E-GAS气化炉测温系统简介

徐海宝(中海油惠州石化有限公司，广东 惠州 516086)

0 引言

随着煤制氢技术的日渐成熟，各种需求的气化炉在国内相继建立，国内首套E-GAS气化炉也由于其先进的环保理念被引入惠州石化。结合其独特的结构形式，本文将从E-GAS气化炉使用的各种测温系统介绍气化炉的各点测温情况。

1 E-GAS气化炉不同段使用的热电偶测温系统

E-GAS气化炉属于多段式结构，其组成包含气化炉急冷室、气化炉一段、二段、停留段、激冷段、余热锅炉。气化炉结构简图如图1所示。

图1 气化炉结构简图

1.1 可伸缩热电偶的使用及优缺点

气化炉是带有内衬的高温气流床反应器，一段气化炉的两端对称设置燃料气烧嘴和煤浆混合烧嘴。气化炉在一段共计有三支可伸缩热电偶：分别位于两水平段顶部和上升段。热电偶在正常测温时顶端伸入炉内一定长度，气化炉温度达到1 000 ℃时热电偶顶端缩回到气化炉砖内。为适应气化炉高温环境热电偶套管采用外加循环冷却夹套，并利用电磁阀控制仪表空气作为收缩动力。可伸缩热电偶采用K型钨-铼材质，套管材质采用钼铼，每支热电偶内含单支偶丝。气化炉一段热电偶所处现场环境温度较高，不利于温度变送器安装环境，采用加长补偿电缆方式到室内采用导轨式温度变送器。目前可伸缩热电偶在使用过程中，三支热电偶对比差距很小，为气化炉在烘炉阶段提供可靠依据。烘炉期间气化炉内环境相对干净，热电偶磨损和腐蚀情况较小，使用寿命也相对较长，经济效益明显。但是在特殊复杂工况下引起的局部过热也会导致热电偶套管腐蚀和断裂情况，随着各类经验的摸索气化炉运行工况逐步平稳此问题已逐步解决。

1.2 固定热电偶的使用及优缺点

当气化炉的温度达到投煤条件时，投用煤浆混合烧嘴，投煤前后的温度主要参考固定热电偶。固定热电偶设置在气化炉水平段两侧上方和上升段位置与可伸缩热偶位置互补，在烘炉期间固定在上升段的热电偶与处在对称位置的可伸缩热电偶进行温度比对和计算出矫正温度。固定热电偶采用高压法兰连接，B型铂铑热电偶，单支偶丝，套管采用补强套管外加陶瓷材质。每支热电偶内置在气化炉砖内侧，热电偶顶端可接触到气化炉内合成气。固定热电偶处在高温高压含固气体环境，在高压气体冲击下热电偶套管震动较大容易断裂，合成气中含有的氢硫物质容易造成漏点腐蚀。各种苛刻因素易导致一段固定热电偶损坏，测量偏差较大，但是作为投煤前期的温度条件来说参考意义较大。作为气化炉核心工段，一段固定热电偶还需极大改善满足测量与工艺调整参数需求。

1.3 多点柔性热电偶的使用及优缺点

煤浆在气化炉一段燃烧后产生大量热渣，通过出渣口在抽引合成气和重力带动下进入激冷室内。激冷段设有倒流筒和激冷喷嘴用于冷却并固化排渣。固化后的渣向下流出激冷段，进入破渣机经破碎后离开气化炉通过专有的连续降压设施送到渣水系统。激冷室的椭圆封头和下降管内外侧都有降温水，为了准确测量是否超温损坏设备，在此处设置了多点柔性热电偶。每台气化炉各采用一套3点单支多点柔性热电偶和一套4点单支多点柔性热电偶。热偶测量温度范围不高于600 ℃，采用K型热电偶，截至目前这几支热电偶温度响应曲线良好。

