Застосування тепловізорів при виробництві водню методом парового риформінгу природного газу

1. Зміст статті
2. Загальне уявлення про процес виробництва
3. риформинг
4. Проблеми виробництва водню
5. Методи і засоби вимірювання високих температур
6. Тепловізор NIR-B 3XR
7. Переваги застосування тепловізорів

Світове зростання виробництва водню стимулює широке застосування установок парового риформінгу метану, і бажання зробити цей процес максимально ефективним.

Зміст статті

виробництво водню

Зростаюча потреба в водні стимулюється такими, що швидко розвиваються прикладними технологіями, як створення паливних елементів, перегонка нафти, виробництво аміаку і металів, обробка в хімічній і аерокосмічній промисловості. За даними недавнього звіту по дослідженню ринків "Ринок виробництва водню - спосіб виробництва і доставка, технологія, застосування і регіони - глобальний прогноз до 2021 року" очікується, що до 2021 року ринок виробництва водню виросте від 117.94 до 152.09 мільярдів доларів. Протягом цих п'яти років нафтопереробка буде залишатися сектором високого споживання водню, з метанолом на другому місці, за яким слідує аміак; далі розвиток технології паливних елементів і вплив жорстких глобальних норм регулювання вмісту сірки в нафтопродуктах. Світове зростання виробництва водню стимулює широке застосування печей парового риформінгу метану, виникає очевидне бажання зробити цей процес - максимально ефективним.

При цьому має місце рух в сторону розширення контролю та діагностики при отриманні водню, метану, аміаку та ін., Обумовлені багатьма факторами, включаючи необхідність підвищення безпеки операторів, більшої безпеки самого процесу виробництва, зниження простоїв і скорочення собівартості продукції.

Загальне уявлення про процес виробництва

Базуючись на доступності метану, паровий риформінг природного газу - це один з найбільш потужних і поширених термічних методів виробництва водню. Риформинг природного газу, наприклад, використовується для отримання 95% водню в США. У цьому процесі легкодоступний і недорогий метан і вода вступають в реакцію в присутності каталізатора.

риформинг

Паровий риформинг метану є найменш витратний і найбільш часто використовуваний спосіб виробництва водню. Під час процесу виробництва природний газ змішується з парою і нагрівається до високих температур (700 ° C - 1000 ° C) під тиском і в присутності каталізатора. В результаті утворюється оксид вуглецю, водень і невелика кількість діоксиду вуглецю. На наступній стадії оксид вуглецю з реакції риформінгу взаємодіє з парою, і знову при використанні каталізатора, для отримання додаткової кількості водню. І нарешті, діоксид вуглецю видаляють, залишаючи чистий водень. Протягом всього процесу тепло, одержуване при згорянні газового палива в пічної коробці, за рахунок радіації передається до катализаторную трубках.

Паровий ріформер, який використовується в установках виробництва водню, аміаку та метанолу є складним і енергоємним апаратом. Контроль температури стінок трубок забезпечує максимальний термін служби каталітичних трубок при енергетичної ефективності і продуктивності процесу. Як приладів контролю температур застосовують восокотемпературние тепловізори. Цілий ряд різних трубчастих парових ріформеров включає в себе ріформери з верхнім і нижнім розташуванням пальників, де каталітичні трубки розташовані паралельними рядами з пальниками між рядами вгорі або внизу пічної коробки, нагрітої до температури від 1000 ° C до 1100 ° C. Для порівняння, в ріформерах з боковим і настінним, терасовим розташуванням пальників трубки встановлені в окремі ряди між протилежним стінками печі. Реакція проходить в трубках при ~ 900 ° C, а продукти реакції виходять внизу.

Є встановлені межі температури для стінок трубок, засновані на розрахунковій температурі трубок, так як високі температури всередині пічної коробки викликають їх розширення. Коли температура занадто висока, можливі дефекти повзучості, коксоутворення, пошкодження трубок, і як наслідок проблеми з протіканням технологічного процесу. Перевищення робочої температури всього лише на 20 ° C розрахункової температури скорочує термін служби трубок наполовину. З іншого боку, коли температура стінок трубок занадто низька, знижується вихід продукції. Тому - підтримання оптимальної температури критично важливо.

