浅谈水煤浆气化炉高温热偶的使用和优化

马克和

(江苏索普化工股份有限公司,江苏镇江 212000)

江苏索普化工股份有限公司(简称江苏索普)化工装置的核心产业之一为煤化工水煤浆气化装置,采用多喷嘴对置式水煤浆气化技术。

多喷嘴对置式水煤浆气化技术是将高压水煤浆与8.2 MPa的高压O2通过多对对置式烧嘴喷入气化炉,在高温、高压的条件下进行部分氧化反应生成粗合成气。气化炉燃烧室温度一般控制在1 100～1 300 ℃,操作压力为4.0～6.3 MPa,气化炉内气体成分有CO、CO2、H2、CH4、H2S、N2、H2O等。该工艺的核心是气化炉内氧化反应的稳定控制。而气化炉炉内温度又是气化炉运行最重要的参数之一,它反映了水煤浆在气化炉内化学反应的状况,影响着碳的转化率、气化炉的运行状态,以及气化炉的寿命和安全[1]。

1 气化炉内温度测量的难点

在气化炉高温、高压的工况下,一般采用上下不对称的4支方向互成直角且相对2支在同一平面上的高温热电偶测量气化炉内温度[2]。由于水煤浆气化炉特殊的条件,使得气化炉内测温存在以下难点:

(1) 气化炉高温、高压的工况下,一般热电偶的保护套管会变软,如果热电偶的机械强度和抗热振性能不强,很容易被振断。

(2) 由于气化炉耐火砖衬里在反应过程中容易被高温气体和熔渣冲刷而不断减薄,导致高温热偶露出安装孔的砖面,被熔融的炉渣冲刷后会很快断裂。

(3) 在发生非计划停车时,气化炉内的温度、压力发生骤变,会导致炉内的H2和CO透过套管进入热电偶内部,使得热电偶丝产生氢脆,丧失测量温度的能力[3]。

(4) 开停车过程中,在气化炉内高温环境下,需要用低温N2进行置换;冷热温度骤变对热偶保护套管造成直接冲击,会导致高温热偶的保护套管破裂。

(5) 开车过程中气化炉内不断升温,耐火砖受热膨胀,对高温热偶保护套管产生剪切力,进而使套管断裂。

(6) 气化炉内气体组分复杂,有较强的腐蚀性,热偶保护套管需要有很好的耐腐蚀性。

(7) 气化炉内热偶的保护套管在高温环境下很容易和耐火砖黏合在一起拔不出来,只能拔出后部的金属部分,前段非金属部分保护套管一般要用专用工具打入炉内。由于保护套管材质很硬,和炉砖结合紧密,使得停车更换时打通测量孔非常困难,强行打通则会损坏炉砖,造成炉体窜气超温。

(8) 一旦高温热偶保护套管破裂,密封结构被破坏,高温、高压的煤气泄漏出来,会导致重大安全事故。

2 高温热偶使用情况

气化炉内的恶劣工况,使得气化炉内温度测量成为行业内的技术难点。气化炉高温热偶一般采用B分度号的双铂铑热电偶(铂-30%铑、铂-6%铑),双层保护套管方式。近年来,测温热偶的选型经过了很多不同的尝试,例如:套管材质有使用锆铬系列、碳化硅、二硅化钼、刚玉、特制金属等多种材质[4];密封方式有N2保护、石墨密封、火山灰密封等。目前,高温热偶的使用寿命都不长,一般在30～60 d,热偶损坏后不具备在线更换的条件,同时还存在高温、高压气体泄漏的安全隐患。因此,很多装置气化炉内测温热偶损坏率高、更换频繁、消耗量大,但仍然不能满足工艺需求。有些装置只能在气化炉开车前更换全部热偶,导致运行成本较高;另外,要求每次更换、疏通高温热偶测量口都必须成功,经常强行疏通导致气化炉耐火砖出现缝隙或损坏,造成炉内窜气超温的严重后果。有些装置为了节约运行费用,在气化炉每次开车前安装2支高温热偶,用来判断投料是否成功[2]和观察温度变化,后续生产运行中的温度监控则无法保证。

3 高温热偶选型及特点

江苏索普煤气化装置根据工况特点进行针对性的选型,自2009年开车以来,一直使用某公司B型热电偶,使用寿命较长。

该高温热偶的结构见图1。

图1 高温热偶结构图

该热偶具有以下特点:

