高温热电偶在水煤浆气化炉的应用

高温热电偶在水煤浆气化炉的应用

宿健

（中煤陕西榆林能源化工有限公司，陕西 榆林 719000）

摘 要：本文介绍了高温热电偶在水煤浆气化炉的应用，阐述了高温热电偶的结构、工作原理、特点、安装方式、安装注意事项。温度是化工生产过程中十分重要的参数，温度的测量准确度直接决定了化工生产过程的有效性，往往决定了化学反应进行的速率以及效率，是化工生产实现稳产、高产、安全的关键参数。气化炉是以水煤浆和氧气为原料的高压反应器，正常运行时炉内温度在1300℃左右，温度最高时能达到1500℃以上。水煤浆气化炉是以煤为原料生产化工原料的核心设备，气化炉运行状态的好坏、水平的高低是决定煤化工企业经济效益的关键因素，而对气化炉的温度进行准确的测量和严格的控制，则是确保气化炉运行的关键因素。

关键词：高温热电偶 产气效率

高温热电偶在水煤浆气化炉的应用

温度是化工生产过程中十分重要的参数，温度的测量准确度直接决定了化工生产过程的有效性，往往决定了化学反应进行的速率以及效率，是化工生产实现稳产、高产、安全的关键参数。气化炉是以水煤浆和氧气为原料的高压反应器，正常运行时炉内温度在1300℃左右，温度最高时能达到1500℃以上。水煤浆气化炉是以煤为原料生产化工原料的核心设备，气化炉运行状态的好坏、水平的高低是决定煤化工企业经济效益的关键因素，而对气化炉的温度进行准确的测量和严格的控制，则是确保气化炉运行的关键因素。因此，气化炉热电偶的安全、精准、长效测温对气化炉安全平稳运行及控制原料转化率有着重要的影响。气化炉的温度对气化炉的运行主要有以下三方面的影响。

（1）气化炉炉膛温度的高低直接影响气化炉内的燃烧反应是否在理想的工艺条件下进行。只有在理想的工艺条件下，才能够确保反应所产生的有效气保持较高的效率。

（2）气化炉炉膛温度对气化炉内耐火砖使用寿命也有十分重要的影响。例如：在水煤浆气化技术中，进料为液态水煤浆，排渣为液态排渣。当炉温控制在合适的温度时，气化炉内耐火砖的表面会形成一层厚度合适煤渣层，厚度适当的渣层可以有效减缓水煤浆以及合成气对耐火砖表面的冲刷，对耐火砖起到很好的保护作用。当炉内温度过高时，煤渣层变薄，进而会影响耐火砖的使用寿命。因此炉膛温度的高低直接决定了气化炉运行周期的长短。

（3）气化炉炉膛温度的高低直接决定了气化炉炉渣是否能够顺利排出。产地不同的原料煤粘温特性也不同，不同的粘温特性对气化炉的操作温度要求也不一样。能否准确的测量温度决定了原料煤是否处于粘温特性的最佳温度，进而决定了炉渣是否能够顺利排出，如果炉渣不能顺利排出，气化炉就不能正常运行。

综上所述，气化炉炉膛温度对气化炉稳定、高效、长久的运行起着重要的作用，因此的气化炉炉膛温度的准确测量至关重要。

一、热电偶及其测温原理

热电偶是工业上最常用的一种测温元件。它测量范围广（-100~1600℃)，性能稳定，准确可靠。在某些情况下其上下限可以扩展，结构简单，使用方便，便于远距离传送与集中检测[1]。

高温热电偶在水煤浆气化炉的应用

1821年，由德国科学家Seebeck发现，将两种不同材质的导体A和B，首尾焊接起来，构成一个闭合回路。当导体A和B的两个焊接点之间存在温差时，两者之间便产生热电势。这种现象称为热电效应。热电势的大小只与导体两端接点的温度有关，热电偶就是利用这一原理来工作的[2]。热电偶是温度测量中应用最普遍的测温器件，他的特点是测温范围宽，性能稳定，有足够的测量精度，能够满足工业过程温度测量的需要；结构简单、动态响应好、输出为电信号、可以远传、便于集中检测和自动控制[3]。