成套的系统包括铠装热电偶、密封检验系统、密封腔压力表、接线盒、双隔断阀、测温块、支撑件及固定件。由于热电偶所处环境在气化炉内部位置苛刻，运行中损坏无法更换，热电偶偶丝材质采用同一批材质保证热电偶的重复性。套管材质采用Inconel800，热电偶的每个测温点通过特殊设计的融焊密封技术，保证多点热电偶系统一次密封在高温条件下的安全性与可靠性。

每根热电偶末端都装有破裂封堵装置，当某根热电偶套管破裂时，只需要切断该支热电偶，不影响其他铠管中热电偶正常运行，装置继续安全运行，不需要停车。目前运行来看此热偶使用周期非常久，经济效益可观，稳定性也比较强。

1.4 其他固定热电偶的使用及优缺点

气化炉一段生成的合成气向上流动进入气化炉二段，二段气化炉喷入的煤浆利用来自一段炉的合成气携带的高温热量进行气化，生成氢气和一氧化碳，从而提高了气化效率。

二段煤浆的喷入使得带入气化炉二段的合成气温度大幅度冷却，二段出口设置的四支双丝热电偶更加精准地测量出气化炉内部温度，为后续控温调压提供精准依据。二段出口为了更进一步精确控温增加了4个激冷喷嘴，喷入低压合成气和高压冷凝液。在二段出现结焦和堵塞的情况后，为了防止气化炉内部高压气体倒蹿出来，在激冷喷嘴外部加了表面热偶，供超温紧急停工参考。表面热偶采用的是K型贴壁式热电偶，采用钢渣带固定。

二段出口热电偶正常测温在1 000～1 200 ℃之间，普通K型热电偶在1 000 ℃以上精度偏差较大。我们选用了B型铂铑热电偶，单台双支多偶丝，每支偶丝对应一台温度变送器，套管采用整体钻孔直形套管，抗硫化氢腐蚀。在运行一个周期后整体使用效果良好，复杂工况下依旧能胜任部分测量，为一段温度和后续温度提供强力保障。二段热电偶在截至目前使用周期内非常良好，经济效益客观。在单支偶丝或单台偶丝故障出现时，其他正常热电偶依旧可以提供可靠测量。

合成气在经过较长的过渡段到达停留罐前后焦油进一步裂解温度会继续下降，在停留罐继续使用高温冷凝液和低压合成气进行冷却，温度低于1 000 ℃以下，位于停留罐进出口和余热锅炉进出口的热电偶使用环境相对之前已大为改善，选用K型热电偶在满足使用工况条件下，将内部环境测量更加精准，每个位置保证对称位置各有一支热电偶且热电偶均插入气化炉内部与内部介质直接接触。

2 E-GAS气化炉的三种外壁测温系统

气化炉内部的各段测温为工艺各种控制和参考手段，由于E-GAS气化炉国内外运行时间有限，各种处理异常情况经验无法得到借鉴。在设计的基础上，为保证气化炉本质安全，还在气化炉外壁设置了三种固定测温系统。

2.1 热敏漆的使用及优缺点

在正常情况下，气化炉外壁温度未超过250 ℃时，炉壁颜色呈现蓝色，当温度高于250 ℃以后蓝色油漆变为白色。

优点：判断直观，现场巡检第一时间能发现具体区域，为初步判断提供参考和调整时间。

缺点：一是此温度观测有不可逆性，超过以后当温度降低就无法恢复原来颜色，变白以后实际温度具体停留在哪个区间还需进一步测量，只能初步判断是否超温；二是正常工况下也有部分区域超过250 ℃，对正常工况下的温度参考有局限性，炉壁温度降低后热敏漆颜色无法恢复。

2.2 PFA热点检测系统的使用及优缺点

PFA热点检测系统采用特殊PFA管、差压变送器、孔板和固定的耐高温磁铁组成。PFA热点检测系统基本原理为利用特定PFA管具备特定熔点的特性，在PFA管中充入一定压力的仪表风，让PFA紧贴设备外壁，当气化炉内壁耐火材料出现异常破裂时，设备钢制外壁异常迅速升温导致PFA管融化破裂泄压，以测量限流孔板前后压差变化作为设备外壁监测报警。差压变送器引入中控DCS系统监控，当有压力持续升高报警时，中控大概判断高温区域安排现场人员排查漏点具体位置现场继续测温判断，热点持续上涨判断是否停车，若下降则继续观察。现场还需具体排查漏气位置。

