轉化爐是一種工業上常用于轉化合成氣及其他物質的鍋爐設備，廣泛用于焦化、加氫、煤化工、催化劑合成等領域。其中，近幾年隨著雙碳政策的推動，氫能在工業、建筑以及交通領域均有大規模取代傳統能源的潛力，加氫工藝實現了飛速發展，其中，烴類蒸汽轉化制氫投資較少、生產成本低、經濟性相對較高、技術成熟度高、操作相對安全穩定，占據主要市場地位，因此對制氫轉化爐的需求也是日益提升。

制氫轉化爐

熱電偶保護管的作用

熱電偶在工業生產和科學研究等領域中已成為應用最廣泛的感溫元件，其熱電極一般都裝在帶有接線盒的保護管中，保護管有以下幾方面的作用：

（1）保護熱電極不受到人為或機械損壞；

（2）由于保護管能使熱電極不直接和被測介質接觸，可避免防止有害介質對熱電極的腐蝕火焰和氣體對熱電極的沖刷和輻射，延長熱電極的使用壽命；

（3）保護管還起著固定和支撐熱電偶的作用。

在轉化爐的生產維護中，溫度是重要參數之一，準確的溫度測控是保證轉化爐正常運行、提高產品質量、實現節能減排的重要保障。關于轉化爐的溫度測量，一般都采用高溫熱電偶直接測溫。早期轉化爐爐膛溫度并不高，一般采用以金屬管或常規剛玉作為保護管的高溫熱電偶進行測量，后來隨著工業技術的革新，轉化爐的轉化條件發生較大變化，轉化溫度顯著提高，這對高溫熱電偶的性能提出了更高的要求。

熱電偶

例如，以焦爐煤氣或天然氣為燃燒原料的轉化爐，通常其爐膛操作溫度長期高達 1300℃，壓力約2.2MPa，內部氣體組分復雜（主要有甲烷、氫氣、氧氣、一氧化碳及水蒸氣等），還伴有氣流沖刷。對于這種惡劣的環境，常規的熱電偶保護管是無法承受的，因此需要采用性能更好的保護管來保護高溫熱電偶的熱電偶絲。同時也要保證保護管材料具有較好的致密度，否則高溫熱電偶在使用過程中會因為保護管破損或者腐蝕氣氛穿過保護管而引起熱電偶絲腐蝕，導致偶絲斷裂或測量不準等問題。

因此，保護管材料對高溫熱電偶的使用壽命起到決定性作用，其材料選擇對于高溫熱電偶的質量至關重要。在熱電偶保護管材料中，由于金屬易受腐蝕，在高溫時不耐氧化，強度低，不適合在一些特殊的工況下高溫使用。而高溫結構陶瓷材料的出現，彌補了金屬材料的不足。高溫結構陶瓷具有高熔點、較高的高溫強度

和較小的高溫蠕變性能以及較好的耐熱振性、抗腐蝕、抗氧化、耐磨損及結構穩定性等特點，在高溫測量領域得到了廣泛應用。

幾種適用的高溫陶瓷熱電偶保護管材料

1.二硅化鉬金屬陶瓷

二硅化鉬是一種難熔金屬化合物，屬于耐高溫陶瓷材料，具有陶瓷與金屬的雙重特性。其燒結制品常溫下硬而脆，并具有金屬光澤，高溫下強韌性較好。

二氧化鉬陶瓷是一種在高溫下抗腐蝕、抗氧化、氣密性好的熱電偶保護管材料 ， 可以長期在1600℃的氧化、還原、氧化-還原交變及某些強腐蝕性介質環境中使用，在氧化氣氛下加熱到高溫，表面會生成一層致密的石英玻璃膜，它可以保持制品不再氧化，使之不受氧、氮、一氧化碳和二氧化硫的破壞，適合用作化工、冶金及機械等領域過程溫度測量高溫熱電偶的保護管，通常在直接溫度測量中使用，對熱電偶電極起到與測量環境隔離保護的作用。

二氧化鉬陶瓷管典型性能

不過焦爐煤氣在轉化爐中轉化過程中， 溫度達1400℃甚至更高，操作壓力、高壓蒸汽以及通氧會加速二硅化鉬保護套管材料里游離硅的氧化，在這極高的溫度和高速氣流的沖蝕下，二硅化鉬的高溫耐磨性不能很好地體現出來，所以轉化爐上測溫元件極易損壞，對轉化爐點火和安全運行造成較大隱患。但是經過應用考察，安裝于中部和下部的相同配置的高溫熱電偶能夠長期完好運行。可見，以二硅化鉬作為保護管的高溫熱電偶不適合在轉化爐的上部使用。

