特殊熱電偶在甲醇合成裝置中應用

摘要:根據甲醇工藝裝置中天然氣轉化合成工況和介質的特殊性,對溫度測量提出了苛刻的要求。介紹了天然氣蒸汽轉化合成工段中幾種特殊溫度計的技術特點和使用方法,針對天然氣轉化合成裝置的特殊設備預轉化反應器、轉化爐和甲醇合成反應器的溫度測懸提出了較好的方案,并在現場裝置實際運行中取得良好的效果。
　　甲醇是多種有機產品的基本原料和重要溶劑，廣泛用于有機合成、染料、醫藥涂料和國防等工業。國內某大型煤化工項目利用當地豐富的煤炭、油田氣資源和就近可得的常壓渣油,采用國際先進的符合環保要求的工藝技術,建設煤氣化和油田氣轉化制甲醇、甲醇制烯烴渣油催化裂解制烯烴、聚乙烯、聚丙烯等上下游關聯的工藝裝置,實現了產品的“--體化”和“系列化”,體現了“減量化、再循環、再利用”的循環經濟理念,具有較強的市場競爭能力。
1工藝技術特點
　　該甲醇裝置為5.5kt/d(以100%甲醇計)甲醇制烯烴(MTO)級甲醇生產裝置，使用1個催化富氣預轉化反應器和1個常規的蒸汽轉化爐用于原料天然氣生產合成氣。天然氣制合成氣與煤制合成氣和DCC富氫氣混合作為原料進入甲醇合成回路。
　　該甲醇工藝主要包括原料準備、天然氣蒸氣轉化、甲醇合成、精制和蒸汽系統五大部分,工藝流程如圖1所示。
 
　　脫硫后的天然氣與蒸汽混合,經加熱進入轉化管內與催化劑接觸,產生如下催化反應:
CH₄+H2O--CO+3H₂(1)
CH₄+2H₂O=CO₂+4H₂(2)
CH₄+CO₂-2CO+2H₂(3)
　　影響轉化的因素主要有溫度、水碳比、壓力空速、催化劑蒸汽含鹽、氣體含硫等,其中對溫度的控制是轉化過程中的重中之重,提高溫度有利于轉化反應的進行，可以降低殘余甲烷體積分數。但如果溫度過高將會造成催化劑觸媒(鎳)的活性降低，影響轉化反應效率，還會嚴重影響轉化爐爐管的壽命。
2天然氣轉化合成工段中特殊溫度計的應用
2.1安裝在預轉化反應器頂部的多點熱電偶
　　預轉化反應器是一道低溫轉化工藝,通過天然氣與蒸汽在絕熱催化劑床上反應,將天然氣給料中重質烴裂解成輕質組分(主要為甲烷),同時生成一些氫氣、一氧化碳及二氧化碳,整個反應為吸熱反，應。預轉化反應器各床層溫度應保持在465~550C,并且溫度不應低于300℃。如果催化劑床層溫度過高,會破壞催化劑結構,發生燒結,使催化劑活性降低;催化劑床層內任意一點的溫度若低于300℃,會使飽和蒸汽冷凝,附著在催化劑上,長時間后會浸泡催化劑,使催化劑失去活性。根據此特點,在預轉化反應器圓周內按120°角方向分別設置了3個14點的雙支K型熱電偶。根據床層的高度,確定每支熱電偶的插人深度。如圖2所示，.該熱電偶分為三大部分,分別是熱電偶保護管、與設備連接部分和信號轉換部分。為了與DCS信號.統一,現場信號電纜不采用熱電偶補償導線。多點熱電偶項部帶溫度信號轉換接線箱,將雙支熱電偶的信號引至接線箱,接線箱中裝14個溫度變送器，將雙支熱電偶其中1組的14個檢測點信號轉換為4~20mA信號送至DCS,剩下1組的14個熱電偶信號接至接線箱空余端子排上,便于隨時替換使用。多點熱電偶的接線箱依靠1片DN100法蘭與多點熱電偶連接在一起。多點熱電偶與設備之間采用DN150的法蘭連接,法蘭材質和壓力等級與設備一致。
 
