CN1321242A - 砖后的热电偶 - Google Patents

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Abstract

本发明为一测量气化反应器内温度的热电偶装置,热电偶通过气化反应器的壁而安装在耐火热面砖的连续层之后。热电偶组件被安装在一个开口内,该开口是通过气化器的壁、绝热砖,并可任选地部分通过热面砖制出的。

Description

砖后的热电偶
本发明一般地涉及用于气化过程的热电偶的保护，更具体点说，涉及使用耐火砖来延长用于气化过程的热电偶的使用寿命。
在高温气化过程中，从含烃燃料如煤、油、烃废气等中可产生部分氧化的热燃气。其时，含烃燃料与活性的含氧气体在气化反应器内起化学反应。
术语“含烃的”在本文被用来说明各种合适的原燃料，包括气态、液态和固态的烃、含碳材料及其混合物。基本上，任何可燃的含碳有机材料或其稀浆都可包括在这术语内，并可包括任何比例的石腊、烯烃、乙炔、环烷和芳烃化合物，以及氧化的含烃有机材料包括碳水化合物、纤维素材料、醛类、有机酸、酒精、酮类、充氧燃料油、含有氧化烃有机材料的化学过程的废液和副产品、及其混合物。
术语“液态烃”在本文被用来说明各种合适的液态原燃料，包括液化石油气、石油馏分和残余、汽油、石脑油、煤油、原油、沥青、粗柴油、渣油、焦油砂油和页岩油、煤炼油、芳烃(如苯、甲苯、二甲苯馏分)、煤焦油、来自液体催化裂化操作的循环粗柴油、焦炉粗柴油的糠醛抽提、及其混合物。
“气态烃”在本文被用来说明各种合适的气态原燃料，包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、天然气、焦炉煤气、炼油厂气、乙炔尾气、乙烯废气、及其混合物。
“固态烃燃料”在本文被用来说明各种合适的固态原燃料，包括形式为无烟煤、烟煤、次烟煤、褐煤、焦炭的各种煤、煤液化衍生的残余、泥煤、油页岩、焦油砂、石油焦炭、硬沥青、微粒碳(煤烟或煤灰)、固态的含碳废料如垃圾、及其混合物。某些型式的烃燃料特别是煤和石油焦炭能产生大量的灰和熔渣。
在气化反应器的反应区内，含烃燃料与含有自由氧的气体接触，是否须有温度节制器可任选。在反应区内，内含物通常达到的温度在约1700°F(930℃)到约3000°F(1650℃)的范围内，较典型地在约2000°F(1100℃)到约2800°F(1540℃)的范围内。压力通常在约1大气压(100kPa)到约250大气压(25,000kPa)的范围内，较典型地在约15(1500kPa)到约150(15,000kPa)大气压的范围内。
在一典型的气化过程中，部分氧化的热燃气基本上具有H2、CO和至少一种下列组群中的气体：H2O、CO2、H2S、COS、NH3、N2和Ar。在自由流动、向下流动的、垂直的、耐火衬里的钢制压力容器的反应区内进行公知的部分氧化过程时通常还产生典型地含有SiO2、Al2O3和Fe、Ca等金属的氧化物和氧硫化物的微粒碳、煤灰及/或熔渣。这种过程和压力容器的实例曾在美国专利2,818,326号中示出并说明，该专利在这里被引用并说明。
热电偶通常被用来测量在这类高温过程中的温度、包括在气化反应器内的温度。热电偶为一对不相同的在两端连接的金属线，这两种金属线的成分必须充分地不同使在它们之间能够产生电位差。除了在热电偶两端的接头外，两根线在保护套内互相电绝缘。电绝缘通常由保护套提供，保护套由耐热的电绝缘材料构成，具有两个不相交地沿轴向延伸通过一部分保护套长度的孔，两根热电偶线就分别穿过这两个孔，这两个孔只在端头上相交。典型的保护套材料为耐高温的高纯度陶瓷如氧化铝。这些孔可用耐火材料浇注在热电偶线和传感器的周围制成。
