摘要：根據(jù)甲醇工藝裝置中天然氣轉(zhuǎn)化合成工況和介質(zhì)的特殊性，對(duì)溫度測(cè)量提出了苛刻的要求。介紹了天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化合成工段中幾種特殊溫度計(jì)的技術(shù)特點(diǎn)和使用方法，針對(duì)天然氣轉(zhuǎn)化合成裝置的特殊設(shè)備預(yù)轉(zhuǎn)化反應(yīng)器、轉(zhuǎn)化爐和甲醇合成反應(yīng)器的溫度測(cè)量提出了較好的方案，并在現(xiàn)場(chǎng)裝置實(shí)際運(yùn)行中取得了良好的效果。
甲醇是多種有機(jī)產(chǎn)品的基本原料和重要溶劑，廣泛用于有機(jī)合成、染料、醫(yī)藥、涂料和國防等工業(yè)。國內(nèi)某大型煤化工項(xiàng)目利用當(dāng)?shù)刎S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(jìn)的、符合環(huán)保要求的工藝技術(shù)，建設(shè)煤氣化和油田氣轉(zhuǎn)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(guān)聯(lián)的工藝裝置，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的“一體化”和“系列化”，體現(xiàn)了“減量化、再循環(huán)、再利用”的循環(huán)經(jīng)濟(jì)理念，具有較強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。
１ 工藝技術(shù)特點(diǎn)
該甲醇裝置為５．５ｋｔ／ｄ（以１００％甲醇計(jì)）甲醇制烯烴（ＭＴＯ）級(jí)甲醇生產(chǎn)裝置，使用１個(gè)催化富氣預(yù)轉(zhuǎn)化反應(yīng)器和１個(gè)常規(guī)的蒸汽轉(zhuǎn)化爐用于原料天然氣生產(chǎn)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(jìn)入甲醇合成回路。
該甲醇工藝主要包括原料準(zhǔn)備、天然氣蒸氣轉(zhuǎn)化、甲醇合成、精制和蒸汽系統(tǒng)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(jīng)加熱進(jìn)入轉(zhuǎn)化管內(nèi)與催化劑接觸，產(chǎn)生如下催化反應(yīng)：
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ ===ＣＯ＋３Ｈ２ （１）
ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ===ＣＯ２＋４Ｈ２ （２）
ＣＨ４＋ＣＯ２ ===２ＣＯ＋２Ｈ２ （３）
影響轉(zhuǎn)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(duì)溫度的控制是轉(zhuǎn)化過程中的重中之重，提高溫度有利于轉(zhuǎn)化反應(yīng)的進(jìn)行，可以降低殘余甲烷體積分?jǐn)?shù)。但如果溫度過高將會(huì)造成催化劑觸媒（鎳）的活性降低，影響轉(zhuǎn)化反應(yīng)效率，還會(huì)嚴(yán)重影響轉(zhuǎn)化爐爐管的壽命。
２ 天然氣轉(zhuǎn)化合成工段中特殊溫度計(jì)的應(yīng)用
２．１ 安裝在預(yù)轉(zhuǎn)化反應(yīng)器頂部的多點(diǎn)熱電偶
