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2012-01-12 02:04:58朱信華劉全榮井繼琛
石油化工自動(dòng)化 2012年1期
朱信華，劉全榮，井繼琛
（兗礦國(guó)宏化工有限責(zé)任公司，山東鄒城273512）
煤氣化作為潔凈煤技術(shù)的重要組成部分，具有龍頭地位。它將廉價(jià)的煤炭轉(zhuǎn)化成為清潔煤氣，既可用于生產(chǎn)化工產(chǎn)品，如合成氨、甲醇、二甲醚等，也可用于煤的直接與間接液化、聯(lián)合循環(huán)發(fā)電（IGCC）和以煤氣化為基礎(chǔ)的多聯(lián)產(chǎn)等領(lǐng)域。氣化爐是煤氣化的關(guān)鍵設(shè)備，準(zhǔn)確測(cè)量和控制氣化爐的溫度，對(duì)確保產(chǎn)品品質(zhì)及氣化爐安全、穩(wěn)定、高效和長(zhǎng)周期運(yùn)行尤為重要。氣化爐測(cè)溫?zé)犭娕荚诟邷?、腐蝕、氧化、還原、急冷急熱、氧化－還原交變及某些強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)環(huán)境中使用時(shí)，其故障率相對(duì)較高，使用壽命相對(duì)較短。
1 故障原因分析
a）保護(hù)管材料。國(guó)內(nèi)目前制造氣化爐熱電偶使用的高溫陶瓷保護(hù)管中含有SiO2，F(xiàn)e，Na，K等有害物質(zhì)。按國(guó)內(nèi)的JC／T509—1994熱電偶用熱保護(hù)管標(biāo)準(zhǔn)，氣密性標(biāo)準(zhǔn)在1.30kPa負(fù)壓下，10min內(nèi)壓降小于0.3kPa即為合格。在1 300～1 450℃的高溫，6.5～8.7MPa的高壓下，該保護(hù)管中所含的SiO2在有還原性氣體H2和CO存在時(shí)，可還原出Si。Si附著在“B型熱電偶”含鉑的偶絲上后，可形成多種鉑的低熔點(diǎn)金屬間化合物，其中有一種是Pt5Si2，其熔點(diǎn)僅為830℃。這種化合物一旦形成，就會(huì)使“B型熱電偶絲”造成“氫脆”、“碳中毒”，而且會(huì)使熱電偶出現(xiàn)大幅度的漂移誤差，使之失去工藝操作的參考價(jià)值。
b）金屬過(guò)渡與陶瓷管的結(jié)合。氣化爐熱電偶的前部為高溫陶瓷保護(hù)管（熱膨脹系數(shù)約為7.3× 10－6），為了使之能安裝在耐高壓金屬制成的氣化爐爐體上，其后部必須有一個(gè)能和爐體法蘭密封結(jié)合在一起、由金屬制成的熱電偶法蘭（熱膨脹系數(shù)約為1.32×10－7）。將高溫陶瓷保護(hù)管和由金屬制成的熱電偶過(guò)渡保護(hù)管密封在一起，可防止合成氣中的H2和CO進(jìn)入，這也是制造高溫高壓熱電偶的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。
c）耐火層的剪切。熱電偶從氣化爐外壁，經(jīng)殼體、隔熱層、三層耐火磚插入燃燒室，由于各耐火材料的熱膨脹系數(shù)不同，熱電偶經(jīng)常因各耐火層熱膨脹量不同出現(xiàn)的“剪切力”而損壞。這種因爐體結(jié)構(gòu)使熱電偶損壞的現(xiàn)象，己引起很多設(shè)計(jì)單位的重視。將熱電偶安裝孔設(shè)計(jì)成上下方向的橢圓形，熱電偶探頭部分與安裝孔壁之間留有5～8mm的間隙，可以減少“剪切力”的破壞。
