偶保護套管需要有很好的耐腐蝕性。

(7) 氣化爐內熱偶的保護套管在高溫環(huán)境下很容易和耐火磚黏合在一起拔不出來,只能拔出后部的金屬部分,前段非金屬部分保護套管一般要用專用工具打入爐內。由于保護套管材質很硬,和爐磚結合緊密,使得停車更換時打通測量孔非常困難,強行打通則會損壞爐磚,造成爐體竄氣超溫。

(8) 一旦高溫熱偶保護套管破裂,密封結構被破壞,高溫、高壓的煤氣泄漏出來,會導致重大安全事故。

2 高溫熱偶使用情況

氣化爐內的惡劣工況,使得氣化爐內溫度測量成為行業(yè)內的技術難點。氣化爐高溫熱偶一般采用B分度號的雙鉑銠熱電偶(鉑-30%銠、鉑-6%銠),雙層保護套管方式。近年來,測溫熱偶的選型經過了很多不同的嘗試,例如:套管材質有使用鋯鉻系列、碳化硅、二硅化鉬、剛玉、特制金屬等多種材質[4];密封方式有N2保護、石墨密封、火山灰密封等。目前,高溫熱偶的使用壽命都不長,一般在30～60 d,熱偶損壞后不具備在線更換的條件,同時還存在高溫、高壓氣體泄漏的安全隱患。因此,很多裝置氣化爐內測溫熱偶損壞率高、更換頻繁、消耗量大,但仍然不能滿足工藝需求。有些裝置只能在氣化爐開車前更換全部熱偶,導致運行成本較高;另外,要求每次更換、疏通高溫熱偶測量口都必須成功,經常強行疏通導致氣化爐耐火磚出現(xiàn)縫隙或損壞,造成爐內竄氣超溫的嚴重后果。有些裝置為了節(jié)約運行費用,在氣化爐每次開車前安裝2支高溫熱偶,用來判斷投料是否成功[2]和觀察溫度變化,后續(xù)生產運行中的溫度監(jiān)控則無法保證。

3 高溫熱偶選型及特點

江蘇索普煤氣化裝置根據(jù)工況特點進行針對性的選型,自2009年開車以來,一直使用某公司B型熱電偶,使用壽命較長。

該高溫熱偶的結構見圖1。

圖1 高溫熱偶結構圖

該熱偶具有以下特點:

(1) 熱偶套管采用剛玉及耐高溫非金屬氧化物復合材料高溫燒結而成,機械強度高,可耐高溫(1 700 ℃),具有良好的抗熱振性、耐磨性和耐腐蝕性。

(2) 熱偶尾部和固定法蘭之間為螺紋連接,在安裝時可根據(jù)耐火磚厚度任意調節(jié)整支熱偶的長度,保證每次安裝的熱偶和爐磚內表面保持固定的安全距離,避免爐渣直接沖刷,保證熱偶的使用壽命。該連接方式安裝使用方便、快捷。

(3) 熱偶法蘭與保護套管采用肘關節(jié)連接,可以隨耐火磚受熱膨脹調整角度,具有一定的伸縮性,避免熱偶套管因熱應力剪切而發(fā)生斷裂。

(4) 采用進口火山灰熔巖制作而成的密封組件,一次性裝配、壓制成型,耐高溫、耐高壓,安全可靠。與高壓N2保護密封相比,這種密封結構簡單、安裝方便。另外,不使用高壓N2本身就是一種安全措施。

(5) 熱偶絲與剛玉套管及其他附件由生產廠家成套集成,現(xiàn)場不需要重新裝配,減少了現(xiàn)場安裝的工作量。另外,整體的剛玉復合管致密性好,可以防止熱偶絲被氧化、氫脆。

該熱偶較好地解決了氣化爐內測溫難的問題,延長了高溫熱偶的使用壽命。

4 高溫熱偶使用優(yōu)化

氣化爐高溫熱偶使用和安裝的優(yōu)化管理也是保證熱偶使用壽命和安全的重要措施。氣化裝置運行以來,總結和優(yōu)化了以下管理方法:

(1) 詳細記錄每次安裝的尺寸,執(zhí)行標準的安裝規(guī)范。歷史安裝尺寸結合氣化爐運行周期,可以基本準確推斷下一次的安裝長度,保證溫度測量的準確性。

(2) 裝置運行初期,高溫熱偶的原始縮進深度為15 mm,跟蹤實際使用效果調整縮進長度固定為20 mm。同時,通過測試基本明確:每縮進5 mm一般使測量溫度減少50 K左右。另外,安裝時先測量安裝孔四壁的深度,以最短深度縮進20 mm作為安裝標準。因為測量口四壁可能會有缺口,還會讓高溫熱偶暴露在爐磚外。

(3) 高溫熱偶密封組件需要人工裝配、緊固。密封組件的壓制成型完全憑借安裝人員的手感和經驗。緊固力量大,容易使細小的熱偶絲被擠斷,使昂貴的高溫熱偶報廢;緊固力量小,容易導致高溫、高壓的合成氣沖破密封組件產生外漏,導致嚴重的安全事故。因為沒有安裝力度的標準和尺度,裝置運行初期出現(xiàn)過幾次安裝問題,使每次高溫熱偶的裝配存在一定的風險性。為此,研制了熱偶試壓裝置(見圖2),通過多次實際操作試驗,提出標準裝配要求:每次裝配按照標準規(guī)范、順序裝配,壓制密封組件必需一次成型,不宜反復松緊各個密封接頭,裝配好后在自制的試壓裝置上打壓到5.0 MPa,由檢漏設備檢查無泄漏情況,再裝到氣化爐上。實施這套安裝標準后,再未發(fā)生合成氣外漏的情況,保證了裝配質量。

圖2 高溫熱偶試壓裝置

(4) 由于氣化爐拱頂部的溫度不能準確反映氣化爐工況,目前根據(jù)工藝意見取消該測量點,爐內另外3支熱偶安裝時間根據(jù)倒爐周期有計劃地錯開,1個燒嘴周期安裝1支新的熱偶,基本能夠保證氣化爐始終有2支熱偶,并至少保證有1支熱偶完好。

(5) 停爐前,熔渣往往會把爐內的溫度測量口暫時堵住,造成溫度測量不準或顯示超量程。此時判斷高溫熱偶好壞、是否需要更換往往信息不準確。停爐后,N2置換操作也經常會損壞熱偶。因此,一般把更換新熱偶的時間安排在開車前的烘爐階段,根據(jù)高溫熱偶的實際顯示情況和記錄的安裝使用天數(shù)來確定更換計劃,并且不強制打通測量孔。如果測量孔疏通有困難,則安排在下次停爐檢修期間,在爐內準確疏通燒結點,有效地保護了耐火磚。

(6) 高溫熱偶的長時間使用,對密封組件的可靠性是嚴格的考驗;從安全生產的角度考慮,主動、優(yōu)先更換實際使用時間較長(超過200 d)的熱偶。

5 高溫熱偶的使用效果

通過這些年的經驗積累、技術嘗試、管理優(yōu)化,目前氣化爐高溫熱偶的實際平均使用壽命在150 d,能夠滿足2個周期的氣化爐運行周期。氣化爐整個運行周期下的溫度測量基本能保證有1支高溫熱偶完好,既滿足了工藝生產的需求又降低了運行成本。

6 結語

氣化爐高溫熱偶的測量準確性對氣化爐的穩(wěn)定運行有著非常重要的指導作用,同時還可以通過其他一些參數(shù)和指標來幫助準確判斷爐溫,例如測量合成氣組分、甲烷含量、爐渣粒度等。氣化爐高溫熱偶的使用壽命也和開停車次數(shù)、煤質、灰熔點等因素有密切的關系。目前,還有一些氣化爐溫度的間接測量、先進測量方法正在研發(fā)、試用,以期為水煤漿氣化爐安全穩(wěn)定運行提供保障。