二、高温热电偶的组成结构

高温热电偶主要由以下几部分组成：长度调节管、卡簧座、偶丝、高温绝缘管、法兰、密封组件、石墨缠绕垫、密封组件接线螺钉、长度调节套管头部、长度调节套管座、外接导线、长度调节管座定位孔。

三、高温热电偶的技术特点

目前部分高温热电偶厂商在热偶的制造上通常是用刚玉套管保护高温热电偶偶丝，在气化炉热震时容易导致高温热电偶断裂，或者发生氢脆污染损坏高温热电偶偶丝，影响高温热电偶的使用寿命。部分高温热电偶密封附件因材质问题，容易挤碎密封件进而导致漏气，给装置安全稳定运行留下重大安全隐患。主流高温热电偶为了避免发生以上几种问题，采用了更为先进的技术，以防止高温热电偶发生氢脆以及热震损坏高温热电偶，还延长了高温热电偶的使用寿命。高温热电偶技术特点如下：

1、双重抗压密封

高温热电偶从测温的热电偶丝到接线盒之间有两道密封装置，两道密封装置采用不同的设计结构和并且两道密封装置的生产工艺和材料也不一样。在两道密封的保护下极大的增强了热电偶的安全可靠性。两道密封的气化炉热电偶，可以避免由于密封件的质量问题或由于安装人员的操作水平等原因而引发的漏气甚至喷火事故。

2、不停车带压堵漏

高温热电偶除了双重抗压密封外，热电偶上还设计了具有不停车带压堵漏功能的堵漏器，进一步确保高温热电偶不发生泄漏事故。

3、耐磨复合陶瓷管

耐磨复合陶瓷管的质地紧密，孔隙率近于零，这种材料的高温陶瓷，硬度和熔点更高，能够有效地确保高温热电偶长期工作在高温环境下。复合陶瓷馆提高了测温精度并大幅度延长了工作寿命。这种新型陶瓷材料，现在已不仅用于气化炉的高温测量，并且已经在航天、核能等领域得到推广应用。

4、卓越的金属陶瓷粘接技术

金属和陶瓷的膨胀系数相差悬殊，在常温下两者在密封胶的粘接下不会开裂，但在高温下，两者会因膨胀系数的不同产生不同的膨胀量两者的粘接处会出现裂缝。腐蚀性气体会从裂缝进入偶体内部，损坏偶丝，降低热电偶的使用寿命。卓越的金属陶瓷粘接技术使陶瓷与金属之间实现了热膨胀系数逐渐过渡。实践证明该方法大幅度提高了传感器适应温度和压力急骤变化的能力，解决了因密封失效而造成的寿命短、测温精度差、温度漂移误差大等一系列问题。

四、高温热电偶的安装方式

常规的高温热电偶安装方式都是将四支高温热电偶插至炉膛内（为防止煤浆对高温热电

偶的冲刷一般安装时缩回3cm）。然而高温热电偶受多种因素的影响，直接决定了高温热电偶的使用寿命。高温热电偶易受到高压炉渣的冲刷、不同耐火材料热膨胀量不同出现“剪切力”和热电偶保护管附着物的热膨胀系数与保护管不同，以及安装细节等方面综合因素导致高温热电偶使用寿命短，每次停车必须重新更换四支高温热电偶，连投时要更换坏掉的高温热电偶，因此增加了很多工作量，留下了安全隐患还极易造成炉膛内火砖损坏。

另一种安装方式是：每台气化炉依然安装高温热电偶四支，但是要改变安装方式，两支高温热电偶依然插入到炉膛内壁处，依据炉内耐火砖厚度确定高温热电偶的插入深度。另外两支高温热电偶插入深度在炉壁内用热面砖封口隔离，高温热电偶插到背衬砖后，距离炉内有一层热面砖的厚度，用来测量砖温，通过砖温来反映气化炉炉内温度。这两支热电偶不接触炉内炉渣的冲刷，安装环境能好一些，可以延长这两支高温热电偶的使用寿命，使用每次倒炉只需更换插入到炉膛内壁的两支热电偶，测量热面砖温的热电偶正常情况下无需更换。