(1) 热偶套管采用刚玉及耐高温非金属氧化物复合材料高温烧结而成,机械强度高,可耐高温(1 700 ℃),具有良好的抗热振性、耐磨性和耐腐蚀性。

(2) 热偶尾部和固定法兰之间为螺纹连接,在安装时可根据耐火砖厚度任意调节整支热偶的长度,保证每次安装的热偶和炉砖内表面保持固定的安全距离,避免炉渣直接冲刷,保证热偶的使用寿命。该连接方式安装使用方便、快捷。

(3) 热偶法兰与保护套管采用肘关节连接,可以随耐火砖受热膨胀调整角度,具有一定的伸缩性,避免热偶套管因热应力剪切而发生断裂。

(4) 采用进口火山灰熔岩制作而成的密封组件,一次性装配、压制成型,耐高温、耐高压,安全可靠。与高压N2保护密封相比,这种密封结构简单、安装方便。另外,不使用高压N2本身就是一种安全措施。

(5) 热偶丝与刚玉套管及其他附件由生产厂家成套集成,现场不需要重新装配,减少了现场安装的工作量。另外,整体的刚玉复合管致密性好,可以防止热偶丝被氧化、氢脆。

该热偶较好地解决了气化炉内测温难的问题,延长了高温热偶的使用寿命。

4 高温热偶使用优化

气化炉高温热偶使用和安装的优化管理也是保证热偶使用寿命和安全的重要措施。气化装置运行以来,总结和优化了以下管理方法:

(1) 详细记录每次安装的尺寸,执行标准的安装规范。历史安装尺寸结合气化炉运行周期,可以基本准确推断下一次的安装长度,保证温度测量的准确性。

(2) 装置运行初期,高温热偶的原始缩进深度为15 mm,跟踪实际使用效果调整缩进长度固定为20 mm。同时,通过测试基本明确:每缩进5 mm一般使测量温度减少50 K左右。另外,安装时先测量安装孔四壁的深度,以最短深度缩进20 mm作为安装标准。因为测量口四壁可能会有缺口,还会让高温热偶暴露在炉砖外。

(3) 高温热偶密封组件需要人工装配、紧固。密封组件的压制成型完全凭借安装人员的手感和经验。紧固力量大,容易使细小的热偶丝被挤断,使昂贵的高温热偶报废;紧固力量小,容易导致高温、高压的合成气冲破密封组件产生外漏,导致严重的安全事故。因为没有安装力度的标准和尺度,装置运行初期出现过几次安装问题,使每次高温热偶的装配存在一定的风险性。为此,研制了热偶试压装置(见图2),通过多次实际操作试验,提出标准装配要求:每次装配按照标准规范、顺序装配,压制密封组件必需一次成型,不宜反复松紧各个密封接头,装配好后在自制的试压装置上打压到5.0 MPa,由检漏设备检查无泄漏情况,再装到气化炉上。实施这套安装标准后,再未发生合成气外漏的情况,保证了装配质量。

图2 高温热偶试压装置

(4) 由于气化炉拱顶部的温度不能准确反映气化炉工况,目前根据工艺意见取消该测量点,炉内另外3支热偶安装时间根据倒炉周期有计划地错开,1个烧嘴周期安装1支新的热偶,基本能够保证气化炉始终有2支热偶,并至少保证有1支热偶完好。

(5) 停炉前,熔渣往往会把炉内的温度测量口暂时堵住,造成温度测量不准或显示超量程。此时判断高温热偶好坏、是否需要更换往往信息不准确。停炉后,N2置换操作也经常会损坏热偶。因此,一般把更换新热偶的时间安排在开车前的烘炉阶段,根据高温热偶的实际显示情况和记录的安装使用天数来确定更换计划,并且不强制打通测量孔。如果测量孔疏通有困难,则安排在下次停炉检修期间,在炉内准确疏通烧结点,有效地保护了耐火砖。

(6) 高温热偶的长时间使用,对密封组件的可靠性是严格的考验;从安全生产的角度考虑,主动、优先更换实际使用时间较长(超过200 d)的热偶。

5 高温热偶的使用效果

通过这些年的经验积累、技术尝试、管理优化,目前气化炉高温热偶的实际平均使用寿命在150 d,能够满足2个周期的气化炉运行周期。气化炉整个运行周期下的温度测量基本能保证有1支高温热偶完好,既满足了工艺生产的需求又降低了运行成本。

6 结语

气化炉高温热偶的测量准确性对气化炉的稳定运行有着非常重要的指导作用,同时还可以通过其他一些参数和指标来帮助准确判断炉温,例如测量合成气组分、甲烷含量、炉渣粒度等。气化炉高温热偶的使用寿命也和开停车次数、煤质、灰熔点等因素有密切的关系。目前,还有一些气化炉温度的间接测量、先进测量方法正在研发、试用,以期为水煤浆气化炉安全稳定运行提供保障。