d）爐渣影響。當(dāng)水煤漿氣化爐正常運(yùn)行時(shí)，熱電偶保護(hù)管已粘滿(mǎn)爐渣。爐渣一方面使保護(hù)管的強(qiáng)度降低，另一方面這些呈熔融狀態(tài)的“附著物”布滿(mǎn)保護(hù)管的表面，當(dāng)出現(xiàn)氣化爐非正常開(kāi)、停車(chē)時(shí)，由于“附著物”的熱膨脹系數(shù)與保護(hù)管不同，會(huì)使熱電偶保護(hù)管破碎而造成熱電偶損壞。
e）工藝操作。運(yùn)行過(guò)程中非正常停車(chē)的次數(shù)及降溫操作不規(guī)范。
f）熱電偶的裝配安裝。組裝時(shí)未嚴(yán)格執(zhí)行規(guī)程；密封件壓接用力過(guò)大造成密封件損壞失效，合成氣泄漏噴出；移動(dòng)或存放不當(dāng)使熱電偶損壞；熱電偶孔疏通不好，在安裝時(shí)與安裝孔中的凸起部分因擠壓使陶瓷保護(hù)管破碎。
2 熱電偶安裝孔疏通
氣化爐測(cè)溫?zé)犭娕歼\(yùn)行環(huán)境工況復(fù)雜，使用壽命較短。在高溫下，部分保護(hù)管外表已與爐渣等物質(zhì)發(fā)生共晶反應(yīng)，生成多種低共熔物質(zhì)，其硬度較大，熱電偶安裝孔經(jīng)常被爐渣堵死。為疏通熱電偶安裝孔，少數(shù)工廠投資十多萬(wàn)元人民幣購(gòu)買(mǎi)熱電偶孔疏通機(jī)，但使用效果不好，大多工廠還是動(dòng)用鋼釬，一旦鋼釬打通，可以使用DN40mm鍍鋅管（各廠可根據(jù)實(shí)際情況使用）錘擊轉(zhuǎn)動(dòng)疏通，直至孔徑滿(mǎn)足安裝要求。疏通難度極大，某廠曾經(jīng)出現(xiàn)疏通一個(gè)熱電偶孔耗時(shí)7h的記錄。
采用具有沖擊力的工具應(yīng)該可以提高熱電偶孔的疏通效率，前提是要保證氣化爐內(nèi)具有一定的溫度（一般不低于800℃），疏通時(shí)不對(duì)爐內(nèi)耐火磚造成傷害。經(jīng)過(guò)對(duì)比，認(rèn)為某公司生產(chǎn)的風(fēng)鎬MO－4B體積小，質(zhì)量輕，工廠儀表空氣壓力（0.45MPa）滿(mǎn)足要求，沖擊力可以人工掌握，比較適合該廠要求，工作氣源具體參數(shù)見(jiàn)表1所列。
表1 風(fēng)鎬MO－4B技術(shù)參數(shù)
采用風(fēng)鎬后，一般10min內(nèi)將熱電偶疏通，大大縮短了疏通時(shí)間，減少了氣化爐投料前期的準(zhǔn)備時(shí)間，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率。
3 熱電偶的防泄漏改造
3.1 熱電偶的密封
氣化爐熱電偶保護(hù)管在6.5～8.7MPa，1 300～1 450℃的高溫、高壓下，不僅要考慮材質(zhì)問(wèn)題，同時(shí)也應(yīng)考慮密封防泄漏問(wèn)題。除原始安裝外，使用單位在購(gòu)買(mǎi)熱電偶備件時(shí)，一般不再購(gòu)買(mǎi)與工藝連接的法蘭、密封接頭、接線盒，熱偶等廠家必須提供的瓷環(huán)、密封件，而是由使用者自行裝配。熱電偶引出線較細(xì)，一般為0.75mm，既要考慮與熱偶絲的絕緣，還要考慮密封對(duì)引線的損傷，一般采用柔性密封件。許多工廠都曾發(fā)生過(guò)氣化爐投料后升壓過(guò)程中，熱電偶因密封問(wèn)題出現(xiàn)的泄漏現(xiàn)象，并且泄漏量逐漸增大，帶壓堵漏無(wú)法進(jìn)行，被迫停車(chē)。該現(xiàn)象不僅影響到產(chǎn)量，還威脅到系統(tǒng)運(yùn)行安全。