2.重結晶碳化硅

碳化硅為一種非氧化物陶瓷材料，因具有很大的硬度、耐熱性、耐氧化性、耐腐蝕性，已被確認為一種耐磨、耐火材料、電熱材料、黑色有色金屬冶煉等的原料。由于化學性能穩定、導熱系數高、熱膨脹系數小、耐磨性能好、硬度大，現已廣泛用作熱電偶保護管。

碳化硅熱電偶保護管

重結晶碳化硅是利用泥漿澆注法制成的坯體密度很高的碳化硅成型件，坯體在隔絕空氣條件下用電爐于高達2500℃溫度下燒成，在2100℃以上溫度下產生蒸發和凝聚作用，形成無收編自結合結構，燒前和最終密度保持不變，在晶體之間形成固態碳化硅結合。

重結晶碳化硅陶瓷管典型性能

經實際應用比較，重結晶碳化硅保護管的關鍵物理性能（如彎曲強度、熱膨脹、熱導率等）均優于二硅化鉬保護管。前期使用結果表明，該保護管在1600℃的氧化氣氛中仍能保持原形狀，適用于在高溫耐磨環境中使用。

不過在腐蝕性環境下，由于重結晶碳化硅密度不大，空隙較多，在高溫下碳化硅被氧化生成SiO₂，雖然生成的SiO₂形成一層保護膜，阻止了保護管被繼續氧化，但是保護管遭到沖刷和高溫水蒸氣的侵入，會進一步加劇碳化硅保護管的氧化，并慢慢深入，溫度越高氧化速度越快，所以保護管變得脆弱，不能起到很好的保護作用。因此，重結晶碳化硅保護管并不適合在強腐蝕性氣氛下應用，而更高密度的碳化硅保護管（如等靜壓碳化硅管）使用效果會更好一些。

3.高純剛玉

剛玉的主要成分是Al₂O₃，含量不小于99%。剛玉保護管主要用于溫度測量儀表熱電偶和熱電阻的保護管、絕緣管；工業電阻爐、實驗電爐、熱處理爐的爐管；其他耐高溫、耐酸堿腐蝕絕緣儀表元器件，因其綜合性能良好，得到了廣泛應用。

高純剛玉保護管中Al₂O₃純度高達99.7%，其密度大、熱振性好、熱傳導率好、耐酸堿、耐沖刷、耐溫性好，在氧化和還原氣氛中，剛玉保護管具有良好的高溫絕緣 性和機械強度。長期使用在1600℃，與空氣、水蒸氣、氫氣及一氧化碳等不起反應，也可在1800℃下短期使用。

剛玉陶瓷管典型性能

總結

高溫氧化和高溫腐蝕的轉化爐惡劣環境對保護套管材料是嚴峻的考驗，也給工程技術人員出了一道難題——如何經濟實用的解決高溫環境下的熱電偶保護套管的失效問題。在幾種陶瓷熱電偶保護管方案中，二硅化鉬、重結晶碳化硅等高溫陶瓷具有良好的耐高溫、耐沖刷及耐腐蝕等性能，但轉化爐爐膛的工況復雜，腐蝕性強，這些材料制作的保護管不適合在轉化爐上部測溫點應用，僅適合在中、下部測溫點應用；高純剛玉密度大、耐腐蝕、耐沖刷、耐高溫，其保護管在轉化爐中使用，能夠經受住介質腐蝕、介質沖刷及操作壓力等，極大地提高了轉化爐高溫熱電偶的使用壽命，適合在轉化爐上部測溫點應用，是較為理想的高溫保護管材料。

參考來源：

1.轉化爐高溫熱電偶保護管材料的研究與應用，王劍星、魏小明、于國慶、張福祥、梁磊、張忠模、趙彥（化學自動化及儀表）；

2.氣化爐測溫熱電偶存在的問題和解決方法，馬國敬、王春、王強（中氮肥）；

3.氣化爐用抗氧化耐沖刷熱電偶研究，王兵、唐逾、陳德茂（功能材料）；

4.熱電偶中保護管的種類、作用、要求以及性能特點分別是什么？（常州天利智能）。

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