預(yù)轉(zhuǎn)化反應(yīng)器是一道低溫轉(zhuǎn)化工藝，通過天然氣與蒸汽在絕熱催化劑床上反應(yīng)，將天然氣給料中重質(zhì)烴裂解成輕質(zhì)組分（主要為甲烷），同時(shí)生成一些氫氣、一氧化碳及二氧化碳，整個(gè)反應(yīng)為吸熱反應(yīng)。預(yù)轉(zhuǎn)化反應(yīng)器各床層溫度應(yīng)保持在４６５～５５０℃，并且溫度不應(yīng)低于３００℃。如果催化劑床層溫度過高，會(huì)破壞催化劑結(jié)構(gòu)，發(fā)生燒結(jié)，使催化劑活性降低；催化劑床層內(nèi)任意一點(diǎn)的溫度若低于３００℃，會(huì)使飽和蒸汽冷凝，附著在催化劑上，長時(shí)間后會(huì)浸泡催化劑，使催化劑失去活性。根據(jù)此特點(diǎn)，在預(yù)轉(zhuǎn)化反應(yīng)器圓周內(nèi)按１２０°角方向分別設(shè)置了３個(gè)１４點(diǎn)的雙支Ｋ型熱電偶。根據(jù)床層的高度，確定每支熱電偶的插入深度。如圖２所示，該熱電偶分為三大部分，分別是熱電偶保護(hù)管、與設(shè)備連接部分和信號(hào)轉(zhuǎn)換部分。為了與ＤＣＳ信號(hào)統(tǒng)一，現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)電纜不采用熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線。多點(diǎn)熱電偶頂部帶溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換接線箱，將雙支熱電偶的信號(hào)引至接線箱，接線箱中裝１４個(gè)溫度變送器，將雙支熱電偶其中１組的１４個(gè)檢測(cè)點(diǎn)信號(hào)轉(zhuǎn)換為４～２０ｍＡ 信號(hào)送至ＤＣＳ，剩下１組的１４個(gè)熱電偶信號(hào)接至接線箱空余端子排上，便于隨時(shí)替換使用。多點(diǎn)熱電偶的接線箱依靠１片ＤＮ１００法蘭與多點(diǎn)熱電偶連接在一起。多點(diǎn)熱電偶與設(shè)備之間采用ＤＮ１５０的法蘭連接，法蘭材質(zhì)和壓力等級(jí)與設(shè)備一致。
每個(gè)１４點(diǎn)雙支熱電偶的檢測(cè)點(diǎn)分內(nèi)圈和外圈均勻分布在ＤＮ１５０法蘭上：外圈８?jìng)�(gè)、內(nèi)圈６個(gè)；熱電偶每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的外護(hù)套管外徑為６．４ｍｍ，在法蘭的中心開６．４ｍｍ的孔，焊接１根６．４ｍｍ的鋼柱，用于增加熱電偶的支撐力度。預(yù)轉(zhuǎn)化反應(yīng)器多點(diǎn)熱電偶內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖３所示，每個(gè)雙支多點(diǎn)熱電偶的測(cè)量元件長度應(yīng)與每一層催化劑床層的高度保持一致，每個(gè)測(cè)量元件的護(hù)套外徑為３ｍｍ，測(cè)量元件前端彎曲并緊貼保護(hù)管內(nèi)壁，保證測(cè)量的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性，此外導(dǎo)向管的兩邊和終端分隔板焊接，緊密包裹著測(cè)量元件，防止熱電偶在振動(dòng)的過程中測(cè)量元件與終端分隔板產(chǎn)生摩擦而影響使用壽命。多點(diǎn)熱電偶的１４個(gè)測(cè)量端在圖３中分別用字母Ａ～Ｎ表示。
２．２ 轉(zhuǎn)化爐下集合管吹掃熱電偶
位于轉(zhuǎn)化爐底部出口輸氣總管上的溫度檢測(cè)點(diǎn)對(duì)于轉(zhuǎn)化爐運(yùn)行十分重要，它是整個(gè)轉(zhuǎn)化爐科學(xué)合理操作的基礎(chǔ)，在轉(zhuǎn)化爐燃燒控制系統(tǒng)中，其作為燃燒控制和聯(lián)鎖的輸入條件之一，配合轉(zhuǎn)化原料氣的流量、混合燃料氣熱值和總水碳比等重要參數(shù)，共同決定了轉(zhuǎn)化爐燃燒系統(tǒng)的負(fù)荷。該處溫度指示為轉(zhuǎn)化爐出口合成氣的溫度，工藝的操作溫度控制在８９０℃，以保證合成氣中的甲烷體積分?jǐn)?shù)不大于３％。
轉(zhuǎn)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(jīng)過長期滲漏腐蝕，可以穿透普通的熱電偶保護(hù)管，腐蝕檢測(cè)元件，有時(shí)甚至反漏出管道，給生產(chǎn)帶來危害。因此，安裝在轉(zhuǎn)化爐底部下集合管的２個(gè)Ｋ型雙支熱電偶必須采用特殊的測(cè)量方法。