筆者對(duì)某一氣化爐高溫?zé)犭娕忌a(chǎn)廠家的熱電偶密封進(jìn)行測(cè)繪分析，熱電偶信號(hào)引出端在密封接頭內(nèi)完成密封，如圖1所示。密封接頭左端與工藝連接法蘭螺紋連接（外螺紋G15mm），右端（外螺紋M20mm×1.5mm）與密封壓緊接頭連接，如圖2所示。密封接頭左端與熱電偶法蘭連接，右側(cè)與壓緊接頭連接，密封接頭腔內(nèi)分四段開(kāi)孔，分別為φ4mm熱偶絲引線孔，φ5.5mm瓷環(huán)孔，φ5.5～10mm過(guò)渡孔，φ10mm瓷環(huán)及壓緊管段孔。
密封接頭過(guò)渡孔內(nèi)安裝密封填料，如圖3所示。密封填料中間并列兩個(gè)φ1mm穿線管，穿線孔間距為φ1mm。在密封接頭內(nèi)腔從左至右先后安裝瓷環(huán)1只、密封填料、壓緊管（內(nèi)徑5.5mm，外徑略小于10mm）。壓緊管內(nèi)放2只瓷環(huán)，瓷環(huán)直徑5mm，長(zhǎng)度10mm，安裝時(shí)壓緊管伸出接頭內(nèi)腔約2mm（若不能滿(mǎn)足，需重新加工），然后根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)旋緊壓緊接頭，密封壓緊接頭內(nèi)外螺紋均為M20mm×1.5mm，接頭另一端安裝儀表接線盒。
圖1 熱電偶密封接頭
圖2 密封壓緊接頭
圖3 密封填料
3.2 泄漏原因分析
從密封結(jié)構(gòu)分析，造成泄漏的原因：a）瓷環(huán)、密封填料質(zhì)量較差，在旋緊時(shí)壓碎，造成高壓合成氣吹出；b）壓緊管多次使用造成變形，長(zhǎng)度減少，壓緊接頭旋到根部不能起到壓緊作用，致使填料周邊有空隙。一旦出現(xiàn)泄漏，會(huì)逐步將填料、瓷環(huán)吹凈，造成合成氣從φ4mm孔徑內(nèi)噴出。該氣體溫度較高且為有毒、有害氣體，無(wú)法堵漏，氣化爐被迫停運(yùn)。
3.3 防泄漏措施
筆者認(rèn)為，防止熱電偶泄漏，若改變密封方式有一定難度，重點(diǎn)應(yīng)放在泄漏時(shí)堵塞的研究上。首先考慮使用球閥，泄漏時(shí)可以關(guān)斷，球旋轉(zhuǎn)時(shí)可以切斷熱偶絲，但ANSI900LB球閥必須使用硬密封，體積較大，無(wú)形中也增加了熱電偶絲的長(zhǎng)度，造價(jià)較高，球閥本身靜密封點(diǎn)較多，在高溫關(guān)斷后也會(huì)形成新的泄漏點(diǎn)。受到化工管路上的盲板、絲堵的啟發(fā)，對(duì)密封壓緊接頭進(jìn)行重新加工，中間增加40mm×40mm×40mm方形延長(zhǎng)段，如圖4所示。在方形體中心鉆孔攻絲，內(nèi)螺紋為M12mm× 1.5mm，原壓緊接頭兩端內(nèi)外螺紋不變。在正常運(yùn)行時(shí)，防泄漏螺栓頂端旋至接近穿線孔位置，一旦發(fā)生泄漏，向內(nèi)旋入，切斷熱偶絲，截?cái)鄽怏w通路，控制泄漏量，避免停車(chē)事故。
圖4 防泄漏接頭
4 結(jié)束語(yǔ)
目前水煤漿氣化爐熱電偶的研制生產(chǎn)是一項(xiàng)世界性的技術(shù)難題，國(guó)內(nèi)許多科研機(jī)構(gòu)也在研發(fā)。希望在不久的將來(lái)，有更好的特殊材料應(yīng)用于保護(hù)管制造，提高熱電偶的整體性能，延長(zhǎng)使用時(shí)間，同時(shí)減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約企業(yè)費(fèi)用。
