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    鍍金膜片變送器的應用有效降低氫滲對測量的影響

    作時間:2017-07-10 15:42:18  來源:中煤陜西榆林能源化工有限公司 儀控中心  作者:代 輝,宿 建,朱天宇
       

      摘 要:目前各類煤氣化裝置氣化爐液位測量多采用差壓式液位變送器,但由于被測介質固含量較高極易堵塞引壓管道對測量產生影響,并且介質高溫高壓及有大量的H2 存在,容易在壓力、差壓、液位測量中造成變送器氫滲現象。目前鍍金膜片(金剛石膜片)變送器的應用可以有效降低氫滲對測量的影響。

     
    引言
            煤氣化是煤化工行業上游的核心技術。煤在高溫高壓條件下,與氣化劑反應,轉換成以合成氣(CO/H 2 )為主要成分的氣體產物和少量殘渣。氣化裝置中有大量H 2 存在,由于H 2 的物理化學屬性及氣化裝置本身的高溫、高壓特點造成在變送器的測量中容易形成氫滲。目前常用的壓力、差壓及法蘭膜片安裝變送器的隔離膜片材質大多為316L不能有效的防止氫滲,使用一段時間后會發生膜盒變硬、鼓包、零點漂移、輸出不穩定等等現像,影響氣化爐關鍵參數的測量,降低氣化爐的運行效率,甚至造成非計劃停車的潛在風險。因此,解決好氫滲等問題對氣化裝置的長周期穩定運行,提高生產效率有積極影響。
     
    1 氣化爐介紹
            氣化爐是煤氣化裝置的核心,目前國外工藝主要有以殼牌爐為代表的干粉煤氣化技術,以德士古為代表的水煤漿氣化技術,以魯奇為代表的碎煤加壓氣化技術。其中尤以德士古的水煤漿氣化技術應用最為廣泛。
    氣化爐主要特點摘要
    2 德士古氣化爐的重要測點及存在問題
            在德士古氣化爐中有很多重要的溫度、壓力、流量測點。由于水煤漿氣化的特點會造成這些儀表的測量元件磨損、堵塞、氫脆等問題。本文主要以氣化爐中液位計堵塞、氫滲等問題的形成及解決方案來做著重論述。
    德士古氣化爐結構圖
    德士古氣化爐重要測點及存在問題
     
     
    3 關于堵塞問題討論
            目前國內氣化爐在設計之初考慮避免高壓設備過多開口,把現場液位計及遠傳液位計利用旁通管的形式集中安裝在旁通管上(如圖2所示),由于旁通管水平段過長,致使旁通管內極容易積灰、堵塞,并且高壓沖洗水使用效果也不好。目前本廠也出現此現象,旁通管頻繁堵塞,由于氣化爐先天缺陷,無法將旁通管取消,只能通過改造沖洗水來降低堵塞頻率,(如圖3所示),通過本次改造,將氣化爐液位計因堵塞而產生的維護,從每天1次延長到每周維護1次~2次。
    氣化爐沖洗水位置改造后氣化爐沖洗水位置
            建議,在后續項目氣化爐設計之初,就考慮取消旁通管(如圖4所示),從根本上縮短取壓距離,降低堵塞出現的機率,并且引壓距離縮短,使用沖洗水的效果也較好,目前周邊煤化工企業如:華電榆林凱越煤化工、神木化工、兗礦榆林能化等均無旁通管設計,且應用狀況也較為理想。
    取消液位計旁通管
    4 氫滲現象
            H 2 隨然沒有腐蝕性,但由于氫分子很小而具有極強的滲透能力,及時在大氣環境中H 2 也會以各種途徑進入金屬材料的晶格中。若在高溫、高壓、高濃度氫氣的協同作用下,則會大大加速H 2 的滲透能力,進入變送器隔離膜片內部,這種現場稱為氫滲。
    QQ截圖20170710154642.jpg氫滲
            變送器的氫滲現象主要體現在變送器的膜盒的隔離膜片上,通常隔離膜片的厚度只有100μm左右,是最薄弱的環節。在氣化爐上,在高溫高壓高濃度氫氣的作用下,隔離膜片會出現彈性失效,表面硬化,甚至有部分氫分子還透過隔離膜片造成氫滲,使隔離膜片內部出現氣體、體積膨大、造成膜盒鼓包變形、變送器零點漂移、輸出不穩定。
     
