貴金屬熱電偶在硫磺爐上的應(yīng)用

彭玉平，何佳林，崔海超

1 概述

煉油能力是一個國家工業(yè)化水平與能源保障水平的重要衡量標(biāo)志。經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展，特別是最近十年，隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)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(huán)保裝置硫磺回收裝置。通過該裝置，原油中的硫能夠?qū)崿F(xiàn)高達99.5%的回收率。它將硫化物轉(zhuǎn)化為硫磺產(chǎn)品，從而避免了煉油過程中因排放酸性氣體而造成環(huán)境污染。

衡量油品品質(zhì)的一個重要指標(biāo)就是含硫量。例如，歐V標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于車用柴油硫含量要求為不超過10ppm。煉油廠在使原油經(jīng)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(chǎn)出符合國際或國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的油品，但同時也產(chǎn)生了大量酸性氣體，如H2S和SO2等既污染環(huán)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(biāo)。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(yè)和煤化工工業(yè)的蓬勃發(fā)展，硫磺回收裝置也被大量應(yīng)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(yīng)用最為廣泛?？藙谒狗ㄒ卜譃閮深?，即常規(guī)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(yīng)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(yīng)的硫化氫在催化劑上反應(yīng)生成硫磺。其中克勞斯反應(yīng)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(shè)備之一。從煉油裝置過來的酸氣和相應(yīng)比例的空氣被送入硫磺爐進行燃燒并最終生成單質(zhì)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(shè)備出故障時溫度能夠高達1600℃。該爐的另一特點是爐內(nèi)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(nèi)。在正常的生產(chǎn)流程中，對該爐的溫度控制非常關(guān)鍵，必須保證爐膛溫度在上述溫度范圍內(nèi)，如果溫度過低，催化劑反應(yīng)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(shè)備老化，特別是爐膛內(nèi)襯耐火磚的壽命，極端的情況還可能出現(xiàn)因內(nèi)襯損壞而導(dǎo)致反應(yīng)器殼體破裂而出現(xiàn)硫化氫氣體泄露危及現(xiàn)場人員生命安全的嚴(yán)重事故。

圖1 克勞斯硫磺爐

由于硫磺爐的上述特點，關(guān)于硫磺爐爐膛的溫度測量一直是行業(yè)內(nèi)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(xiàn)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(zhǔn)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(yīng)器外，危及現(xiàn)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(xiàn)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(zhì)尤為關(guān)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(nèi)，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(yīng)用現(xiàn)場的陶瓷套管來看，還是出現(xiàn)很多套管破裂的情況。主要是因為陶瓷套管在高溫狀態(tài)下太脆，如遇熱沖擊則易碎。現(xiàn)場破裂的套管多數(shù)是由于熱沖擊造成的。硫磺爐內(nèi)燃燒器產(chǎn)生的火焰根據(jù)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(nèi)造成熱沖擊。

所以熱電偶外保護套管的材質(zhì)一定要選擇既耐高溫又抗熱沖擊的材質(zhì)。

（2）爐內(nèi)帶壓力。

雖然爐內(nèi)的壓力不大，一般都在0.4MPa以內(nèi)，但是如果熱電偶的外保護套管損壞，爐內(nèi)的腐蝕性介質(zhì)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(zhì)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(zhǔn)確性和可靠性都會受到影響，信號也將不穩(wěn)定，現(xiàn)場就無法可靠測量。

所以，硫磺爐上的熱電偶還應(yīng)該能夠承壓。

（3）爐內(nèi)充滿硫化氫氣體。

硫化氫氣體是一種劇毒氣體，當(dāng)其濃度大于10mg/m3時，人就會出現(xiàn)身體不適的癥狀；當(dāng)其濃度大于760mg/m3時，人就會很快出現(xiàn)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(yīng)這種味道而感覺不到硫化氫。

當(dāng)現(xiàn)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(xiàn)場，極端情況下還會發(fā)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(yīng)該帶雙層氣密結(jié)構(gòu)，以保證即使現(xiàn)場套管破裂，也不會出現(xiàn)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(jiān)測熱電偶外保護套管是否破裂。

綜上，硫磺爐上的熱電偶應(yīng)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(jié)構(gòu)；

? 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(fā)了T781系列解決多年來硫磺爐測溫難的問題。經(jīng)過在某大型煉油廠的硫磺爐上一年多的現(xiàn)場測試，T781型貴金屬熱電偶測量準(zhǔn)確可靠，經(jīng)受住了高溫、熱沖擊和硫化氫的考驗，沒有出現(xiàn)套管破裂和失效的現(xiàn)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(zhì)。這是該產(chǎn)品最關(guān)鍵的部分。這種材質(zhì)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(zhì)表面空隙非常細小，它能夠?qū)崿F(xiàn)氣密結(jié)構(gòu)。

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

4 結(jié)語

T781至現(xiàn)場投運以來，測量準(zhǔn)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。