五、高温热电偶的使用寿命分析

高温热电偶在气化炉的使用过程中往往面临高温、高压的使用环境，以及水煤浆、炉渣对高温热电偶磨损。因此，温度传感器面临使用寿命短、温度漂移误差等技术难题。经过使用经验分析，要提高高温热电偶的使用寿命需要做好以下几方面：

1、气化炉更换完新的炉砖，安装热电偶前要查看偶孔内是否畅通，有无炉砖塌陷，防止高温热电偶在插入过程中炉砖切断高温热电偶。

2、安装高温热电偶前要测量偶孔可插入深度，需要多角度多次测量，以确定高温热电偶合适的安装长度。高温热电偶安装口经过运行的冲刷可能形成喇叭口或者安装孔内壁挂渣。无论是产生喇叭口还是严重挂渣，对热电偶的测量温度的准确性都会有较大影响。在测量热电偶插入深度时要特别注意这两种现象，防止测量不准导致热电偶的安装深度不准确。影响热电偶的使用寿命以及测温准确性。

3、安装热电偶前应检查热电偶插入孔内是否圆滑、有无阻碍物，如遇卡涩的情况，绝对不能强制插入，以免损坏热电偶端部陶瓷保护管。

4、高温热电偶在停车检修时拆除后，禁止充当盲板使用。拆卸过程中因外力敲击振动可能导致内部密封件会损伤或松动，运行过程中存在炉内高温高压有毒有害气体泄漏风险，存在生产安全隐患。

5、装置反复开停车，生产过程中工艺控制波动大导致温度压力骤升或者骤降，会使高温热电偶产生热震和压震，生产波动是影响热偶使用寿命的关键因素。

六、高温热电偶常见故障分析

1、使用过程中温度会逐渐降低。

原因分析：温度逐渐降低有可能是因为炉渣堵塞高温热偶安装孔，导致炉膛温度于高温热偶隔绝，致使炉温逐渐降低。

2、高温热偶故障温度直接偏差至最高温度。

高温热偶由于安装长度测量不准，导致热偶插入深度过深，在煤浆炉渣的冲刷下，热偶头因磨损过快而损坏。在测量高温热电偶安装深度测量时要多次测量，掌握好深度，做好记录，每次联投安装时要和上次安装深度进行对比，避免高温热偶过长因为冲刷损坏高温热偶。

七、高温热电偶安装使用注意事项

由于高温热电偶安装使用场合工艺环境比较复杂，直接与高温高压的燃烧室接触，并且燃烧室内还存在有毒有害物质，这对高温热电偶的安装使用有极高的要求。日常使用过程中我们要注意以下几方面：

1、严禁气化炉有压力时拆装或移动热电偶！

2、高温热电偶安装孔疏通后，安装热电偶前，应用强光手电检查高温热电偶安装孔。仔细观察高温热电偶安装孔的内壁是否畅通、光滑。孔内不能有不平整的凸起物，插入高温热电偶时应该缓慢轻轻的插入，不能使用暴力插入，以免在热电偶安装紧固过程中，将热电偶的陶瓷管损坏。

3、当气化炉内温度超过600℃安装热电偶时，应缓慢的将热电偶插入高温热电偶安装孔中，一边预热一边插入高温热电偶，安装时每安装100-200mm需要停顿2分钟左右，冬季安装时停顿的时间要适当的延长，以防热电偶保护管因温度剧烈的变化损坏。

参考文献

[1]庄绍君 陈云明 化工电气和化工仪表第三版 化学工业出版社。2012.08

[2]热点探测器·气化炉表面热点探测预警系统.深圳市电利通科技有限公司.

[3]张毅 张宝芬 曹丽 彭黎辉 自动检测技术及仪表控制系统第二版.化学工艺出版社.2011.09

作者简介：

姓名：宿健 性别：男 出生年月：1985.10 出生地：山东潍坊

学历：本科 职称：中级工程师 职位：仪控中心副主任

高温热电偶在水煤浆气化炉的应用