E-GAS氣化爐測溫系統簡介

徐海寶(中海油惠州石化有限公司，廣東 惠州 516086)

0 引言

隨著煤制氫技術的日漸成熟，各種需求的氣化爐在國內相繼建立，國內首套E-GAS氣化爐也由于其先進的環保理念被引入惠州石化。結合其獨特的結構形式，本文將從E-GAS氣化爐使用的各種測溫系統介紹氣化爐的各點測溫情況。

1 E-GAS氣化爐不同段使用的熱電偶測溫系統

E-GAS氣化爐屬于多段式結構，其組成包含氣化爐急冷室、氣化爐一段、二段、停留段、激冷段、余熱鍋爐。氣化爐結構簡圖如圖1所示。

圖1 氣化爐結構簡圖

1.1 可伸縮熱電偶的使用及優缺點

氣化爐是帶有內襯的高溫氣流床反應器，一段氣化爐的兩端對稱設置燃料氣燒嘴和煤漿混合燒嘴。氣化爐在一段共計有三支可伸縮熱電偶：分別位于兩水平段頂部和上升段。熱電偶在正常測溫時頂端伸入爐內一定長度，氣化爐溫度達到1 000 ℃時熱電偶頂端縮回到氣化爐磚內。為適應氣化爐高溫環境熱電偶套管采用外加循環冷卻夾套，并利用電磁閥控制儀表空氣作為收縮動力。可伸縮熱電偶采用K型鎢-錸材質，套管材質采用鉬錸，每支熱電偶內含單支偶絲。氣化爐一段熱電偶所處現場環境溫度較高，不利于溫度變送器安裝環境，采用加長補償電纜方式到室內采用導軌式溫度變送器。目前可伸縮熱電偶在使用過程中，三支熱電偶對比差距很小，為氣化爐在烘爐階段提供可靠依據。烘爐期間氣化爐內環境相對干凈，熱電偶磨損和腐蝕情況較小，使用壽命也相對較長，經濟效益明顯。但是在特殊復雜工況下引起的局部過熱也會導致熱電偶套管腐蝕和斷裂情況，隨著各類經驗的摸索氣化爐運行工況逐步平穩此問題已逐步解決。

1.2 固定熱電偶的使用及優缺點

當氣化爐的溫度達到投煤條件時，投用煤漿混合燒嘴，投煤前后的溫度主要參考固定熱電偶。固定熱電偶設置在氣化爐水平段兩側上方和上升段位置與可伸縮熱偶位置互補，在烘爐期間固定在上升段的熱電偶與處在對稱位置的可伸縮熱電偶進行溫度比對和計算出矯正溫度。固定熱電偶采用高壓法蘭連接，B型鉑銠熱電偶，單支偶絲，套管采用補強套管外加陶瓷材質。每支熱電偶內置在氣化爐磚內側，熱電偶頂端可接觸到氣化爐內合成氣。固定熱電偶處在高溫高壓含固氣體環境，在高壓氣體沖擊下熱電偶套管震動較大容易斷裂，合成氣中含有的氫硫物質容易造成漏點腐蝕。各種苛刻因素易導致一段固定熱電偶損壞，測量偏差較大，但是作為投煤前期的溫度條件來說參考意義較大。作為氣化爐核心工段，一段固定熱電偶還需極大改善滿足測量與工藝調整參數需求。

1.3 多點柔性熱電偶的使用及優缺點

煤漿在氣化爐一段燃燒后產生大量熱渣，通過出渣口在抽引合成氣和重力帶動下進入激冷室內。激冷段設有倒流筒和激冷噴嘴用于冷卻并固化排渣。固化后的渣向下流出激冷段，進入破渣機經破碎后離開氣化爐通過專有的連續降壓設施送到渣水系統。激冷室的橢圓封頭和下降管內外側都有降溫水，為了準確測量是否超溫損壞設備，在此處設置了多點柔性熱電偶。每臺氣化爐各采用一套3點單支多點柔性熱電偶和一套4點單支多點柔性熱電偶。熱偶測量溫度范圍不高于600 ℃，采用K型熱電偶，截至目前這幾支熱電偶溫度響應曲線良好。