　　每個14點雙支熱電偶的檢測點分內圈和外圈均勻分布在DN150法蘭上:外圈8個、內圈6個;熱電偶每個檢測點的外護套管外徑為φ6.4mm,在法蘭的中心開φ6.4mm的孔,焊接1根φ6.4mm的鋼柱,用于增加熱電偶的支撐力度。
　　預轉化反應器多點熱電偶內部結構如圖3所示,每個雙支多點熱電偶的測量元件長度應與每一層催化劑床層的高度保持一致,每個測量元件的護套外徑為φ3mm,測量元件前端彎曲并緊貼保護管內壁,保證測量的正確性和實時性，此外導向管的兩邊和終端分隔板焊接,緊密包裹著測量元件,防止熱電偶在振動的過程中測量元件與終端分隔板產生摩擦而影響使用壽命。多點熱電偶的14個測量端在圖3中分別用字母A~N表示。
 
2.2轉化爐下集合管吹掃熱電偶
　　位于轉化爐底部出口輸氣總管上的溫度檢測點對于轉化爐運行十分重要,它是整個轉化爐科學合理操作的基礎,在轉化爐燃燒控制系統中,其作為燃燒控制和聯鎖的輸入條件之一,配合轉化原料氣的流量、混合燃料氣熱值和總水碳比等重要參.數,共同決定了轉化爐燃燒系統的負荷。該處溫度指示為轉化爐出口合成氣的溫度,工藝的操作溫度控制在890C,以保證合成氣中的甲烷體積分數不大于3%。
　　轉化爐出口合成氣的主要成分是氫氣和一氧化碳,溫度890℃,壓力2.1MPa,氫氣在高溫、高壓下具有較高還原性,經過長期滲漏腐蝕,可以穿透普通的熱電偶保護管,腐蝕檢測元件,有時甚至反漏出管道,給生產帶來危害。因此，安裝在轉化爐底部下集合管的2個K型雙支熱電偶必須采用特殊的測量方法。
　　1個帶DN50法蘭的K型熱電偶，熱電偶測量元件外護套材質采用inconel600,熱電偶保護管采用特殊的材質incoloy800H,同時法蘭以下與介質接觸的部分噴涂一層厚度50~100pum的鋁涂層,以防止氫氣的滲漏,并在熱電偶法蘭上部的保護管上螺紋連接1個“Y”型接頭,側面連接氮氣管線,直管上連接1根碳鋼管。碳鋼管頂部帶熱電偶轉換模塊接線盒。同時碳鋼管上帶1個中4mm的排氣孔,以排放出氮氣或氫氣。接人的氮氣流量一定是微量的可調節的(0~0.08m2/h)。因此,應加入1個吹氣裝置調節流量。氮氣由1根P3mm材質為inconelAlloy690的導管通人熱電偶保護管,以便將可能滲入保護管內的氫氣吹出。在保護管內氣體流速應不大于45m/s。采用這種特殊結構、特殊材質才能有效防止氫氣腐蝕以及氫脆的發生。
2.3安裝在甲醇合成反應器上的多點熱電偶
　　甲醇合成反應器為管式徑向流反應器,殼側裝有銅基催化劑,合成氣體進入催化劑床層后,在溫度約為250℃的條件下氫氣與一氧化碳、二氧化碳反應生成甲醇和水，同時還有微量的有機雜質生成。甲醇合成反應:
CO+2H₂一CH₃OH
CO₂+3H₂一CH₃OH+H₂O
　　使用催化劑生成甲醇的效率取決于壓力、催化劑溫度、循環速率、合成氣組成及催化劑使用年限和狀況。其中溫度控制尤為重要,直接影響到甲醇的合成率。如果溫度過低，反應器內會產生蠟,這將增加過濾器的更換頻率,所形成的部分蠟也將永久地粘附在催化劑上,從而污損活化區，影響甲醇合成率;如果溫度過高將造成甲醇催化劑受熱燒結,很快失去活性。由于催化劑在合成反應中至關重要而且價格昂貴,在確保甲醇產量和操作穩定性的情況下，應盡量將溫度維持在合理的低溫區間內。