    影響氫滲的重要因素有以下幾個:
    1)靜壓:靜壓越大氫滲現象就會越快。
    2)溫度:一般來講H 2 在常溫下對變送器是沒有滲透性的,溫度越高氫分子的活動性越強,滲透性就越強。
    3)H 2 濃度:H 2 濃度越高,造成氫滲的可能性就越大。
    4)水份含量:水份含量越低,氫分子電離為原子的可能性就越低,穿過膜片重新結合成H 2 的可能性就越低。
    5)變送器膜片厚度:隔離膜片越厚H 2 的滲透率越低。但膜片厚度的增加也會降低變送器的壓力敏感度。
    6)隔離膜片材質:H 2 在不同的金屬材料中有不同的滲透率,在目前常用的變送器隔離膜片中,H 2 在哈氏合金中的滲透率最強,其次為316L膜片,在鍍金膜片中的滲透率最弱。
    氫滲率隨壓力的變化
    5 變送器防止氫滲措施
            從以上影響氫滲的因素可以看出,基于氣化爐內溫度、壓力和水份含量不可改變的前提下,增加膜片厚度和使用低氫滲率膜片是延緩氫滲問題的最有效方法。目前阻止變送器隔離膜片氫滲的方法主要有兩種:一種是隔離法、一種是鍍層法。
     
            隔離法通常是采用聚四氟乙烯貼膜,在法蘭安裝變送器表面貼附一張聚四氟乙烯貼膜,起到隔離介質的作用,貼膜一般厚0.04mm。貼膜需要用耦合劑(一般是特制硅油)和變送器的金屬膜片粘在一起并需保證貼膜和膜片之間沒有空氣,并且貼膜只能應用在180℃以下溫度且不耐磨損,使用局限性比較大,一般在低溫且相對靜態的工藝情況。
     
            鍍層法一般是指在變送器隔離膜片表面鍍金,金具有很好的致密性和耐蝕性,可以有效的延緩H 2 滲透,降低氫脆和氫滲對變送器測量的影響。
    鍍金膜片
            由于氣化爐,洗滌塔液位的差壓值相對比較大,在加厚變送器316L隔離膜片的同時加厚鍍金層的厚度,不會損失多少壓力敏感度,同時卻能有效提高變送器隔離膜片的耐磨損能力和防氫滲能力,從而提高變送器的使用壽命。如圖8所示測試結果表明鍍金涂層變送器的防氫滲能力要遠優于普通316L不銹鋼膜片的變送器。在500℃下鍍金層的滲透率要比316L低12倍。
    氫滲率對比
    6 行業應用前瞻
            目前在防氫滲方面行業最新的應用是鍍金剛石膜片的變送器。在防磨損和防氫滲方面起能力要優于鍍金膜片。該種膜片鍍層(ARC鍍層)非常薄只有1μm~2μm,盡量降低了膜片加厚對壓力敏感度的影響,據廠家公開資料其防磨損能力是普通不銹鋼膜片的10倍,是加厚不銹鋼膜片的5倍,防磨損性能優于陶瓷膜片。防氫滲能力:500℃下,是不銹鋼膜片的86倍,是5μm鎳打底鍍金涂層的22倍,是5μm金打底鍍金涂層的16倍,是25μm金打底鍍金涂層的7倍。但是該種金剛石鍍層不耐腐蝕,在有腐蝕性介質存在的場合需慎用。
    材料磨損率比較
    7 總結
            因氣化爐、洗滌塔液位計均為煤氣化工藝中的重要監控指標,并進入氣化爐安全聯鎖中(SIS),每次維護均需要辦理聯鎖解除票據,頻繁接觸聯鎖既增加了運行風險,也增加了維護人員的工作量。必須在設計之初對液位計的維護難點:易堵塞、磨蝕、氫滲、集氣等作出合理的解決辦法,以避免影響生產平穩。并且從各家的變送器產品實際應用效果來看,整體鍍金膜片變送器使用壽命較短,還需要各個廠家根據對變送器實際應用情況的考察,進一步優化變送器選型,以保證氣化爐液位變送器使用周期延長。
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