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特殊热电偶在甲醇合成装置中的应用

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特殊热电偶在甲醇合成装置中的应用

摘要:根据甲醇工艺装置中天然气转化合成工况和介质的特殊性,对温度测量提出了苛刻的要求。介绍了天然气蒸汽转化合成工段中几种特殊温度计的技术特点和使用方法,针对天然气转化合成装置的特殊设备预转化反应器、转化炉和甲醇合成反应器的温度测量提出了较好的方案,并在现场装置实际运行中取得了良好的效果。

     甲醇是多种有机产品的基本原料和重要溶剂,广泛用于有机合成、染料、医药、涂料和国防等工业。国内某大型煤化工项目利用当地丰富的煤炭、油田气资源和就近可得的常压渣油,采用国际先进的、符合环保要求的工艺技术,建设煤气化和油田气转化制甲醇、甲醇制烯烃、渣油催化裂解制烯烃、聚乙烯、聚丙烯等上下游关联的工艺装置,实现了产品的“一体化”和“系列化”,体现了“减量化、再循环、再利用”的循环经济理念,具有较强的市场竞争能力。

1 工艺技术特点
        该甲醇装置为5.5kt/d(以100%甲醇计)甲醇制烯烃(MTO)级甲醇生产装置,使用1个催化富气预转化反应器和1个常规的蒸汽转化炉用于原料天然气生产合成气。天然气制合成气与煤制合成气和DCC富氢气混合作为原料进入甲醇合成回路。
       该甲醇工艺主要包括原料准备、天然气蒸气转化、甲醇合成、精制和蒸汽系统五大部分,工艺流程如图1所示。甲醇工艺流程示意


        脱硫后的天然气与蒸汽混合,经加热进入转化管内与催化剂接触,产生如下催化反应:
        CH4+H2O  ===CO+3H2   (1)
        CH4+2H2O===CO2+4H2 (2)
        CH4+CO2  ===2CO+2H2 (3)
        影响转化的因素主要有温度、水碳比、压力、空速、催化剂、蒸汽含盐、气体含硫等,其中对温度的控制是转化过程中的重中之重,提高温度有利于转化反应的进行,可以降低残余甲烷体积分数。但如果温度过高将会造成催化剂触媒(镍)的活性降低,影响转化反应效率,还会严重影响转化炉炉管的寿命。

2 天然气转化合成工段中特殊温度计的应用
2.1 安装在预转化反应器顶部的多点热电偶
        预转化反应器是一道低温转化工艺,通过天然气与蒸汽在绝热催化剂床上反应,将天然气给料中重质烃裂解成轻质组分(主要为甲烷),同时生成一些氢气、一氧化碳及二氧化碳,整个反应为吸热反应。预转化反应器各床层温度应保持在465~550℃,并且温度不应低于300℃。如果催化剂床层温度过高,会破坏催化剂结构,发生烧结,使催化剂活性降低;催化剂床层内任意一点的温度若低于300℃,会使饱和蒸汽冷凝,附着在催化剂上,长时间后会浸泡催化剂,使催化剂失去活性。根据此特点,在预转化反应器圆周内按120°角方向分别设置了3个14点的双支K型热电偶。根据床层的高度,确定每支热电偶的插入深度。如图2所示,该热电偶分为三大部分,分别是热电偶保护管、与设备连接部分和信号转换部分。为了与DCS信号统一,现场信号电缆不采用热电偶补偿导线。多点热电偶顶部带温度信号转换接线箱,将双支热电偶的信号引至接线箱,接线箱中装14个国外广告联盟,将双支热电偶其中1组的14个检测点信号转换为4~20mA 信号送至DCS,剩下1组的14个热电偶信号接至接线箱空余端子排上,便于随时替换使用。多点热电偶的接线箱依靠1片DN100法兰与多点热电偶连接在一起。多点热电偶与设备之间采用DN150的法兰连接,法兰材质和压力等级与设备一致。