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朱信華，劉全榮，井繼琛
（兗礦國(guó)宏化工有限責(zé)任公司，山東鄒城273512）
煤氣化作為潔凈煤技術(shù)的重要組成部分，具有龍頭地位。它將廉價(jià)的煤炭轉(zhuǎn)化成為清潔煤氣，既可用于生產(chǎn)化工產(chǎn)品，如合成氨、甲醇、二甲醚等，也可用于煤的直接與間接液化、聯(lián)合循環(huán)發(fā)電（IGCC）和以煤氣化為基礎(chǔ)的多聯(lián)產(chǎn)等領(lǐng)域。氣化爐是煤氣化的關(guān)鍵設(shè)備，準(zhǔn)確測(cè)量和控制氣化爐的溫度，對(duì)確保產(chǎn)品品質(zhì)及氣化爐安全、穩(wěn)定、高效和長(zhǎng)周期運(yùn)行尤為重要。氣化爐測(cè)溫?zé)犭娕荚诟邷?、腐蝕、氧化、還原、急冷急熱、氧化－還原交變及某些強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)環(huán)境中使用時(shí)，其故障率相對(duì)較高，使用壽命相對(duì)較短。
1 故障原因分析
a）保護(hù)管材料。國(guó)內(nèi)目前制造氣化爐熱電偶使用的高溫陶瓷保護(hù)管中含有SiO2，F(xiàn)e，Na，K等有害物質(zhì)。按國(guó)內(nèi)的JC／T509—1994熱電偶用熱保護(hù)管標(biāo)準(zhǔn)，氣密性標(biāo)準(zhǔn)在1.30kPa負(fù)壓下，10min內(nèi)壓降小于0.3kPa即為合格。在1 300～1 450℃的高溫，6.5～8.7MPa的高壓下，該保護(hù)管中所含的SiO2在有還原性氣體H2和CO存在時(shí)，可還原出Si。Si附著在“B型熱電偶”含鉑的偶絲上后，可形成多種鉑的低熔點(diǎn)金屬間化合物，其中有一種是Pt5Si2，其熔點(diǎn)僅為830℃。這種化合物一旦形成，就會(huì)使“B型熱電偶絲”造成“氫脆”、“碳中毒”，而且會(huì)使熱電偶出現(xiàn)大幅度的漂移誤差，使之失去工藝操作的參考價(jià)值。
b）金屬過(guò)渡與陶瓷管的結(jié)合。氣化爐熱電偶的前部為高溫陶瓷保護(hù)管（熱膨脹系數(shù)約為7.3× 10－6），為了使之能安裝在耐高壓金屬制成的氣化爐爐體上，其后部必須有一個(gè)能和爐體法蘭密封結(jié)合在一起、由金屬制成的熱電偶法蘭（熱膨脹系數(shù)約為1.32×10－7）。將高溫陶瓷保護(hù)管和由金屬制成的熱電偶過(guò)渡保護(hù)管密封在一起，可防止合成氣中的H2和CO進(jìn)入，這也是制造高溫高壓熱電偶的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。
c）耐火層的剪切。熱電偶從氣化爐外壁，經(jīng)殼體、隔熱層、三層耐火磚插入燃燒室，由于各耐火材料的熱膨脹系數(shù)不同，熱電偶經(jīng)常因各耐火層熱膨脹量不同出現(xiàn)的“剪切力”而損壞。這種因爐體結(jié)構(gòu)使熱電偶損壞的現(xiàn)象，己引起很多設(shè)計(jì)單位的重視。將熱電偶安裝孔設(shè)計(jì)成上下方向的橢圓形，熱電偶探頭部分與安裝孔壁之間留有5～8mm的間隙，可以減少“剪切力”的破壞。
