淺談加熱爐結垢的危害及預防措施

淺談加熱爐結垢的危害及預防措施

王吉勝 吳新建 黃永輝 張建華 王群英 新疆油田公司采油二廠

加熱爐是原油處理的重要設備之一。對含水原油進行加熱后，達到最佳脫水溫度，在進入后續處理工藝時，能有效脫出游離水。因原油含水偏高，極易使加熱爐結垢，嚴重影響系統正常生產。本文通過采取的一系列措施，確保加熱爐高效、平穩運行。

加熱爐；結垢原因；結垢危害；預防措施

1.水垢的形成及性質

水垢的形成是一個復雜的物理化學過程，其原因有內因和外因兩方面。一是內因,水中有鈣、鎂離子及其它重金屬離子存在，是水垢形成根本原因；二是固態物質從過飽和爐水中沉淀析出并粘附在金屬受熱面上，是水垢形成的外因。當含鈣、鎂等鹽類雜質的水進入加熱爐后，吸收高溫煙氣傳給的熱量，鈣、鎂鹽類雜質便會發生化學反應，生成難溶的物質析出。析出物成為固體沉淀析出，附在鍋筒、水冷壁管等受熱面內壁上，形成一層“膜”，阻礙熱量傳遞，這層“膜”稱之為水垢。

水垢的組成或成分比較復雜，不是一種單一化合物，而是以一種化學成分為主，并同時含有其它化學成分。按其水垢的化學成分，一般可分為碳酸鹽水垢、硫酸鹽水垢、硅酸鹽水垢、氧化鐵水垢、含油水垢、混合水垢及泥垢等幾種。

水垢是一種導熱性能極差物質，為加熱爐鋼材的十分之一到數百分之一，是“百害之源”。在各種水垢中，硅酸鹽水垢最堅硬，導熱性能非常小，容易附在加熱爐受熱面最強的蒸發面上，是危害最大的一種水垢。

2.水垢對加熱的危害

（1）降低加熱爐熱效率，浪費燃料。加熱爐結水垢后，受熱面傳熱性能變差，燃料燃燒放出的熱量不能迅速傳遞，大量熱量被煙氣帶走，使排煙溫度升高，增加排煙熱損失，效率降低。要想保住加熱爐額定參數，必須加大投加燃料，并加大鼓風和引風強化燃燒。造成大量未完全燃燒物質排出煙囪，增加燃料消耗。加熱爐爐膛容積是一定的，無論投加多少燃料，燃燒是受到限制的，因而加熱爐的熱效率不可能提高。水垢越厚，熱效率就越低，燃料消耗越大。實驗表明，當水垢達1.5mm時，就多消耗6%燃料；5mm時，燃料消耗就達到15%；8mm時，增至34%。我站目前5臺5000KW加熱爐用4備1，若加熱爐有不同程度水垢，浪費的燃料十分驚人，4臺加熱爐水垢達到10mm時，每天燃氣多消耗1000m3。

（2）引起金屬過熱，強度降低，危及安全。加熱爐受熱面使用的鋼材，一般為20#碳素鋼，允許壁溫在450℃以下。加熱爐在正常運行時，金屬壁溫一般在280℃以下。當加熱爐受熱面無垢時，金屬受熱后能很快將熱量傳遞給水，此時兩者的溫差約30℃。但是，若受熱面結生水垢，情況就大大改變。例如，當工作壓力為1.25MPa，若有1mm水垢，金屬壁與介質的溫差會達到200℃左右。也就是說此時金屬壁溫度在鋼材允許溫度之內。但水垢3mm時，溫度上升到580℃，遠遠超過鋼材允許溫度。因而，鋼材抗拉強度就會由原來的3.92MPa下降到0.98MPa，受壓元件在內壓作用下發生過熱鼓皰、變形、泄漏，甚至爆炸。另外，溫度的升高會使金屬伸長，如1m爐管，每升100℃，伸長1.2mm，對于沒有伸縮余量的受熱面，就引起爐管龜裂。實測數據表明，金屬壁溫度隨著水垢厚度增加而增加的，水垢越厚，金屬壁溫越高，事故發生的機率就越大。