热电偶的工作原理为在所连接的金属之间的电位会随着温度而变。这个电位与一个实际的或人造标准的、代表相同金属在标准温度时的电位比较，便可用放置在热电偶回路内的电压计测出温度差，电压计也可根据由放置在热电偶回路内的传感器送来的信号来进行测量。选择用于热电偶的不同金属主要取决于所希望测量的温度范围。例如在气化反应器的条件下通常使用的热电偶的一种型式，其中一根线含有铂和约30％的铑，而第二根线含有铂和约6％的铑。对气化反应器可使用型式B、型式R和型式S的铂铑热电偶。
在气化过程的环境下，特别是在气化反应器内的环境下，热电偶的寿命很短，部分是因为气化反应器在工作时的气氛具有腐蚀性，在这种环境下未被保护的热电偶会很快受到侵蚀而变为无用，特别是当与反应器内的熔渣接触时，热电偶在几分钟内便会报废。
为了解决这个问题，通常将热电偶插置在沿着气化反应器外壁安装的耐火热电偶套管内。耐火热电偶套管可包括由氧化铬-氧化镁、氧化铬或类似的抗熔渣材料构成的屏障，并可引用其他耐火的和不耐火的材料如Al2O3、MgO、青玉、钼和不锈钢，但这种耐火热电偶套管并不能对气化器内的气氛构成完全的屏障，它不能承受压力和应力，只是一个可部分转移物质的半渗透屏障，起到对熔渣，直接火焰和某些热燃气的保护作用。
当用于气体反应器内时，热电偶套管可通过反应器压力容器外壁上的开口引入，然后通过通常用来衬垫反应器压力容器的耐火材料或一系列耐火材料上的开口延伸到反应器的敞开的空间内或者比较典型的做法是可以从反应器的内部往回缩进一个小距离。
遣憾的是将热电偶定位在热电偶套管内并未能完全解决问题。随着时间的推移，熔渣会突破热电偶套管，一方面是由于烧蚀和腐蚀的作用，同时也由于热应力及/或机械应力的作用，这个突破初始时虽然较小，但已可使熔渣侵入与热电偶接触使热电偶无用。
因此需要有一设施来提高在气化过程内使用的热电偶的寿命。
本发明为用来测量在气化反应器内温度的热电偶的安装。热电偶是通过气化反应器的壁安装的使测量元件位在一个耐火的热面砖的连续层之后。热电偶组件被安装在一个通过气化器壁、绝热砖的开口内并可任选地部分通过热面砖。
图1为示出本发明的一个实施例的一部分气化器壁的剖面，从图可见有一热电偶被安装在金属气化器壁之外，延伸通过气化器壳体、通过一层或多层绝热砖并部分通过热面砖。
本文所用术语“热电偶”为一温度感知装置，包括热电偶传感器、导线和有关的支承、绝缘、保护或安装设施。
本文所用术语“热面砖”为一层或多层与气化器内部邻近的耐火材料。
本文所用术语“热电偶传感器”指通常在热电偶远端的一个点，在那里不同金属被连接在一起并产生电位。
本文所用术语“热电偶套管”为一保护套能对燃气流动提供基本屏障并能承受压力，在该压力下密封。
本文所用术语“套”和“保护套”可互换使用，用来说明对至少一根热电偶线提供支承、保护和电绝缘的物体。
本文所用术语“熔渣”包括在反应器条件下能变成流体的渣滓、灰分、金属、氧化硅和其他污染物。
在高温气化过程中，从含烃材料如煤、油、含烃废料等可产生部分氧化的热燃气。其时含烃燃料与活性的含氧气体如空气和氧在气化反应器内起化学反应，产生部分氧化的热燃气，因此反应器是专门设计的部分燃烧器。在气化反应器的反应区内，含烃燃料与含有自由氧的气体接触，是否须有温度节制器可任选。在反应区内，内含物通常达到的温度在约1700°F(930℃)到约3000°F(1650℃)的范围内，较典型地在约2000°F(1100℃)到约2800°F(1540℃)的范围内。压力通常在约1大气压(100kPa)到约250大气压(25,000kPa)的范围内，较典型地在约15大气压(1500kPa)到约150大气压(15,000kPa)的范围内。