优点：一是中控能实时监控报警，第一时间判断大概区域；二是测温区域覆盖面积广，相比其他测量设备经济效益高；三是PFA管在局部破损时可在线更换能提高反复利用率。

缺点：一是高温磁铁固定效果前期固定可靠伴随着工况的变化，易脱落，增加钢轧带解决了此问题；二是即使能判断大概区域，但是气化炉整体面积较大，判断具体漏点仍需要较长时间，出现紧急情况在线查找和更换风险较大。

2.3 光纤测温的使用及优缺点

分布式光纤测温基于自发拉曼Raman散射效应。激光入射到测温光缆后会发生微弱的拉曼散射光，利用温度敏感的反斯托克斯光和温度不敏感的斯托克斯光的强度比获得测温光缆上任一点的温度值。位置定位则利用散射光返回的时间，即激光雷达的原理来确定[1]。

分布式光纤测温系统主要包括光纤传感信号处理模块与光纤传感器两大部分，如图2所示。分布式光纤测温系统由激光光源、光模块、信号检测模块以及信号处理模块组成，传感器部分主要是由测温光缆组成，测温光缆本身也作为传输光缆使用。分布式光纤传感解调模块内置激光光源，通过光模块将光源耦合到现场光纤传感器，现场光纤传感器背向散射出携带现场温度信息的拉曼光信号，光模块将散射信号送入信号检测单元，在信号检测单元中将光信号转换为计算机可处理的电信号，再通过处理显示单元，进行解调与显示，最终得到直观的分布式线性温度传感曲线[2]。分布式线性温度传感曲线，包括了整个光缆不同位置处的温度信息，即生成了位置-温度的二维图形完整展现气化炉测温区域。

图2 分布式光纤测温系统示意图

气化炉壁测温系统在气化炉炉壁安装耐高温温度传感器，气化炉现场测温传感器经铠装通讯光缆连接至机柜间测温主机。在中央控制室设置监控子系统，监控数据通过光纤网络从机柜间传输至中央控制室。

通过温度监测分析软件平台来完成整个气化炉炉壁表面温度实时监测、分析、报警、数据查询、历史数据回放等功能。监控工作站实时监测气化炉炉壁表面各部位温度，实时、准确得到温度分布参数，各测温区域可视化显示，系统定时记录所有监测范围内的温度信息，可长时间存档，通过对温度数据的分析对超温区域或者温度上升速率过快区域给出提示报警[3]。

优点：可快速测量气化炉外壁温度，可视化图像能准确找到现场位置并根据气化炉结构判断工况变化。光纤抗电磁干扰能力强，满足现场防爆要求，现场传感器无需供电，测温传感器可与气化炉炉壁紧密贴合敷设，系统测量精度不受气化炉现场环境影响。光纤测温不仅可以显示气化炉炉壁任意点的温度，还能分析炉壁表面温度变化趋势。便于操作人员全面掌握和了解炉壁工况，直接、快速发现气化炉炉壁隐患所在，避免危险事故的发生，为气化炉安全稳定运行及工艺过程控制提供有效保障[4]。减少操作人员劳动强度，提高工艺人员工作效率，提供更加科学的管理手段。

缺点：光纤外部保护钢丝张力过大，有经常脱离的情况出现，光纤敷设范围大，成本相对较高。

3 结语

不同工况采用不同结构和测温方式对气化炉测温。目前炉内二段以上采用的K型和B型热电偶测量稳定性和准确性都比较高，多点热电偶的性能更加可靠。气化炉外壁增加的光纤测温系统更好地弥补了气化炉测温的短板，提高了测温的及时响应速度，为判断热点提供宝贵调整时间，也为长周期提供更宝贵的可靠依据和安全屏障。但是气化炉一段测温仍需要突破和改善，期待在接下来的调整过程中有新的进展。