　　每個甲醇合成反應器頂部有4個溫度檢測口，每個溫度檢測口安裝1個組合式雙支K型多點熱電偶,每支多點熱電偶從上到下分布10個溫度檢測點。雙支熱電偶共用熱電偶保護套管,用于檢測合成反應器內部在不同高度佃化劑床層的溫度。多點熱電偶分為上.中,下三個部分,頂部接線盒用于將熱電偶信號轉化為4~20mA核擬量信號送至現場機柜間,中間部分用1片DN100祛蘭與合成反應器相連.法蘭根部至反應器上部切線位置用1服DN100保護管固定,進人催化劑床層部分,保護管縮徑后一直延伸至催化劑床層底部。合成反應暑內部極易發生副反應即甲燒化反應,甲烷化反應為強放熱反應，反應后的高溫會使催化劑老化，損壞反應器內件,必須通過溫度報警和聯鎖對合成反應器進行溫度監控。選用的雙支多點熱電偶其中1支的10個溫度檢測信號全部進人DCS,在另1支多點熱電偶的上.下位置各設置3個溫度檢測點,信號進人DCS,中間位置的4個溫度檢測點的信號進入sIS,合成反應器的進料口在中間位置,主要的反應熱量都集中在中間區域，所以反應器的中間位置的反應熱最為集中。進DCS和sIs中間位置的4個溫度檢測點分別做"20o16"的溫度高限聯鎖,聯鎖動作會觸發上游合成壓縮機的轉速控制將其轉速調至最低,泄故合成回路壓力,降低壓力會使反應器內的冷卻增強.通過循環氣帶走熱量.給甲醉合成反應器床層降溫;如果DCS中的溫度高高限(TAHH)聯鎖沒有被激活或者DCS聯鎖觸發后降溫效果不明顯，使得溫度繼續升高,此時設置在SIS中的溫度高高高限(TSHHH)將觸發聯鎖跳車動作。聯鎖觸發的結果將會切斷整個甲醇合成回路合成氣進氣,包括煤基合成氣和天然氣轉化合成氣,這樣就大幅減少了反應熱,使床層溫度得到控制,不再能續升高,有效地保護了佃化劑。此外每支多點熱電偶由上到下選取第2點~第8點做中值選擇,其值在DCS上做顯示,防止催化劑鈍化不完全，溫度升高造成燒結堵寒佛化劑卸料孔。
　　合成反應器床層多點熱電偶結構復雜,安裝難度大,為確保使用性和安全性，該多點熱電偶應專利商要求而選用E+H產品,并隨專利商提供的合成反應器設備成套提供。由于每支多點熱電偶的10個檢測點陽極共用,為避免現場溫度變送器模塊的輸出信號發生漂移現象，應特別注意選用電氣隔離性能較高(大于2000V)的溫度變送器模塊。
3選擇溫度測量儀表的要素
1)對于溫度計,不僅要對保護管的材質提出設計要求,考慮其耐高溫、耐高壓、耐腐蝕和耐沖擊碰撞等,還應該對起固定作用的法蘭、螺栓螺母墊片、卡套密封圈和接線盒等連接件嚴格要求,在阻漏方面也應有明確的規定。
2)化工裝置的現場屬于高危區域,在溫度計的設計.上不僅要選擇合適的防爆類型和防護等級,特別是現場接線箱也應滿足所在區域的防爆要求。
3}溫度計通常都是插人到設備或者管道本體內部來測量溫度,尤其是插人設備內部的溫度計，要從選型上對插人深度和法蘭尺寸有明確的要求，需仔細研究設備圖，確認溫度計口內部是否有溢流板或擋板影響溫度計的插入。
4)為了避免開停車對業主造成經濟損失和安全隱患，同時降低維修成本和安裝難度,特殊場合的溫度計可選用雙支型熱電阻或熱電偶;在重要設備上的特殊熱電偶可選用利于安裝、便于拆卸的抽芯式結構。
4結束語
　　實踐證明,溫度是指導工藝流程正常穩定運轉的指標，快速、正確、安全是溫度測量的目標。溫度測量儀表的應用十分廣泛,技術發展與時俱進,結合自身的工作經驗,總結了甲醇裝置中特殊熱電偶的選型、安裝及注意事項,期望能給相關項目提供借鑒和參考。