淺談水煤漿氣化爐高溫?zé)崤嫉氖褂煤蛢?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(chǎn)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(shù)。

多噴嘴對置式水煤漿氣化技術(shù)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(jìn)行部分氧化反應(yīng)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(nèi)氣體成分有CO、CO2、H2、CH4、H2S、N2、H2O等。該工藝的核心是氣化爐內(nèi)氧化反應(yīng)的穩(wěn)定控制。而氣化爐爐內(nèi)溫度又是氣化爐運(yùn)行最重要的參數(shù)之一,它反映了水煤漿在氣化爐內(nèi)化學(xué)反應(yīng)的狀況,影響著碳的轉(zhuǎn)化率、氣化爐的運(yùn)行狀態(tài),以及氣化爐的壽命和安全[1]。

1 氣化爐內(nèi)溫度測量的難點(diǎn)

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?zé)犭娕紲y量氣化爐內(nèi)溫度[2]。由于水煤漿氣化爐特殊的條件,使得氣化爐內(nèi)測溫存在以下難點(diǎn):

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

(2) 由于氣化爐耐火磚襯里在反應(yīng)過程中容易被高溫氣體和熔渣沖刷而不斷減薄,導(dǎo)致高溫?zé)崤悸冻霭惭b孔的磚面,被熔融的爐渣沖刷后會(huì)很快斷裂。

(3) 在發(fā)生非計(jì)劃停車時(shí),氣化爐內(nèi)的溫度、壓力發(fā)生驟變,會(huì)導(dǎo)致爐內(nèi)的H2和CO透過套管進(jìn)入熱電偶內(nèi)部,使得熱電偶絲產(chǎn)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(nèi)高溫環(huán)境下,需要用低溫N2進(jìn)行置換;冷熱溫度驟變對熱偶保護(hù)套管造成直接沖擊,會(huì)導(dǎo)致高溫?zé)崤嫉谋Ｗo(hù)套管破裂。

(5) 開車過程中氣化爐內(nèi)不斷升溫,耐火磚受熱膨脹,對高溫?zé)崤急Ｗo(hù)套管產(chǎn)生剪切力,進(jìn)而使套管斷裂。

(6) 氣化爐內(nèi)氣體組分復(fù)雜,有較強(qiáng)的腐蝕性,熱偶保護(hù)套管需要有很好的耐腐蝕性。

(7) 氣化爐內(nèi)熱偶的保護(hù)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(hù)套管一般要用專用工具打入爐內(nèi)。由于保護(hù)套管材質(zhì)很硬,和爐磚結(jié)合緊密,使得停車更換時(shí)打通測量孔非常困難,強(qiáng)行打通則會(huì)損壞爐磚,造成爐體竄氣超溫。

(8) 一旦高溫?zé)崤急Ｗo(hù)套管破裂,密封結(jié)構(gòu)被破壞,高溫、高壓的煤氣泄漏出來,會(huì)導(dǎo)致重大安全事故。

2 高溫?zé)崤际褂们闆r

氣化爐內(nèi)的惡劣工況,使得氣化爐內(nèi)溫度測量成為行業(yè)內(nèi)的技術(shù)難點(diǎn)。氣化爐高溫?zé)崤家话悴捎肂分度號(hào)的雙鉑銠熱電偶(鉑-30%銠、鉑-6%銠),雙層保護(hù)套管方式。近年來,測溫?zé)崤嫉倪x型經(jīng)過了很多不同的嘗試,例如:套管材質(zhì)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(zhì)[4];密封方式有N2保護(hù)、石墨密封、火山灰密封等。目前,高溫?zé)崤嫉氖褂脡勖疾婚L,一般在30～60 d,熱偶損壞后不具備在線更換的條件,同時(shí)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(nèi)測溫?zé)崤紦p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(dǎo)致運(yùn)行成本較高;另外,要求每次更換、疏通高溫?zé)崤紲y量口都必須成功,經(jīng)常強(qiáng)行疏通導(dǎo)致氣化爐耐火磚出現(xiàn)縫隙或損壞,造成爐內(nèi)竄氣超溫的嚴(yán)重后果。有些裝置為了節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用,在氣化爐每次開車前安裝2支高溫?zé)崤?用來判斷投料是否成功[2]和觀察溫度變化,后續(xù)生產(chǎn)運(yùn)行中的溫度監(jiān)控則無法保證。

3 高溫?zé)崤歼x型及特點(diǎn)

江蘇索普煤氣化裝置根據(jù)工況特點(diǎn)進(jìn)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?zé)崤嫉慕Y(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 高溫?zé)崤冀Y(jié)構(gòu)圖

該熱偶具有以下特點(diǎn):

(1) 熱偶套管采用剛玉及耐高溫非金屬氧化物復(fù)合材料高溫?zé)Y(jié)而成,機(jī)械強(qiáng)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(shí)可根據(jù)耐火磚厚度任意調(diào)節(jié)整支熱偶的長度,保證每次安裝的熱偶和爐磚內(nèi)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(hù)套管采用肘關(guān)節(jié)連接,可以隨耐火磚受熱膨脹調(diào)整角度,具有一定的伸縮性,避免熱偶套管因熱應(yīng)力剪切而發(fā)生斷裂。

