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鍍金膜片型壓力變送器在煤氣化裝置中的應(yīng)用來源:壓力變送器作者:壓力變送器
煤氣化是指煤或焦炭等固體燃料在高溫高壓條件下與氣化 劑反應(yīng),轉(zhuǎn)化為合成氣( 主要成分為氫氣及一氧化碳) 和少量殘 渣的過程。合成氣經(jīng)過變壓出氫氣,因此煤氣化 是煤炭清潔高效轉(zhuǎn)化的核心技術(shù)。煤氣化的核心部件是反應(yīng)器造氣爐,根據(jù)國家安全監(jiān)管總局安監(jiān)總管三[2013]3 號文件 對于新反應(yīng)的自控方案建議需要嚴(yán)格監(jiān)控反應(yīng)器造氣爐的壓力參數(shù),確保生產(chǎn)安全。為了保障造氣合成效 率,目前常見的造氣爐工況均為高溫高壓工況且合成較高; 因此造氣工況會造成壓力儀表的測量膜片出現(xiàn)氫脆 現(xiàn)象,導(dǎo)致壓力變送器出現(xiàn)測量誤差甚至損壞儀表。為此采用 新型的鍍金膜片型壓力變送器,可 滲透的影響,有 效解決上述問題。 1 氫脆現(xiàn)象簡介 氫是自然界非常小的原子,本身不具備腐蝕性但是滲透能力 極強。由于氫原子的尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于金屬原子,因此在高溫高壓作用下氫氣可以解離成氫入金屬材料的晶格點 陣的間隙位置。 這一滲透過程主要經(jīng)歷如下步驟: ( 1) 氫氣 ( H2 ) 與金屬材料( M) 表面發(fā)生碰撞,此時金屬材料( M) 表面物 理吸附微量氫氣( H2 ) 形成混合物( H2M) ,即 H2 + M→H2M。 ( 2) 混合物( H2M) 與金屬材料( M) 外表面繼續(xù)反應(yīng),形成吸附著在金屬外表面的氫原子( HadM) ,這一過程被稱為化學(xué)吸附過程,并且高溫高壓化學(xué)吸附過程,即 H2M + M→2HadM。 ( 3) 當(dāng)金屬材料( M) 外表面吸附氫原子( HadM) 達(dá)到 飽和后會逐步溶解擴散,形成滲透在材料內(nèi)部原子氫( MHad) , 即 HadM→MHad。 ( 4) 環(huán)境溫度和壓力降低后原子氫( MHad ) 逐 步析出,在金屬材料( M) 內(nèi)部重組成氫分子( H2 ) ,即 2Had M→2M + H2。由于氫分子的尺寸遠(yuǎn)因此氫分子殘留在 金屬材料內(nèi)部無法“逃逸”,金屬材料內(nèi)部會出現(xiàn)裂紋導(dǎo)致材料脆化; 這種情況被稱為氫脆現(xiàn)象。 2 氫脆現(xiàn)象對壓力變送器的影響 壓力變送器是一種將壓力信號轉(zhuǎn)化成電動信號進(jìn)行控制和遠(yuǎn)傳的設(shè)備,其核心元件是單晶硅諧振式傳感器及測量膜 盒。壓力變送器工作時測量片接觸測量介質(zhì),通 過測量膜片內(nèi)側(cè)密封灌充的硅油傳導(dǎo)液將測量壓力傳遞到微 型真空腔體的彈性元件( 諧振梁) 上,導(dǎo)致彈性元件發(fā)生微小形 變位移與壓力成正比關(guān)系。壓力變送器通過單晶硅諧振式傳感器及微處理器將形變位移程度轉(zhuǎn)變?yōu)?4 ~ 20mA遠(yuǎn)傳電信號,可用于測量介質(zhì)壓力。為了減少傳力損耗并防止受到測量介質(zhì)腐蝕,一般選擇采用具有一定彈性 和防腐蝕性能的金屬薄壁材料( 厚度介于 40 ~ 80μm 之間,各設(shè) 備供貨商略有不同) 制作 常見的測量膜片材質(zhì)有316L 不銹鋼、哈氏合金、鉭、鈦等諸多類型。由于測量膜片厚度 不足 0.1mm,常規(guī)的壓力變送器在惡劣工況( 高溫高壓且存在較高濃度氫氣的場合)脆現(xiàn)象并受到影響,導(dǎo)致 測量膜片韌性退化失去彈性,出現(xiàn)空腔鼓包或者裂紋。隨著 時間推移氫分子甚至可以穿透測量膜片進(jìn)入隔離硅油傳導(dǎo)液加了壓力傳遞過程中的損耗,還會直接干擾壓力變 送器的測量效果,導(dǎo)致壓力變送器零點漂移、輸出不穩(wěn)定,出現(xiàn) 測量誤差令壓力測量參數(shù)波動,更為甚至損壞儀表造成事故發(fā)生。 