成套的系統包括鎧裝熱電偶、密封檢驗系統、密封腔壓力表、接線盒、雙隔斷閥、測溫塊、支撐件及固定件。由于熱電偶所處環境在氣化爐內部位置苛刻，運行中損壞無法更換，熱電偶偶絲材質采用同一批材質保證熱電偶的重復性。套管材質采用Inconel800，熱電偶的每個測溫點通過特殊設計的融焊密封技術，保證多點熱電偶系統一次密封在高溫條件下的安全性與可靠性。

每根熱電偶末端都裝有破裂封堵裝置，當某根熱電偶套管破裂時，只需要切斷該支熱電偶，不影響其他鎧管中熱電偶正常運行，裝置繼續安全運行，不需要停車。目前運行來看此熱偶使用周期非常久，經濟效益可觀，穩定性也比較強。

1.4 其他固定熱電偶的使用及優缺點

氣化爐一段生成的合成氣向上流動進入氣化爐二段，二段氣化爐噴入的煤漿利用來自一段爐的合成氣攜帶的高溫熱量進行氣化，生成氫氣和一氧化碳，從而提高了氣化效率。

二段煤漿的噴入使得帶入氣化爐二段的合成氣溫度大幅度冷卻，二段出口設置的四支雙絲熱電偶更加精準地測量出氣化爐內部溫度，為后續控溫調壓提供精準依據。二段出口為了更進一步精確控溫增加了4個激冷噴嘴，噴入低壓合成氣和高壓冷凝液。在二段出現結焦和堵塞的情況后，為了防止氣化爐內部高壓氣體倒躥出來，在激冷噴嘴外部加了表面熱偶，供超溫緊急停工參考。表面熱偶采用的是K型貼壁式熱電偶，采用鋼渣帶固定。

二段出口熱電偶正常測溫在1 000～1 200 ℃之間，普通K型熱電偶在1 000 ℃以上精度偏差較大。我們選用了B型鉑銠熱電偶，單臺雙支多偶絲，每支偶絲對應一臺溫度變送器，套管采用整體鉆孔直形套管，抗硫化氫腐蝕。在運行一個周期后整體使用效果良好，復雜工況下依舊能勝任部分測量，為一段溫度和后續溫度提供強力保障。二段熱電偶在截至目前使用周期內非常良好，經濟效益客觀。在單支偶絲或單臺偶絲故障出現時，其他正常熱電偶依舊可以提供可靠測量。

合成氣在經過較長的過渡段到達停留罐前后焦油進一步裂解溫度會繼續下降，在停留罐繼續使用高溫冷凝液和低壓合成氣進行冷卻，溫度低于1 000 ℃以下，位于停留罐進出口和余熱鍋爐進出口的熱電偶使用環境相對之前已大為改善，選用K型熱電偶在滿足使用工況條件下，將內部環境測量更加精準，每個位置保證對稱位置各有一支熱電偶且熱電偶均插入氣化爐內部與內部介質直接接觸。

2 E-GAS氣化爐的三種外壁測溫系統

氣化爐內部的各段測溫為工藝各種控制和參考手段，由于E-GAS氣化爐國內外運行時間有限，各種處理異常情況經驗無法得到借鑒。在設計的基礎上，為保證氣化爐本質安全，還在氣化爐外壁設置了三種固定測溫系統。

2.1 熱敏漆的使用及優缺點

在正常情況下，氣化爐外壁溫度未超過250 ℃時，爐壁顏色呈現藍色，當溫度高于250 ℃以后藍色油漆變為白色。

優點：判斷直觀，現場巡檢第一時間能發現具體區域，為初步判斷提供參考和調整時間。

缺點：一是此溫度觀測有不可逆性，超過以后當溫度降低就無法恢復原來顏色，變白以后實際溫度具體停留在哪個區間還需進一步測量，只能初步判斷是否超溫；二是正常工況下也有部分區域超過250 ℃，對正常工況下的溫度參考有局限性，爐壁溫度降低后熱敏漆顏色無法恢復。

2.2 PFA熱點檢測系統的使用及優缺點

PFA熱點檢測系統采用特殊PFA管、差壓變送器、孔板和固定的耐高溫磁鐵組成。PFA熱點檢測系統基本原理為利用特定PFA管具備特定熔點的特性，在PFA管中充入一定壓力的儀表風，讓PFA緊貼設備外壁，當氣化爐內壁耐火材料出現異常破裂時，設備鋼制外壁異常迅速升溫導致PFA管融化破裂泄壓，以測量限流孔板前后壓差變化作為設備外壁監測報警。差壓變送器引入中控DCS系統監控，當有壓力持續升高報警時，中控大概判斷高溫區域安排現場人員排查漏點具體位置現場繼續測溫判斷，熱點持續上漲判斷是否停車，若下降則繼續觀察。現場還需具體排查漏氣位置。