预转化反应器多点热电偶装配示意

 每个14点双支热电偶的检测点分内圈和外圈均匀分布在DN150法兰上:外圈8个、内圈6个;热电偶每个检测点的外护套管外径为6.4mm,在法兰的中心开6.4mm的孔,焊接1根6.4mm的钢柱,用于增加热电偶的支撑力度。预转化反应器多点热电偶内部结构如图3所示,每个双支多点热电偶的测量元件长度应与每一层催化剂床层的高度保持一致,每个测量元件的护套外径为3mm,测量元件前端弯曲并紧贴保护管内壁,保证测量的准确性和实时性,此外导向管的两边和终端分隔板焊接,紧密包裹着测量元件,防止热电偶在振动的过程中测量元件与终端分隔板产生摩擦而影响使用寿命。多点热电偶的14个测量端在图3中分别用字母A~N表示。

预转化反应器多点热电偶内部结构示意

2.2 转化炉下集合管吹扫热电偶
        位于转化炉底部出口输气总管上的温度检测点对于转化炉运行十分重要,它是整个转化炉科学合理操作的基础,在转化炉燃烧控制系统中,其作为燃烧控制和联锁的输入条件之一,配合转化原料气的流量、混合燃料气热值和总水碳比等重要参数,共同决定了转化炉燃烧系统的负荷。该处温度指示为转化炉出口合成气的温度,工艺的操作温度控制在890℃,以保证合成气中的甲烷体积分数不大于3%。

         转化炉出口合成气的主要成分是氢气和一氧化碳,温度890℃,压力2.1MPa,氢气在高温、高压下具有较高还原性,经过长期渗漏腐蚀,可以穿透普通的热电偶保护管,腐蚀检测元件,有时甚至反漏出管道,给生产带来危害。因此,安装在转化炉底部下集合管的2个K型双支热电偶必须采用特殊的测量方法。

         笔者选用的是1个带DN50法兰的K型热电偶,热电偶测量元件外护套材质采用inconel 600,热电偶保护管采用特殊的材质incoloy 800H,同时法兰以下与介质接触的部分喷涂一层厚度50~100μm的铝涂层,以防止氢气的渗漏,并在热电偶法兰上部的保护管上螺纹连接1个“Y”型接头,侧面连接氮气管线,直管上连接1根碳钢管。碳钢管顶部带热电偶转换模块接线盒。同时碳钢管上带1个4mm的排气孔,以排放出氮气或氢气。接入的氮气流量一定是微量的可调节的(0~0.08m3/h)。因此,应加入1个吹气装置调节流量。氮气由1根
        3mm材质为inconel Alloy 690的导管通入热电偶保护管,以便将可能渗入保护管内的氢气吹出。在保护管内气体流速应不大于45m/s。采用这种特殊结构、特殊材质才能有效防止氢气腐蚀以及氢脆的发生。

2.3 安装在甲醇合成反应器上的多点热电偶
        甲醇合成反应器为管式径向流反应器,壳侧装有铜基催化剂,合成气体进入催化剂床层后,在温度约为250℃的条件下氢气与一氧化碳、二氧化碳反应生成甲醇和水,同时还有微量的有机杂质生成。甲醇合成反应:

CO+2H2==CH3OH
CO2+3H2==CH3OH+H2O

        使用催化剂生成甲醇的效率取决于压力、催化剂温度、循环速率、合成气组成及催化剂使用年限和状况。其中温度控制尤为重要,直接影响到甲醇的合成率。如果温度过低,反应器内会产生蜡,这将增加过滤器的更换频率,所形成的部分蜡也将永久地粘附在催化剂上,从而污损活化区,影响甲醇合成率;如果温度过高将造成甲醇催化剂受热烧结,很快失去活性。由于催化剂在合成反应中至关重要而且价格昂贵,在确保甲醇产量和操作稳定性的情况下,应尽量将温度维持在合理的低温区间内。