在许多用途中燃料含有相当多的灰分。在气化温度下灰分可部分或完全熔化。一般最好在灰分离开气体反应器之前将它保持在熔化状态。否则微粒物能积聚并堵塞反应器。但这个熔化的灰分或渣滓对它所接触的表面而言非常粗糙。熔化的灰分会侵蚀耐火砖使它不得不定期更换。
气化器必须设计得能承受其内的压力，这一点一般需要有一金属壳体10(图1)。壳体可由钢、钼或任何合适的材料制成，它必须能承受在它工作时达到的最高温度下在气化器内产生的压力。在气化器内部的温度典型地约为2000°F(1100℃)的情况下，钢的强度会严重受损。
因此，在气化区与壳体之间设有一层或多层绝热砖22，该绝热砖可从约6英寸(15cm)厚到超过10英寸(25cm)厚，通常布置成多个重叠层，由任何一种合适的耐火材料制成，常为氧化铝、氧化铬、氧化镁或其混合物。绝热砖常用密度比热面砖低的材料铸成。
热电偶固定件必须延伸通过气化器壳体内的开口32并通过绝热。砖。金属壳体与绝热砖的热膨胀系数不同。因此当反应器加热和冷却时壳体和绝热砖常会相互相对运动。热电偶延伸通过壳体和绝热砖的开口必须具有足够大的直径，使壳体、绝热砖和可选用的热面砖能够相互相对运动而不会撕裂热电偶。在本发明的一个实施例中，开口的直径从约0.5英寸(1.3cm)到约6英寸，适宜从约1英寸(2.5cm)到约4英寸(10cm)，最好从约1.5英寸(3.8cm)到约2.5英寸(6.4cm)。
在绝热砖的内表面上有一层或多层热面砖24，其成分通常与绝热砖相似，但一般具有比绝热砖高的密度并比绝热砖容易导热，它们由任何一种合适的耐火材料如氧化铝、氧化铬、氧化镁、或其混合物制成。对于具有相当数量渣滓的原燃料，即渣滓重量大于燃料总重量约0.1％时，热面砖最好由更能抗渣滓的耐火材料如高氧化铬、高氧化镁、或其混合物制成。
热面砖单层或多层24的厚度可从约4英寸(10cm)到约14英寸(36cm)，适宜从约6英寸(15cm)到约12英寸(31cm)，最好从约8英寸(20cm)到约10英寸(25cm)。
在气化过程的环境下，特别是在气化反应器内的环境下，热电偶的寿命很短，部分是因为气化反应器在工作时的气氛具有腐蚀性，在这种情况下未被保护的热电偶会很快受到侵蚀而变为无用，特别是当与反应器内的溶渣接触时，热电偶在几分钟内便会报废。
本发明中的热电偶传感器30被安装在一层热面砖24之后。带有或不带热电偶套管的热电偶26延伸笔直通过气化器钢壳10内的开口，然后通过耐火绝热砖22内对准的开口32，并可任选地部分通过热面砖24。
温度响应即在气化器内温度的改变在热电偶的响应上反映出来的时间部分取决于在热电偶和气化区之间的热面砖层的厚度。另外，热面砖的较小的绝热效果会使安装在热面砖之后的热电偶的读数较低。对于热电偶传感器30和气化器内部之间的厚的热面砖层，时间的延迟和温度的差异较为明显。因此在热电偶传感器和气化器内部之间的热面砖层的厚度应小于约12英寸(31cm)，适宜小于9英寸(23cm)，较好小于约6英寸(15cm)，最好小于约4.5英寸(12cm)。同时，由于热面砖受到熔渣和气化器内气氛的侵蚀，热面砖会失效。而失效会被热电偶前减薄的热面砖所造成的应力加速，因此热面砖的厚度适宜大于约2英寸(5cm)，最好大于约3.5英寸(8.9cm)。对于产生较多熔渣的含烃燃料，即溶渣以重量计大于约0.1％时，热面砖的厚度适宜大于约3.5英寸(8.9cm)，最好大于约4英寸(10cm)。
这些尺寸可随各种燃料而变。在含有热电偶的开口和气化器内部之间的热面砖的厚度可为热面砖厚度的约20％到约100％，适宜从约30％到约66％，最好从约40％到约60％。只要在开口和气化器内部之间的厚度小于热面砖厚度的100％，这个开口就最好从绝热砖内的开口邻接地延伸出来。从气化器内部看，热面砖最好没有显著数量的材料被除去。