d）爐渣影響。當(dāng)水煤漿氣化爐正常運(yùn)行時(shí)，熱電偶保護(hù)管已粘滿(mǎn)爐渣。爐渣一方面使保護(hù)管的強(qiáng)度降低，另一方面這些呈熔融狀態(tài)的“附著物”布滿(mǎn)保護(hù)管的表面，當(dāng)出現(xiàn)氣化爐非正常開(kāi)、停車(chē)時(shí)，由于“附著物”的熱膨脹系數(shù)與保護(hù)管不同，會(huì)使熱電偶保護(hù)管破碎而造成熱電偶損壞。
e）工藝操作。運(yùn)行過(guò)程中非正常停車(chē)的次數(shù)及降溫操作不規(guī)范。
f）熱電偶的裝配安裝。組裝時(shí)未嚴(yán)格執(zhí)行規(guī)程；密封件壓接用力過(guò)大造成密封件損壞失效，合成氣泄漏噴出；移動(dòng)或存放不當(dāng)使熱電偶損壞；熱電偶孔疏通不好，在安裝時(shí)與安裝孔中的凸起部分因擠壓使陶瓷保護(hù)管破碎。
2 熱電偶安裝孔疏通
氣化爐測(cè)溫?zé)犭娕歼\(yùn)行環(huán)境工況復(fù)雜，使用壽命較短。在高溫下，部分保護(hù)管外表已與爐渣等物質(zhì)發(fā)生共晶反應(yīng)，生成多種低共熔物質(zhì)，其硬度較大，熱電偶安裝孔經(jīng)常被爐渣堵死。為疏通熱電偶安裝孔，少數(shù)工廠投資十多萬(wàn)元人民幣購(gòu)買(mǎi)熱電偶孔疏通機(jī)，但使用效果不好，大多工廠還是動(dòng)用鋼釬，一旦鋼釬打通，可以使用DN40mm鍍鋅管（各廠可根據(jù)實(shí)際情況使用）錘擊轉(zhuǎn)動(dòng)疏通，直至孔徑滿(mǎn)足安裝要求。疏通難度極大，某廠曾經(jīng)出現(xiàn)疏通一個(gè)熱電偶孔耗時(shí)7h的記錄。
采用具有沖擊力的工具應(yīng)該可以提高熱電偶孔的疏通效率，前提是要保證氣化爐內(nèi)具有一定的溫度（一般不低于800℃），疏通時(shí)不對(duì)爐內(nèi)耐火磚造成傷害。經(jīng)過(guò)對(duì)比，認(rèn)為某公司生產(chǎn)的風(fēng)鎬MO－4B體積小，質(zhì)量輕，工廠儀表空氣壓力（0.45MPa）滿(mǎn)足要求，沖擊力可以人工掌握，比較適合該廠要求，工作氣源具體參數(shù)見(jiàn)表1所列。
表1 風(fēng)鎬MO－4B技術(shù)參數(shù)
采用風(fēng)鎬后，一般10min內(nèi)將熱電偶疏通，大大縮短了疏通時(shí)間，減少了氣化爐投料前期的準(zhǔn)備時(shí)間，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率。
3 熱電偶的防泄漏改造
3.1 熱電偶的密封
氣化爐熱電偶保護(hù)管在6.5～8.7MPa，1 300～1 450℃的高溫、高壓下，不僅要考慮材質(zhì)問(wèn)題，同時(shí)也應(yīng)考慮密封防泄漏問(wèn)題。除原始安裝外，使用單位在購(gòu)買(mǎi)熱電偶備件時(shí)，一般不再購(gòu)買(mǎi)與工藝連接的法蘭、密封接頭、接線盒，熱偶等廠家必須提供的瓷環(huán)、密封件，而是由使用者自行裝配。熱電偶引出線較細(xì)，一般為0.75mm，既要考慮與熱偶絲的絕緣，還要考慮密封對(duì)引線的損傷，一般采用柔性密封件。許多工廠都曾發(fā)生過(guò)氣化爐投料后升壓過(guò)程中，熱電偶因密封問(wèn)題出現(xiàn)的泄漏現(xiàn)象，并且泄漏量逐漸增大，帶壓堵漏無(wú)法進(jìn)行，被迫停車(chē)。該現(xiàn)象不僅影響到產(chǎn)量，還威脅到系統(tǒng)運(yùn)行安全。