3 煤氣化裝置工況下壓力變送器測量膜片的選型 3. 1 工藝狀況簡介 工業(yè)煤氣化技術(shù)為保障連續(xù)化不間斷生產(chǎn)、提高合成氣產(chǎn) 量規(guī)模,通常是在造氣爐中以水作為氣化劑,在高溫高壓條件令煤炭與水蒸氣發(fā)生反應(yīng)生成分為氫氣及一氧 化碳,此外含有少量二氧化碳及其它微量雜質(zhì)) ,主要反應(yīng)方程式是 C + H2O CO + H 幑幐 2 及 C + 2H2O CO 幑幐 2 + 2H2。隨著進(jìn),目前大規(guī)模煤氣化技術(shù)主要分成三種技術(shù)方案,即氣流床氣化技術(shù)、流化床氣化技術(shù)及固定床氣化技術(shù)[4], 其核心部件是造氣爐。以德士古( TeShell) 為代表 的氣流床造氣爐技術(shù)可靠、工藝成熟,具備轉(zhuǎn)化效率高、自動化 生產(chǎn)連續(xù)性好、產(chǎn)量穩(wěn)定、煤種適應(yīng)范圍廣泛等諸多優(yōu)點,是目 前煤氣化 用的主流趨勢。根據(jù)相關(guān)企業(yè)的自控 方案,氣化爐上有諸多儀表測點( 如溫度、壓力、流量等) ,需要 采集壓力參數(shù)并遠(yuǎn)傳至造氣裝置的自控系統(tǒng)中。 3. 2 壓力變送器測量膜片的選型 氣化爐壓力參數(shù)直接關(guān)系到造氣工段穩(wěn)定運行和安全生 產(chǎn),是操作過程自動化控制中的一個重要工藝指標(biāo)。它直接參 與了氣化爐安全聯(lián)鎖停車動作表選型需要得到重 視,選擇技術(shù)可靠且使用壽命較長的儀表來確保采集有效準(zhǔn)確的工藝參數(shù)。氣化爐壓力測量基本選型采用壓力變送器得到 諸多設(shè)計單的共識,但是忽視氫脆現(xiàn)象、不注意 壓力變送器測量膜片選型的案例時有發(fā)生,這種情況需要引起 重視并值得深思。 根據(jù)相關(guān)資料,目前常見的氣流床造氣爐測點處工況溫度參數(shù)為 250℃,工況壓力參數(shù)為 3. 75MPa,合成氣中氫氣含量不 低于 30% ( 摩爾分?jǐn)?shù))氫氣分壓不小于 1. 125MPa( 3. 75MPa × 30% = 1. 125MPa) 。該工況屬于高溫臨氫場合,即 流體非常高操作溫度超過 200℃ 且流體中氫分壓超的 工藝環(huán)境[5]。高溫臨氫場合下金屬設(shè)備極易發(fā)生氫脆現(xiàn)象,并 且隨著環(huán)境溫度、壓力及氫氣濃度的增加,氫脆現(xiàn)象會愈加顯 著( 其中環(huán)境溫度是非響因素) 。因此造氣爐壓力 變送器的測量膜片需要具備防止氫氣滲透的功能,減小氫脆現(xiàn) 象的影響。 由于金具備細(xì)密的晶格點陣,因此氫不易滲透或溶解在金材料內(nèi)部。此外金是非常穩(wěn)定的金屬元素,具備良好的抗腐蝕 性能及延展性,可以制作成涂層。針對這種特 性,目前全球諸多知名的壓力變送器供應(yīng)商( 日本橫河、日本富 士電機、美國霍尼韋爾) 研發(fā)了鍍金膜片型壓力變送器,通過鍍 金涂層膜片形成保護膜,有效隔離并防止氫氣滲 透,從而顯著降低了氫脆現(xiàn)象的影響。該工藝采用高溫長時間燒結(jié)技術(shù),在壓力變送器隔離膜片( 材質(zhì)為 316L鋼) 表層鍍上一層黃金鍍層( 減少氫滲透作用) ,黃金鍍層基面 再鍍上一層陶瓷鍍膜( 用于隔離氫) [6]。這種雙層鍍膜質(zhì)地致 密均勻、堅固耐腐、不受層極薄( 通常不足 3μmm) 不影響測量精度,較之純金膜片造價低廉且性能不受影響。采 用鍍金膜片型壓力變送器,能夠滿足煤造氣裝置造氣爐的工藝高溫臨氫場合下長期使用。這種新式的壓力變送 器在煤造氣行業(yè)已得到逐步推廣,根據(jù)企業(yè)反饋結(jié)果使用性能 和儀表壽命明顯優(yōu)于普通的壓力變送器。 4 結(jié)語 合理對壓力儀表選型,是確保生產(chǎn)安全的重要手段。本文提及的鍍金膜片型壓力變送器也適用于石化行業(yè)( 如加氫、制氫裝置) 的高溫臨氫場合,為儀表選型及設(shè)計提供一定的參考和借鑒。 |