本发明的一个特别好的实施例具有一个平均的热面的厚度从约8英寸(20cm)到约10英寸(25cm)，在热电偶之前的热面砖厚度从约3.5英寸(8.9cm)到约4.5英寸(11.4cm)，并有一段开口部分通过热面砖，这段开口与延伸通过壳体和绝热砖的开口是连续的。这个开口能在绝热砖和热面砖中铸出或者在砌好的砖中用机加工制出。开口应定好尺寸使在反应器加热或冷却时不会由于热膨胀和运动而使热电偶被剪裂。
对于如图1所示的设有绝热砖、外壳体和凸缘组合件的热电偶，在热电偶前的热面砖为4英寸厚度时，热电偶对反应器内的温度变化的响应在时间上延迟20到30秒，并且热电偶的读数比传统安装的热电偶低约100°F(55℃)到约300°F(170℃)。但一旦知道并考虑这两个因素予以校正后就能操作并控制反应器。
热电偶应这样安装使热电偶传感器30不会触及耐火砖22和24，最好热电偶传感器从热面砖后表面上离开一个距离，适宜的距离为约0.25英寸(0.6cm)到约3英寸(8cm)，最好为约0.5英寸(1.2cm)到约1英寸(2.5cm)。
热电偶26具有两根线18，这两根线具有不同的金属含量使当热电偶暴露在热源下时能在两根线之间产生电位差。例如一根线可含有约30％的铑，而另一根线含有约6％的铑。或者一根线可以是纯铂，而另一根线含有10％或13％的铑。两根线的其余部分主要为铂。
一般最好将热电偶传感器装在保护套28的端头。两根线在热接头30和冷接头(未示出)被连接在一起。所谓热接头是因为在测量反应器的温度时该接头较接近热源。量出两根线的电位差。用什么方法来测量并不重要。例如可将伏特计设在热电偶回路内，或者可将冷接头设在温度传感器(未示出)上，然后用信号传送设施(未示出)将该传感器产生的信号传送到控制室。
除了热、冷接头外，热电偶的两根线在其他地方都互相电绝缘。如何绝缘并不重要，在本实施例中，电绝缘是由耐高温、高纯度的陶瓷嵌入件或在保护套28内铸出的分开的孔来完成的。
本发明有两个实施例。第一实施例用热电偶套管来对热电偶提供增添的保护，热电偶被封闭在从凸缘延伸出来的热电偶套管内。所说热电偶套管造成一个压力(燃气)的屏障使在某些情况下热电偶可在气化器工作时被维修，燃气屏障可以不是绝对的。例如在本文被参考引用的美国专利5,005,986所说明的钯/银热电偶套管就是可透过氢气的。不管怎样，热电偶套管在某些情况下能将热电偶保持在基本上为大气压的压力下。但缺点是热电偶套管延伸到反应器内，热面砖上的突破将使腐蚀的熔渣直接侵蚀压力屏障，因此这不是本发明的较优实施例。
用螺钉、螺栓或夹紧将热电偶套管固定到热电偶凸缘上使热电偶和热电偶套管组合件保持在位。采用两个分开的连接部可提高效率，这样更换热电偶时就可不用移走热电偶套管。
或者，可用保护套28来保护热电偶而不构成压力密封。在某些点上热电偶线必须从压力容器内出来。这时热电偶线可延伸通过一个压力密封配件，该配件与一配装在可移走凸缘14内的轴衬接触，凸缘14与降温凸缘12配合，而后者又与气化反应器的压力容器的外钢壁10配合。
最好热电偶周围的压力密封在温度从气化器温度相当降低的位置上作出，即当温度在1000°F(540℃)以下，适宜在600°F(320℃)，最好在约400°F(200℃)以下时作出。这样在热面砖被突破时，压力密封就不会受到熔渣的侵蚀。溶渣将凝固，不会到达压力密封。另外，弹性体或其他压力密封连接件如果不是暴露在气化器那样的高温下一般具有较长的寿命。压力密封一般制在靠近热电偶凸缘14的或制在其内。
保护套一般由任何一种合适的耐火材料制成，如氧化铝、氧化铬、氧化镁、或其混合物。但保护套将不会暴露在熔渣前，因此可用较便宜的氧化铝制成。保护套在两导电体之间一般设有绝缘件。在一较优的实施例中，保护套沿着其长度设有两个孔，热电偶线就布置在这两个孔内，这两个孔除了两根线连接处的一点外互不相交。