Проблеми виробництва водню

У виробництві водню є свої складності і ряд проблем. Ці проблеми є невід'ємною частиною умов експлуатації парових ріформеров - від основну проблему отримання величини температури стінок трубок до повного їх руйнування. Додаткова складність для операторів - це необхідність проводити вимірювання в екстремально важких умовах, де температура топкового газу на зовнішній поверхні трубок ріформера становить 960 ° C, а температура технологічного газу всередині трубок - в межах від 450 ° до 900 ° C.

Аварійні ситуації, пов'язані з температурою, включають в себе здуття, розтріскування, утворення тріщин від напруги, розрив через видавлювання, перегрів і випадки перевищення температури. Температурний градієнт по стінці трубки більш значний внизу або ближче до нижньої частини трубки, будучи причиною різної деформації повзучості - основний механізм руйнування. П'ята частина всіх випадків пошкодження включає в себе розтріскування трубок, а людський фактор (помилки оператора) - головна причина передчасного відмови.

Операторам не тільки необхідно глибоко розуміти поведінку ріформера в динамічних умовах, вони повинні аналізувати дані і швидко приймати рішення не допускаючи відмов. Необхідний великий досвід оператора для повного розуміння базової конструкції ріформера, технології процесу, принципів передачі тепла, фонової радіації, впливу випромінювання та охолодження, при їх першому прояві. І нарешті, операторам необхідно знати - реальні отримані дані або помилкові. Як бачите, складнощів виробництва досить багато.

Більшість випадків перегріву є наслідком помилки людини. Незважаючи на те, що надійність обладнання зростає, є великий розрив між серйозними проблемами і незнанням операторів, як досить швидко їх пом'якшити. Крім того, має місце плинність кадрів, накопичений досвід і знання йдуть разом з персоналом.

Незважаючи на ці проблеми, дуже важливо поліпшувати контроль і вимір температури для зниження впливу процесу на оператора і ризику для нього, а також підвищення продуктивності, зниження енергоспоживання, збільшення експлуатаційної довговічності трубок і управління потенційними відмовами обладнання і техніки.

Багато що залежить від можливостей. Наприклад, зміна температури лише на 10 ° C нижче розрахункової температури, призводить до втрати ефективності виробництва на 1%. Для типового виробництва аміаку - це відповідає 3 мільйонам доларів при збуті. Простий і заміна трубок після аварії можуть вилитися в серйозні фінансові витрати від 250000 до 500000 доларів на добу за рахунок втрати продукції і витрат на матеріали.

Методи і засоби вимірювання високих температур

Розглянемо, що необхідно для підвищеної безпеки і безперервного контролю 24 години на добу і 7 днів на тиждень для виробництва. Методів вимірювання температури багато, але ми розглянемо два найбільш ефективних:

1. Ручні точкові пірометри - дозволяють виконувати точкові вимірювання з високою точністю і представляють промисловий стандарт для вимірювання температури стінок труб. Пірометри можуть використовуватися для оптимізації роботи парових ріформеров шляхом підтримки робочої температури ближче до розрахункових значень, і в більшості ситуацій вони мають достатню точність. Однак, вони спостерігають тільки за локальним плямою на трубках і можуть пропустити гарячі ділянки в інших місцях.
2. Стаціонарні тепловізори - промислові тепловізори для вимірювання високих температур дозволяють підвищити продуктивність і ефективність виробництва за рахунок контролю великих гарячих ділянок. Завдяки отриманим даним можна домогтися максимальної оптимізації температури стінок трубок для забезпечення їх тривалого терміну служби. Це дозволяє отримувати більш точні і надійні результати, ніж результати роботи операторів, так як це не залежить від досвіду оператора, в той же час підвищує ефективність процесу і мінімізує ризик непередбаченого відмови.

Тепловізійні камери вставляють в ріформер кінцем блоку формувань зображень в отвір 1/4 дюйма в вогнетривів стінки ріформера. Блоки формування зображень охолоджуються водою і повітрям, забезпечуючи необхідну точність вимірювання в гарячій атмосфері ріформера. Джерело: компанія AMETEK Land.

Випромінювальна здатність є дуже важливим фактором забезпечення точності вимірювання температури. В обладнанні ріформера поверхні деяких об'єктів можуть відбивати випромінювання. Точкові пірометри і візуальний контроль можуть неправильно представляти ці сигнали відображення. Ви будете отримувати результати вимірювань відмінні від реальних даних, що призводить до помилок вимірювання температури. Оптимальне рішення могло б об'єднати можливість корекції температури за допомогою стаціонарної тепловізійної камери. Вона буде працювати 24 години на добу 7 днів на тиждень, тепловізор можна стратегічно встановити в межах ріформера, що істотно б підвищило ефективність і безпеку виробництва.