        每个甲醇合成反应器顶部有4个温度检测口,每个温度检测口安装1个组合式双支K型多点热电偶,每支多点热电偶从上到下分布10个温度检测点,双支热电偶共用热电偶保护套管,用于检测合成反应器内部在不同高度催化剂床层的温度。多点热电偶分为上、中、下三个部分,顶部接线盒用于将热电偶信号转化为4~20mA 模拟量信号送至现场机柜间,中间部分用1片DN100法兰与合成反应器相连,法兰根部至反应器上部切线位置用1根DN100保护管固定,进入催化剂床层部分,保护管缩径后一直延伸至催化剂床层底部。合成反应器内部极易发生副反应即甲烷化反应,甲烷化反应为强放热反应,反应后的高温会使催化剂老化,损坏反应器内件,必须通过温度报警和联锁对合成
反应器进行温度监控。笔者选用的双支多点热电偶其中1支的10个温度检测信号全部进入DCS,在另1支多点热电偶的上、下位置各设置3个温度检测点,信号进入DCS,中间位置的4个温度检测点的信号进入SIS,合成反应器的进料口在中间位置,主要的反应热量都集中在中间区域,所以反应器的中间位置的反应热最为集中。进DCS和SIS中间位置的4个温度检测点分别做“2oo16”的温度高限联锁,联锁动作会触发上游合成压缩机的转速控制将其转速调至最低,泄放合成回路压力,降低压力会使反应器内的冷却增强,通过循环气带走热量,给甲醇合成反应器床层降温;如果DCS中的温度高高限(TAHH)联锁没有被激活或者DCS联锁触发后降温效果不明显,使得温度继续升高,此时设置在SIS中的温度高高高限(TSHHH)将触发联锁跳车动作。联锁触发的结果将会切断整个甲醇合成回路合成气进气,包括煤基合成气和天然气转化合成气,这样就大幅减少了反应热,使床层温度得到控制,不再继续升高,有效地保护了催化剂。此外每支多点热电偶由上到下选取第2点~第8点做中值选择,其值在DCS上做显示,防止催化剂钝化不完全,温度升高造成烧结堵塞催化剂卸料孔。

         合成反应器床层多点热电偶结构复杂,安装难度大,为确保使用性和安全性,该多点热电偶应专利商要求而选用E+H 产品,并随专利商提供的合成反应器设备成套提供。由于每支多点热电偶的10个检测点阳极共用,为避免现场国外广告联盟模块的输出信号发生漂移现象,应特别注意选用电气隔离性能较高(大于2 000V)的国外广告联盟模块。

3 选择温度测量仪表的要素
1)对于温度计,不仅要对保护管的材质提出设计要求,考虑其耐高温、耐高压、耐腐蚀和耐冲击碰撞等,还应该对起固定作用的法兰、螺栓螺母垫片、卡套密封圈和接线盒等连接件严格要求,在阻漏方面也应有明确的规定。
2)化工装置的现场属于高危区域,在温度计的设计上不仅要选择合适的防爆类型和防护等级,特别是现场接线箱也应满足所在区域的防爆要求。
3)温度计通常都是插入到设备或者管道本体内部来测量温度,尤其是插入设备内部的温度计,要从选型上对插入深度和法兰尺寸有明确的要求,需仔细研究设备图,确认温度计口内部是否有溢流板或挡板影响温度计的插入。
4)为了避免开停车对业主造成经济损失和安全隐患,同时降低维修成本和安装难度,特殊场合的温度计可选用双支型热电阻或热电偶;在重要设备上的特殊热电偶可选用利于安装、便于拆卸的抽芯式结构。

4 结束语
         实践证明,温度是指导工艺流程正常稳定运转的指标,快速、准确、安全是温度测量的目标。温度测量仪表的应用十分广泛,技术发展与时俱进,笔者结合自身的工作经验,总结了甲醇装置中特殊热电偶的选型、安装及注意事项,期望能给相关项目提供借鉴和参考。

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