筆者對(duì)某一氣化爐高溫?zé)犭娕忌a(chǎn)廠家的熱電偶密封進(jìn)行測(cè)繪分析，熱電偶信號(hào)引出端在密封接頭內(nèi)完成密封，如圖1所示。密封接頭左端與工藝連接法蘭螺紋連接（外螺紋G15mm），右端（外螺紋M20mm×1.5mm）與密封壓緊接頭連接，如圖2所示。密封接頭左端與熱電偶法蘭連接，右側(cè)與壓緊接頭連接，密封接頭腔內(nèi)分四段開(kāi)孔，分別為φ4mm熱偶絲引線孔，φ5.5mm瓷環(huán)孔，φ5.5～10mm過(guò)渡孔，φ10mm瓷環(huán)及壓緊管段孔。
密封接頭過(guò)渡孔內(nèi)安裝密封填料，如圖3所示。密封填料中間并列兩個(gè)φ1mm穿線管，穿線孔間距為φ1mm。在密封接頭內(nèi)腔從左至右先后安裝瓷環(huán)1只、密封填料、壓緊管（內(nèi)徑5.5mm，外徑略小于10mm）。壓緊管內(nèi)放2只瓷環(huán)，瓷環(huán)直徑5mm，長(zhǎng)度10mm，安裝時(shí)壓緊管伸出接頭內(nèi)腔約2mm（若不能滿(mǎn)足，需重新加工），然后根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)旋緊壓緊接頭，密封壓緊接頭內(nèi)外螺紋均為M20mm×1.5mm，接頭另一端安裝儀表接線盒。
圖1 熱電偶密封接頭
圖2 密封壓緊接頭
圖3 密封填料
3.2 泄漏原因分析
從密封結(jié)構(gòu)分析，造成泄漏的原因：a）瓷環(huán)、密封填料質(zhì)量較差，在旋緊時(shí)壓碎，造成高壓合成氣吹出；b）壓緊管多次使用造成變形，長(zhǎng)度減少，壓緊接頭旋到根部不能起到壓緊作用，致使填料周邊有空隙。一旦出現(xiàn)泄漏，會(huì)逐步將填料、瓷環(huán)吹凈，造成合成氣從φ4mm孔徑內(nèi)噴出。該氣體溫度較高且為有毒、有害氣體，無(wú)法堵漏，氣化爐被迫停運(yùn)。
3.3 防泄漏措施
筆者認(rèn)為，防止熱電偶泄漏，若改變密封方式有一定難度，重點(diǎn)應(yīng)放在泄漏時(shí)堵塞的研究上。首先考慮使用球閥，泄漏時(shí)可以關(guān)斷，球旋轉(zhuǎn)時(shí)可以切斷熱偶絲，但ANSI900LB球閥必須使用硬密封，體積較大，無(wú)形中也增加了熱電偶絲的長(zhǎng)度，造價(jià)較高，球閥本身靜密封點(diǎn)較多，在高溫關(guān)斷后也會(huì)形成新的泄漏點(diǎn)。受到化工管路上的盲板、絲堵的啟發(fā)，對(duì)密封壓緊接頭進(jìn)行重新加工，中間增加40mm×40mm×40mm方形延長(zhǎng)段，如圖4所示。在方形體中心鉆孔攻絲，內(nèi)螺紋為M12mm× 1.5mm，原壓緊接頭兩端內(nèi)外螺紋不變。在正常運(yùn)行時(shí)，防泄漏螺栓頂端旋至接近穿線孔位置，一旦發(fā)生泄漏，向內(nèi)旋入，切斷熱偶絲，截?cái)鄽怏w通路，控制泄漏量，避免停車(chē)事故。
圖4 防泄漏接頭
4 結(jié)束語(yǔ)
目前水煤漿氣化爐熱電偶的研制生產(chǎn)是一項(xiàng)世界性的技術(shù)難題，國(guó)內(nèi)許多科研機(jī)構(gòu)也在研發(fā)。希望在不久的將來(lái)，有更好的特殊材料應(yīng)用于保護(hù)管制造，提高熱電偶的整體性能，延長(zhǎng)使用時(shí)間，同時(shí)減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約企業(yè)費(fèi)用。
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