Тепловізор NIR-B 3XR

Стаціонарний бороскоп NIR-B 3XR компанії AMETEK Land оснащений тепловізором для ближньої інфрачервоної (NIR) області спектра призначений для безперервного вимірювання температури, оптимізації та контролю роботи печей. Дозволяє вимірювати температуру від 600 до 1800 ° C. Він формує теплове зображення з високою роздільною здатністю (656 x 494 пікселів) з точним вимірюванням температури в реальному часі як зовнішнього шару трубок, так і поверхні огнеупора. Тепловізіонная камера з 90 ° полем зору дозволяє одночасно вимірювати температуру безлічі паралельних трубок. Гарячі і холодні області легко визначаються, нерівномірне нагрівання стає видимим в реальному часі.

Дані безперервного контролю температури ріформера одержувані в реальному масштабі часу тепловізором NIR-B 3XR підвищують точність автоматизації і знижують ризики для операторів, які тепер можуть бачити результати в безпечному приміщенні - диспетчерської. Використання коротких довжин хвиль мінімізує помилки, пов'язані зі зміною коефіцієнта випромінювання, тому можуть бути отримані високоточні дані вимірювання температури. Їх можна зберігати і аналізувати повністю за весь термін експлуатації ріформера.

Модель ІК бороскопах NIR-b 3XR відмінно підходить для печей риформінгу і крекінгу. Теплове зображення дозволяє користувачеві контролювати і оптимізувати продуктивність печі риформінгу. Легко ідентифікувати гарячі і холодні області, а також незбалансовані пальника або газову суміш з корекцією і все це відбувається в реальному масштабі часу. Некоректно працюють пальника розпізнаються по падаючому випромінюванню полум'я.

Час відгуку тепловізора становить 0.14 секунди, що більш ніж в 40 разів менше в порівнянні з традиційними трубчастими термопарами. Термопари вимірюють температуру в точках приєднання, залишаючи більшу частину поверхні неконтрольованою. Термопари також мають дрейф в часі, коли працюють при високих температурах, і тому повинні регулярно замінюватися. Швидке реагування тепловізора NIR-B 3XR дозволяє спрацьовувати сигналізації, коли є випадковий зростання температури. При цьому реакція операторів може бути практично миттєвою, що знижує ймовірність несприятливих подій.

Промисловий Ethernet-вихід з'єднується з польовим комутаційним шафою, який забезпечує електричне живлення тепловізійної камери і інтерфейс для оптоволоконних Ethernet-з'єднань з сервером. Програма обробки тепловізійних зображень дозволяє передавати до 100 точок даних через Ethernet TCP / IP в розподілену систему управління. Програма записує потоки даних як відео і як окремі кадри для подальшого аналізу, використовуючи профілі, точки або області, що представляють інтерес. Також є опція для використання сигналізації при постійному контролі й автоматизації, а також програмний засіб відтворення будь-якої події, що передує сигналізації.

Дані з тепловізора можуть бути використані для контролю активності каталізатора в ріформере у вигляді запасу вуглецю і можливості відновлення втраченої продукції через ріформер.

Теплове зображення всередині, і піч риформінгу з точками даних.

Переваги застосування тепловізорів

Застосування тепловізора NIR-B 3XR дозволяє продовжити термін служби трубок ріформера, оптимізує його продуктивність і знижує споживання енергії. Типові області застосування тепловізора NIR-B 3XR включають в себе основні парові ріформери, вимірювання температури стінок трубок крекінг-установок отримання етилену і сповільнених операцій коксування. Вони дозволені для використання в газових атмосферах зон 2 (Zone 2), прилад може залишатися на місці під час роботи, технічного обслуговування, під час зупинки і запуску виробничих установок.

У найближчому майбутньому зростання використання водню триватиме, відповідно, буде зростати необхідність в безпеці, зниженні витрат і простоїв, збільшення продуктивності і ефективності відповідних виробництв. Застосування стаціонарних тепловізорів NIR-B 3XR з поліпшеними характеристиками буде направлено на розширення можливостей вимірювання температури в небезпечних зонах, надаючи все необхідне, вказане вище, для швидкого розвитку цього сектора промисловості.