優點：一是中控能實時監控報警，第一時間判斷大概區域；二是測溫區域覆蓋面積廣，相比其他測量設備經濟效益高；三是PFA管在局部破損時可在線更換能提高反復利用率。

缺點：一是高溫磁鐵固定效果前期固定可靠伴隨著工況的變化，易脫落，增加鋼軋帶解決了此問題；二是即使能判斷大概區域，但是氣化爐整體面積較大，判斷具體漏點仍需要較長時間，出現緊急情況在線查找和更換風險較大。

2.3 光纖測溫的使用及優缺點

分布式光纖測溫基于自發拉曼Raman散射效應。激光入射到測溫光纜后會發生微弱的拉曼散射光，利用溫度敏感的反斯托克斯光和溫度不敏感的斯托克斯光的強度比獲得測溫光纜上任一點的溫度值。位置定位則利用散射光返回的時間，即激光雷達的原理來確定[1]。

分布式光纖測溫系統主要包括光纖傳感信號處理模塊與光纖傳感器兩大部分，如圖2所示。分布式光纖測溫系統由激光光源、光模塊、信號檢測模塊以及信號處理模塊組成，傳感器部分主要是由測溫光纜組成，測溫光纜本身也作為傳輸光纜使用。分布式光纖傳感解調模塊內置激光光源，通過光模塊將光源耦合到現場光纖傳感器，現場光纖傳感器背向散射出攜帶現場溫度信息的拉曼光信號，光模塊將散射信號送入信號檢測單元，在信號檢測單元中將光信號轉換為計算機可處理的電信號，再通過處理顯示單元，進行解調與顯示，最終得到直觀的分布式線性溫度傳感曲線[2]。分布式線性溫度傳感曲線，包括了整個光纜不同位置處的溫度信息，即生成了位置-溫度的二維圖形完整展現氣化爐測溫區域。

圖2 分布式光纖測溫系統示意圖

氣化爐壁測溫系統在氣化爐爐壁安裝耐高溫溫度傳感器，氣化爐現場測溫傳感器經鎧裝通訊光纜連接至機柜間測溫主機。在中央控制室設置監控子系統，監控數據通過光纖網絡從機柜間傳輸至中央控制室。

通過溫度監測分析軟件平臺來完成整個氣化爐爐壁表面溫度實時監測、分析、報警、數據查詢、歷史數據回放等功能。監控工作站實時監測氣化爐爐壁表面各部位溫度，實時、準確得到溫度分布參數，各測溫區域可視化顯示，系統定時記錄所有監測范圍內的溫度信息，可長時間存檔，通過對溫度數據的分析對超溫區域或者溫度上升速率過快區域給出提示報警[3]。

優點：可快速測量氣化爐外壁溫度，可視化圖像能準確找到現場位置并根據氣化爐結構判斷工況變化。光纖抗電磁干擾能力強，滿足現場防爆要求，現場傳感器無需供電，測溫傳感器可與氣化爐爐壁緊密貼合敷設，系統測量精度不受氣化爐現場環境影響。光纖測溫不僅可以顯示氣化爐爐壁任意點的溫度，還能分析爐壁表面溫度變化趨勢。便于操作人員全面掌握和了解爐壁工況，直接、快速發現氣化爐爐壁隱患所在，避免危險事故的發生，為氣化爐安全穩定運行及工藝過程控制提供有效保障[4]。減少操作人員勞動強度，提高工藝人員工作效率，提供更加科學的管理手段。

缺點：光纖外部保護鋼絲張力過大，有經常脫離的情況出現，光纖敷設范圍大，成本相對較高。

3 結語

不同工況采用不同結構和測溫方式對氣化爐測溫。目前爐內二段以上采用的K型和B型熱電偶測量穩定性和準確性都比較高，多點熱電偶的性能更加可靠。氣化爐外壁增加的光纖測溫系統更好地彌補了氣化爐測溫的短板，提高了測溫的及時響應速度，為判斷熱點提供寶貴調整時間，也為長周期提供更寶貴的可靠依據和安全屏障。但是氣化爐一段測溫仍需要突破和改善，期待在接下來的調整過程中有新的進展。