（3）破壞介質循環。加熱爐水循環為強迫水循環形式。都是經過設計計算的，也就是說保證有足夠的流通截面積。當爐管內壁結水垢后，會使管內流通截面積減小，流動阻力增大，破壞正常的介質循環，使向火面的金屬壁溫度升高。當管路被水垢堵死后，水循環則完全停止，金屬壁溫更高，長期下去會因過熱發生爆管事故。水冷壁管均勻布置在爐膛內，吸收的是輻射熱。如果結水垢，就易發生鼓皰、泄漏、彎曲、爆破等事故。

（4）增加檢修量，浪費資金。加熱爐一旦結垢，就必須要清除，才能保證加熱爐安全運行。清除水垢就必須要采用化學藥劑，如酸、堿等。水垢越厚，消耗的藥劑越多，投入的資金也越多。例如1臺5000KW加熱爐若平均結垢10mm，除一次垢需濃度15%鹽酸溶液15m3，加上人工費，需10萬元左右。按加熱爐噸位的不同，噸位增加，所需藥劑就增加三分之一，資金也相應增加。一般鍋筒內結垢，易消除，但若管內結垢消除困難。不僅如此，若發生爆管事故，換新管時，焊接很不方便。鍋筒鼓皰挖補時，要求高，時間長，施工困難。一次大的鼓皰挖補修復，耗費資金1至2萬元左右。總之，無論是化學除垢還是修理，都花費大量的人力、物力和財力。

（5）縮短加熱爐使用壽命。在正常使用條件下，加熱爐能連續運行20年左右。但為什么現在大部分沒有達到這一壽命呢？其原因是多方面的，其一就有水垢的影響。鍋筒發生鼓皰，挖補修復后，要適當降壓使用，以確保安全。有些加熱爐因鼓皰面積過大且變形嚴重而不得不報廢；有的雖能修復，但費用過高無價值，也不得不報廢。當酸洗方法不當或酸洗頻繁也會影響加熱爐使用壽命。另外，因水垢中含有鹵素的離子，在高溫下對鐵有腐蝕作用，會使金屬內壁變脆，并不斷向金屬壁深處發展，造成金屬腐蝕，縮短加熱爐使用壽命。

3.水垢的預防

要保證加熱爐不結垢或薄垢運行，要加強加熱爐給水處理，這是保證加熱爐安全和經濟運行的重要環節。預防水垢生成，常采用下列方法：

（1）鍋外水處理。適用于各種加熱爐。主要是向加熱介質中加入化學藥品，使介質中形成水垢的鈣、鎂鹽形成疏松的沉渣，通過介質的流動排出爐外，起到防止或減少加熱爐結垢的作用。

（2）加藥阻垢處理。首先將各種藥品配制成溶液，然后再將阻垢劑加入進口管線內。通常磷酸三鈉的溶液濃度為5～8%，碳酸鈉的溶液濃度不大于5%，氫氧化鈉的濃度不大于1～2%。最好采用連續加藥法，這樣可使爐內保持藥液的均勻，收到較好效果。

（3）采用設備阻垢。采用超聲波阻垢儀及在加熱爐彎頭處多點安裝超聲波兒振動探頭，是原油污水介質中的鈣鎂離子始終處于振動狀態，減少水垢的形成。

（4）減少原油含水達到節約能源，減少結垢延長加熱爐的使用壽命。

以上雖然介紹三種水處理方法，但工作是否落實到實處，關鍵在于管理。因而，需要樹立“安全第一，預防為主”的思想，真正認識到水垢的危害的重要性。早發現早處置，避免加熱爐在重度結構的狀態下運行，動態監控發現壓差過大時及時采用化學清洗，除凈爐管內水垢，定期檢測爐管壁厚，做到防患于未然，保證加熱爐安全高效運行。

[1]王保衛，瞿玉華.淺談鍋爐中水垢的危害及其預防.鍋爐制造.1997-08-15.

[2]李德寶.基于CAN總線的鍋爐水處理控制系統設計.大連交通大學碩士論文.2009-12-19.