最好在热电偶传感器和保护套的周围再加上一个保护套。这种保护套可由耐火的及/或不耐火的材料如Al2O3、MgO、铬-氧化镁、高铬、钼、不锈钢、或其混合物、或其复合物制成，所谓复合物系指将两个或多个不同的材料放在同一个套内。
在本发明的一个实施例中，保护套可由一个内保护套和一个外保护套组成。内保护套能由高密度少孔隙的耐火材料如氧化铝或氧化镁制成，然后将可浇铸的耐火材料典型地为高密度少孔隙的耐火材料浇注在内保护套的周围使它硬化，这样来形成外保护套。最好，这个可铸的高密度少孔隙的耐火材料由氧化铬或氧化铬-氧化镁。
热面砖不能构成压力密封。因此必须有一两个凸缘12和14或其他合适的组件将压力密封起来。这个组件最好能被移走，这样在需要时便能将热电偶维修。至少有一个凸缘既能密封住气化器壳体内的开口使气化器气密，又能移走使热电偶能被维修。除了配合的凸缘外，带螺纹的帽和喷嘴或其他连接设施也能使用。
凸缘被有效地保护使它免受从热面砖和绝热砖辐射出来的热，否则凸缘会被过热。一种保护方法是将凸缘装在气化器壳体的外面，再加上一个与它相对的凸缘，使热电偶延伸通过该凸缘，而在凸缘体内有至少一个、最好多个外观如环状物的垫圈装置20包围着保护层。这些垫圈或环状物最好由柔顺的绝热材料特别是考伍尔(kaowool，硅酸铝合成纤维)制成。在这些环状物之间设置柔顺的挡壁32也是有效的方法。
这些环状物和薄而柔顺的挡壁将开口密封不让作用如黑体的热面砖沿着保护套延伸的路径辐射的热量出来。保护套一般是直的，在将这个辐射热堵塞后，便可从压力密封中出来并连接到比较传统的线上，在该处的温度可保持在约1000°F(540℃)以下，最好在约400°F(200℃)以下。这些环状物和薄而柔顺的挡壁也对对流的热量构成部分阻挡。
采用降温凸缘使热电偶得以取出维修而很少干扰这些环状物和薄而柔顺的挡壁。在本实施例中，热电偶本身被装在热电偶凸缘14上。在这凸缘之外温度已相当低，因此热电偶导线可连接到传统的高温线上例如在管道内用一个终端的接线块。这个管道可设有燃气密封以防燃气不受阻碍地窜入控制室内。在高压的气化反应器和大气压的管道之间的压力密封最好制在热电偶凸缘14内或其附近。
按照本发明的各个实施例将热电偶设置在热面砖之后除了其他优点外，与传统的将热电偶包在抗熔渣的保护套内的方法相比可提高热电偶的有效寿命。
在另一个实施例中，多于一个的热电偶被插置在热面砖后的空腔32内，这些热电偶具有数目至少相应的内保护套。在这实施例中，一个或多个热电偶的远端30可分别定位在保护套长度上的各个不同的点，或者说各个保护套可按不同的深度延伸到空腔内。最好热电偶传感器离开热面砖表面的距离的差异为2英寸(5cm)或更多。例如，在一采用两个热电偶的实施例中，最终会穿透保护套的熔渣一般首先到达最靠近的热电偶使这个热电偶失效，而熔渣到达第二个热电偶并使它失效还要一点时间。这样，运行过程就可较长，气化器的关停和重新开始可预先计划，不需紧急关停。虽然第二热电偶提供数据的准确度不及第一热电偶，但这差异不会对过程控制造成问题，因为第二热电偶的读数可根据第一热电偶在失效前收集到的数据来校正。
在本发明的另一个实施例中，可以有一种或多种测量气化器温度的方法，这些方法可包括但并不限于传统的将热电偶放在热电偶套管内的保护套内而热电偶套管位在一个通过热面砖的孔内。这样，位在热面砖后的热电偶所记录的温度和较直接暴露在气化器环境中的热电偶所记录的温度便能用来评估热面砖的状态。例如，如果在正常情况下在热面砖后的热电偶的读数比更完全暴露的热电偶的读数低200°F(110℃)，那么读数低100°F(55℃)的情况下就可证明热面砖层变薄了。如果两种测量的读数相同，那就证明热面砖已被基本冲破。最好如果热电偶由于熔渣侵蚀而中止工作，那么可以证明突破热面砖的熔渣至少已达到热面砖在热电偶和气化器内部之间的深度。在问题变得尖锐之前预先获知热面砖失效的情况可较有序地关停并有时间来准备关停时的维修。