(4) 采用進(jìn)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(hù)密封相比,這種密封結(jié)構(gòu)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(chǎn)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(fù)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(nèi)測溫難的問題,延長了高溫?zé)崤嫉氖褂脡勖?/p>

4 高溫?zé)崤际褂脙?yōu)化

氣化爐高溫?zé)崤际褂煤桶惭b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(yùn)行以來,總結(jié)和優(yōu)化了以下管理方法:

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

(2) 裝置運(yùn)行初期,高溫?zé)崤嫉脑伎s進(jìn)深度為15 mm,跟蹤實(shí)際使用效果調(diào)整縮進(jìn)長度固定為20 mm。同時(shí),通過測試基本明確:每縮進(jìn)5 mm一般使測量溫度減少50 K左右。另外,安裝時(shí)先測量安裝孔四壁的深度,以最短深度縮進(jìn)20 mm作為安裝標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)闇y量口四壁可能會(huì)有缺口,還會(huì)讓高溫?zé)崤急┞对跔t磚外。

(3) 高溫?zé)崤济芊饨M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(jīng)驗(yàn)。緊固力量大,容易使細(xì)小的熱偶絲被擠斷,使昂貴的高溫?zé)崤紙?bào)廢;緊固力量小,容易導(dǎo)致高溫、高壓的合成氣沖破密封組件產(chǎn)生外漏,導(dǎo)致嚴(yán)重的安全事故。因?yàn)闆]有安裝力度的標(biāo)準(zhǔn)和尺度,裝置運(yùn)行初期出現(xiàn)過幾次安裝問題,使每次高溫?zé)崤嫉难b配存在一定的風(fēng)險(xiǎn)性。為此,研制了熱偶試壓裝置(見圖2),通過多次實(shí)際操作試驗(yàn),提出標(biāo)準(zhǔn)裝配要求:每次裝配按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、順序裝配,壓制密封組件必需一次成型,不宜反復(fù)松緊各個(gè)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(shè)備檢查無泄漏情況,再裝到氣化爐上。實(shí)施這套安裝標(biāo)準(zhǔn)后,再未發(fā)生合成氣外漏的情況,保證了裝配質(zhì)量。

圖2 高溫?zé)崤荚噳貉b置

(4) 由于氣化爐拱頂部的溫度不能準(zhǔn)確反映氣化爐工況,目前根據(jù)工藝意見取消該測量點(diǎn),爐內(nèi)另外3支熱偶安裝時(shí)間根據(jù)倒?fàn)t周期有計(jì)劃地錯(cuò)開,1個(gè)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(huì)把爐內(nèi)的溫度測量口暫時(shí)堵住,造成溫度測量不準(zhǔn)或顯示超量程。此時(shí)判斷高溫?zé)崤己脡?、是否需要更換往往信息不準(zhǔn)確。停爐后,N2置換操作也經(jīng)常會(huì)損壞熱偶。因此,一般把更換新熱偶的時(shí)間安排在開車前的烘爐階段,根據(jù)高溫?zé)崤嫉膶?shí)際顯示情況和記錄的安裝使用天數(shù)來確定更換計(jì)劃,并且不強(qiáng)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(nèi)準(zhǔn)確疏通燒結(jié)點(diǎn),有效地保護(hù)了耐火磚。

(6) 高溫?zé)崤嫉拈L時(shí)間使用,對密封組件的可靠性是嚴(yán)格的考驗(yàn);從安全生產(chǎn)的角度考慮,主動(dòng)、優(yōu)先更換實(shí)際使用時(shí)間較長(超過200 d)的熱偶。

5 高溫?zé)崤嫉氖褂眯Ч?/h2>

通過這些年的經(jīng)驗(yàn)積累、技術(shù)嘗試、管理優(yōu)化,目前氣化爐高溫?zé)崤嫉膶?shí)際平均使用壽命在150 d,能夠滿足2個(gè)周期的氣化爐運(yùn)行周期。氣化爐整個(gè)運(yùn)行周期下的溫度測量基本能保證有1支高溫?zé)崤纪旰?既滿足了工藝生產(chǎn)的需求又降低了運(yùn)行成本。

6 結(jié)語

氣化爐高溫?zé)崤嫉臏y量準(zhǔn)確性對氣化爐的穩(wěn)定運(yùn)行有著非常重要的指導(dǎo)作用,同時(shí)還可以通過其他一些參數(shù)和指標(biāo)來幫助準(zhǔn)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?zé)崤嫉氖褂脡勖埠烷_停車次數(shù)、煤質(zhì)、灰熔點(diǎn)等因素有密切的關(guān)系。目前,還有一些氣化爐溫度的間接測量、先進(jìn)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(yùn)行提供保障。