關于加熱爐過熱蒸汽注水若干問題的分析研究

莫玉禮（茂名瑞派石化工程有限公司（原茂名石化設計院），廣東茂名525000）

1 案例

某企業遇上瀝青銷售旺季，需在原有的加工能力的基礎上進一步提高原油加工量以滿足客戶訂單需求。其中的一套常減壓蒸餾裝置的提量操作造成加熱爐負荷增加的同時，過熱蒸汽溫度迅速增大，遠遠超過了工藝安全指標。因過熱蒸汽溫度較高，整個廠區能使用過熱蒸汽的場合較少，以及直接放空排放部分過熱蒸汽造會成能源浪費，為確保加熱爐的過熱蒸汽管道系統處于安全狀態，該廠技術高管提出在過熱蒸汽進爐前入口管線上增加注水，通過注水來迅速控制過熱蒸汽升溫過快及超溫問題。該注水系統投用后，常造成過熱蒸汽溫度、壓力波動幅度過大，嚴重時會造成加熱爐火咀熄火，并且加熱爐霧化蒸汽噴咀頻繁堵塞，致使切換燃燒器及清理火咀的工作更加頻繁。更嚴重的問題是，最終引起了爐前霧化蒸汽管線和塔底吹汽管線的嚴重堵塞。

圖1 原過熱蒸汽注水方案示意簡圖

本文就該加熱爐過熱蒸汽設置注水系統存在的若干現象與問題的進行分析研究。

2 問題與分析

針對上述案例的幾個現象，經過對該過熱蒸汽系統和注水系統關鍵部位進行排查，并對該注水系統的全套設計方案以及應用的原理進行分析研究，發現該加熱爐過熱蒸汽設置注水系統存在若干問題。其中最主要的問題為加鹽除垢原理的錯誤應用和注水量控制不嚴兩個方面。圖1是原過熱蒸汽注水方案示意簡圖。

2.1 加鹽除垢原理的錯誤應用，導致蒸汽管線積聚鹽垢，造成蒸汽管線堵塞

圖2 過蒸汽注鹽水分析簡圖

先分析一下該注水系統存在原理應用方面存在的問題。該注水系統參照循環水中加藥除菌除垢原理，在注水中加入除垢鹽，并未經脫鹽純化處理，直接注入加熱過熱蒸汽系統中。如圖2過蒸汽注鹽水分析簡圖所示，注水進入過熱蒸汽系統后可能發生兩種工況：完全汽化和部分汽化。

注水加鹽后未經脫鹽純化處理，注水實質為溶液狀態。由蒸發原理可知，該注水完全汽化后，鹽垢晶體會完全析出，在管線內表面非光滑處和結構突變處積聚、長大，造成管線堵塞。

注水加鹽未經脫鹽純化處理，部分汽化后，蒸汽管線內的介質為蒸汽帶水溶液，即是汽液共存狀態，好會有部分鹽垢晶體析出。該工況將產生多方面嚴重影響。首先，析出的鹽垢晶體，會造成管線堵塞；其次，蒸汽嚴重帶水，進入加熱爐火霧化蒸汽和吹掃蒸汽管線，會造成加熱爐火咀熄火。再次，該工況會造成蒸汽溫度過低，從而影響其他一系列生產操作。

經過對上述兩種工況的分析可知，管線堵塞的根源，就在于注水加鹽后未經脫鹽純化處理，直接進入過熱蒸汽系統汽化后析出鹽垢晶體，最終導致管線堵塞，如圖3管線堵塞分析簡圖所示。

圖3 管線堵塞分析簡圖

對比一下循環水加鹽除菌除垢原理，循環水加鹽除菌除垢原理相對簡單，見圖4循環水加鹽除菌、除垢原理簡圖所示，加鹽前后，循環水的操作工況都為液態，沒有實質性變化。且循環水溫度一般控制在25～50℃之間，循環使用，揮發量較小，所以加藥除菌除垢，能使循環水管線保持暢通。

圖4 循環水加鹽除菌、除垢原理簡圖

過熱蒸汽注水與循環水加鹽除菌除垢原理的情況不同，往水里添加除垢劑，實際上是將鹽溶解在水中形成了水溶液。注水最終被汽化成水蒸汽，而鹽分則析出并堆積在管內，造成管線堵塞。所以過熱蒸汽注水不能簡單地直接套用循環水加鹽除菌除垢原理。

2.2 使用普通手控閘閥，無法精確控制注水量，造成過熱蒸汽溫度、壓力波動幅度較大

該注水系統的閥門采用了普通手動操作閘閥閥門。手動操作閘閥閥門對實際注水流量以及閥門開度都不能精確控制，以致對注水流量不能滿足實際需求。當注水量過大時，使過熱蒸汽降溫過快，部分注水還沒來得及汽化，所以會造爐前霧化蒸汽帶水，因而造成加熱爐火咀熄火。而且手動操作閘閥閥門的反應又遠落后于工藝及加工量調整時引起的加熱爐負荷的波動，因此加劇了過熱蒸汽溫度、壓力的波動幅度。

有關注水量對過熱蒸汽壓力的影響，可以通過如下的簡例子來分析：

根據理想氣體狀態方程pV=nRT（其中p 是壓強，V 是體積，n 是物質的量，R 是氣體常數，T 是熱力學溫度）可得如下關系：

在標準狀況（STP）t=0℃(273K)、p=1.01×105Pa下，氣體摩爾體積為22.4L/mol。（當溫度升高100℃，壓力增加1.5倍時，即P2=2.5P1時，氣體摩爾體積為12.24L/mol。）

在0℃、1.01×105Pa下，1L水的物質的量：

經過以上數據計算可以知道，1體積的水在100℃時常壓汽化后體積比原來增加1200 多倍。當壓力增加1.5 倍，1 體積的水在100℃汽化后體積比原來增加600多倍。從這兩組計算數據可以看出，注水量對過熱蒸汽的溫度、壓力產生重大影響。

2.3 問題的解決方法與途徑

針對上述分析的兩大方面的問題，可以從增加過注水脫鹽純化工藝和采用自動計量閥兩個方向來解決過熱蒸汽注水的主要問題。

在注水進入加熱爐過熱蒸汽系統前增加脫鹽純化預處理工藝，例如混凝、過濾、吸附、軟化等工藝，去除注水中的懸浮物、微生物、膠體、有機物、重金屬和游離狀態的余氯等，以減少注在過熱蒸汽系統內汽化后析出鹽垢晶體。

對流水注水量的控制，可以通過增加自動計量閥，引用DCS自動控制系統來對注水量進行嚴格的監控與控制，從而減少過熱蒸汽的溫度、壓力頻繁過大幅度的波動。

3 結語

加熱爐對流段過熱蒸汽增加注水是一個值得研究的課題，其優點有：可以減少鍋爐房為生產裝置提供系統蒸汽的負荷；在擴大生產裝置產能的同時能有充分利用加熱爐煙氣熱量，提高加熱爐能效，減少能損。加熱爐對流段過熱蒸汽增加注水，操作工況比較復雜，不能簡單在照搬循環水加鹽除菌除垢的原理，應該對過熱蒸汽增加注水可能產生的工況和可能現的問題進行具體分析研究，進而采取適合可行的方案。