Claims (20)

1．一种反应器内的热电偶装置，所说反应器气化含烃材料并含有熔渣，具有一个壳体、绝热砖和热面砖；所说热电偶装置具有热电偶传感器和包装在保护套内的导线，保护套延伸通过气化器壳体和绝热砖内的开口但该开口没有完全通过热面砖。
2．根据权利要求1的保护套，其特征为，所说套含有氧化铝、氧化铬、氧化镁或其混合物。
3．根据权利要求1的保护套，其特征为，所说套含有氧化铝。
4．根据权利要求1的保护套，所说套设有两个沿轴向延伸通过一部分套长的孔眼，其特征为，两根热电偶线分别在两个孔眼内布线，并且两个孔眼只在一个点上互相交叉。
5．根据权利要求1的热电偶装置，其特征为，热电偶传感器离开它与气化器内部之间的热面砖后表面的距离从约为0.25到约3英寸。
6．根据权利要求1的热电偶装置，其特征为，热电偶传感器离开它与气化器内部之间的热面砖后表面的距离从约0.5英寸到约1英寸。
7．根据权利要求1的热电偶装置，其特征为，孔眼的直径从约1到约4英寸。
8．根据权利要1的热电偶装置，其特征为，孔眼的直径从约1.5到约2.5英寸。
9．根据权利要求1的热电偶装置，其特征为，在热电偶传感器与气化器内部之间的热面砖层的厚度从约2英寸到约9英寸。
10．根据权利要求1的热电偶装置，其特征为，在热电偶传感器与气化器内部之间的热面砖层的厚度从约3.5英寸到约6英寸。
11．根据权利要求1的热电偶装置，其特征为，产生的熔渣以重量计约为含烃材料的0.1％或更多，并且在开口与气化器内部之间的热面砖层的厚度从约3.5英寸到约6英寸。
12．根据权利要求1的热电偶装置，其特征为，开口延伸部分通过热面砖，致使在开口与气化器内内部之间的热面砖的厚度从约3.5英寸到约6英寸，否则热面砖的厚度将为约8英寸到约10英寸。
13．根据权利要求1的热电偶装置，其特征为，还包括将热电偶线和传感器包装在多个保护套内。
14．根据权利要求1的热电偶装置，其特征为，最内层的保护套含有氧化铝、氧化镁、铬-氧化镁、高铬、或其混合物，而最外层的保护套含有氧化铝、氧化镁、铬-氧化镁、高铬、钼、不锈钢、或其混合物、或其复合物。
15．根据权利要求14的热电偶装置，其特征为，内保护套由氧化铝、氧化镁、或其混合物制成，而外保护套为将氧化铬或氧化铬-氧化镁浇铸在内保护套的周围而成。
16．根据权利要求1的热电偶装置，其特征为，还包括将热电偶包装在热电偶套管内。
17．根据权利要求1的热电偶装置，其特征为，还包括一个装在气化器壳体外面的凸缘和一个与它相对而在其内有热电偶延伸通过的凸缘，还包括至少一个包围保护套的垫圈装置。
18．根据权利要求18的热电偶装置，其特征为，垫圈装置由硅酸铝合成纤维制成。
19．根据权利要求1的热电偶装置，其特征为，装置还包括包装在一个或多个保护套内的多个热电偶传感器和导线，其特征为，各个热电偶传感器按预定距离离开热面砖的后表面，并且所说距离各不相同，相互间至少相差2英寸。
20．一种反应器内的热电偶装置，所说反应器气化含烃材料并含有熔渣，具有一个壳体、绝热砖和热面砖。所说热电偶装置具有包装在保护套内的热电偶传感器和导线，该保护套延伸通过气化器壳体和绝热砖内的开口，而在含有热电偶传感器的孔眼与气化器内部之间的热面砖的厚度为其邻近的热面砖的厚度的约20％到约100％。
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