筆者選用的是１個(gè)帶ＤＮ５０法蘭的Ｋ型熱電偶，熱電偶測(cè)量元件外護(hù)套材質(zhì)采用ｉｎｃｏｎｅｌ ６００，熱電偶保護(hù)管采用特殊的材質(zhì)ｉｎｃｏｌｏｙ ８００Ｈ，同時(shí)法蘭以下與介質(zhì)接觸的部分噴涂一層厚度５０～１００μｍ的鋁涂層，以防止氫氣的滲漏，并在熱電偶法蘭上部的保護(hù)管上螺紋連接１個(gè)“Ｙ”型接頭，側(cè)面連接氮?dú)夤芫�，直管上連接１根碳鋼管。碳鋼管頂部帶熱電偶轉(zhuǎn)換模塊接線盒。同時(shí)碳鋼管上帶１個(gè)４ｍｍ的排氣孔，以排放出氮?dú)饣驓錃狻＝尤氲牡獨(dú)饬髁恳欢ㄊ俏⒘康目烧{(diào)節(jié)的（０～０．０８ｍ３／ｈ）。因此，應(yīng)加入１個(gè)吹氣裝置調(diào)節(jié)流量。氮?dú)庥桑备?br /> ３ｍｍ材質(zhì)為ｉｎｃｏｎｅｌ Ａｌｌｏｙ ６９０的導(dǎo)管通入熱電偶保護(hù)管，以便將可能滲入保護(hù)管內(nèi)的氫氣吹出。在保護(hù)管內(nèi)氣體流速應(yīng)不大于４５ｍ／ｓ。采用這種特殊結(jié)構(gòu)、特殊材質(zhì)才能有效防止氫氣腐蝕以及氫脆的發(fā)生。
２．３ 安裝在甲醇合成反應(yīng)器上的多點(diǎn)熱電偶
甲醇合成反應(yīng)器為管式徑向流反應(yīng)器，殼側(cè)裝有銅基催化劑，合成氣體進(jìn)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(yīng)生成甲醇和水，同時(shí)還有微量的有機(jī)雜質(zhì)生成。甲醇合成反應(yīng)：
ＣＯ＋２Ｈ２==ＣＨ３ＯＨ
ＣＯ２＋３Ｈ２==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(huán)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(yīng)器內(nèi)會(huì)產(chǎn)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(qū)，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(jié)，很快失去活性。由于催化劑在合成反應(yīng)中至關(guān)重要而且價(jià)格昂貴，在確保甲醇產(chǎn)量和操作穩(wěn)定性的情況下，應(yīng)盡量將溫度維持在合理的低溫區(qū)間內(nèi)。
每個(gè)甲醇合成反應(yīng)器頂部有４個(gè)溫度檢測(cè)口，每個(gè)溫度檢測(cè)口安裝１個(gè)組合式雙支Ｋ型多點(diǎn)熱電偶，每支多點(diǎn)熱電偶從上到下分布１０個(gè)溫度檢測(cè)點(diǎn)，雙支熱電偶共用熱電偶保護(hù)套管，用于檢測(cè)合成反應(yīng)器內(nèi)部在不同高度催化劑床層的溫度。多點(diǎn)熱電偶分為上、中、下三個(gè)部分，頂部接線盒用于將熱電偶信號(hào)轉(zhuǎn)化為４～２０ｍＡ 模擬量信號(hào)送至現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜間，中間部分用１片ＤＮ１００法蘭與合成反應(yīng)器相連，法蘭根部至反應(yīng)器上部切線位置用１根ＤＮ１００保護(hù)管固定，進(jìn)入催化劑床層部分，保護(hù)管縮徑后一直延伸至催化劑床層底部。合成反應(yīng)器內(nèi)部極易發(fā)生副反應(yīng)即甲烷化反應(yīng)，甲烷化反應(yīng)為強(qiáng)放熱反應(yīng)，反應(yīng)后的高溫會(huì)使催化劑老化，損壞反應(yīng)器內(nèi)件，必須通過溫度報(bào)警和聯(lián)鎖對(duì)合成
反應(yīng)器進(jìn)行溫度監(jiān)控。筆者選用的雙支多點(diǎn)熱電偶其中１支的１０個(gè)溫度檢測(cè)信號(hào)全部進(jìn)入ＤＣＳ，在另１支多點(diǎn)熱電偶的上、下位置各設(shè)置３個(gè)溫度檢測(cè)點(diǎn)，信號(hào)進(jìn)入ＤＣＳ，中間位置的４個(gè)溫度檢測(cè)點(diǎn)的信號(hào)進(jìn)入ＳＩＳ，合成反應(yīng)器的進(jìn)料口在中間位置，主要的反應(yīng)熱量都集中在中間區(qū)域，所以反應(yīng)器的中間位置的反應(yīng)熱最為集中。進(jìn)ＤＣＳ和ＳＩＳ中間位置的４個(gè)溫度檢測(cè)點(diǎn)分別做“２ｏｏ１６”的溫度高限聯(lián)鎖，聯(lián)鎖動(dòng)作會(huì)觸發(fā)上游合成壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速控制將其轉(zhuǎn)速調(diào)至最低，泄放合成回路壓力，降低壓力會(huì)使反應(yīng)器內(nèi)的冷卻增強(qiáng)，通過循環(huán)氣帶走熱量，給甲醇合成反應(yīng)器床層降溫；如果ＤＣＳ中的溫度高高限（ＴＡＨＨ）聯(lián)鎖沒有被激活或者ＤＣＳ聯(lián)鎖觸發(fā)后降溫效果不明顯，使得溫度繼續(xù)升高，此時(shí)設(shè)置在ＳＩＳ中的溫度高高高限（ＴＳＨＨＨ）將觸發(fā)聯(lián)鎖跳車動(dòng)作。聯(lián)鎖觸發(fā)的結(jié)果將會(huì)切斷整個(gè)甲醇合成回路合成氣進(jìn)氣，包括煤基合成氣和天然氣轉(zhuǎn)化合成氣，這樣就大幅減少了反應(yīng)熱，使床層溫度得到控制，不再繼續(xù)升高，有效地保護(hù)了催化劑。此外每支多點(diǎn)熱電偶由上到下選取第２點(diǎn)～第８點(diǎn)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(jié)堵塞催化劑卸料孔。
合成反應(yīng)器床層多點(diǎn)熱電偶結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝難度大，為確保使用性和安全性，該多點(diǎn)熱電偶應(yīng)專利商要求而選用Ｅ＋Ｈ 產(chǎn)品，并隨專利商提供的合成反應(yīng)器設(shè)備成套提供。由于每支多點(diǎn)熱電偶的１０個(gè)檢測(cè)點(diǎn)陽極共用，為避免現(xiàn)場(chǎng)溫度變送器模塊的輸出信號(hào)發(fā)生漂移現(xiàn)象，應(yīng)特別注意選用電氣隔離性能較高（大于２ ０００Ｖ）的溫度變送器模塊。
３ 選擇溫度測(cè)量?jī)x表的要素
１）對(duì)于溫度計(jì)，不僅要對(duì)保護(hù)管的材質(zhì)提出設(shè)計(jì)要求，考慮其耐高溫、耐高壓、耐腐蝕和耐沖擊碰撞等，還應(yīng)該對(duì)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(yán)格要求，在阻漏方面也應(yīng)有明確的規(guī)定。
２）化工裝置的現(xiàn)場(chǎng)屬于高危區(qū)域，在溫度計(jì)的設(shè)計(jì)上不僅要選擇合適的防爆類型和防護(hù)等級(jí)，特別是現(xiàn)場(chǎng)接線箱也應(yīng)滿足所在區(qū)域的防爆要求。
３）溫度計(jì)通常都是插入到設(shè)備或者管道本體內(nèi)部來測(cè)量溫度，尤其是插入設(shè)備內(nèi)部的溫度計(jì)，要從選型上對(duì)插入深度和法蘭尺寸有明確的要求，需仔細(xì)研究設(shè)備圖，確認(rèn)溫度計(jì)口內(nèi)部是否有溢流板或擋板影響溫度計(jì)的插入。
４）為了避免開停車對(duì)業(yè)主造成經(jīng)濟(jì)損失和安全隱患，同時(shí)降低維修成本和安裝難度，特殊場(chǎng)合的溫度計(jì)可選用雙支型熱電阻或熱電偶；在重要設(shè)備上的特殊熱電偶可選用利于安裝、便于拆卸的抽芯式結(jié)構(gòu)。
４ 結(jié)束語
實(shí)踐證明，溫度是指導(dǎo)工藝流程正常穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的指標(biāo)，快速、準(zhǔn)確、安全是溫度測(cè)量的目標(biāo)。溫度測(cè)量?jī)x表的應(yīng)用十分廣泛，技術(shù)發(fā)展與時(shí)俱進(jìn)，筆者結(jié)合自身的工作經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了甲醇裝置中特殊熱電偶的選型、安裝及注意事項(xiàng)，期望能給相關(guān)項(xiàng)目提供借鑒和參考。
