关于加热炉过热蒸汽注水若干问题的分析研究

莫玉礼（茂名瑞派石化工程有限公司（原茂名石化设计院），广东茂名525000）

1 案例

某企业遇上沥青销售旺季，需在原有的加工能力的基础上进一步提高原油加工量以满足客户订单需求。其中的一套常减压蒸馏装置的提量操作造成加热炉负荷增加的同时，过热蒸汽温度迅速增大，远远超过了工艺安全指标。因过热蒸汽温度较高，整个厂区能使用过热蒸汽的场合较少，以及直接放空排放部分过热蒸汽造会成能源浪费，为确保加热炉的过热蒸汽管道系统处于安全状态，该厂技术高管提出在过热蒸汽进炉前入口管线上增加注水，通过注水来迅速控制过热蒸汽升温过快及超温问题。该注水系统投用后，常造成过热蒸汽温度、压力波动幅度过大，严重时会造成加热炉火咀熄火，并且加热炉雾化蒸汽喷咀频繁堵塞，致使切换燃烧器及清理火咀的工作更加频繁。更严重的问题是，最终引起了炉前雾化蒸汽管线和塔底吹汽管线的严重堵塞。

图1 原过热蒸汽注水方案示意简图

本文就该加热炉过热蒸汽设置注水系统存在的若干现象与问题的进行分析研究。

2 问题与分析

针对上述案例的几个现象，经过对该过热蒸汽系统和注水系统关键部位进行排查，并对该注水系统的全套设计方案以及应用的原理进行分析研究，发现该加热炉过热蒸汽设置注水系统存在若干问题。其中最主要的问题为加盐除垢原理的错误应用和注水量控制不严两个方面。图1是原过热蒸汽注水方案示意简图。

2.1 加盐除垢原理的错误应用，导致蒸汽管线积聚盐垢，造成蒸汽管线堵塞

图2 过蒸汽注盐水分析简图

先分析一下该注水系统存在原理应用方面存在的问题。该注水系统参照循环水中加药除菌除垢原理，在注水中加入除垢盐，并未经脱盐纯化处理，直接注入加热过热蒸汽系统中。如图2过蒸汽注盐水分析简图所示，注水进入过热蒸汽系统后可能发生两种工况：完全汽化和部分汽化。

注水加盐后未经脱盐纯化处理，注水实质为溶液状态。由蒸发原理可知，该注水完全汽化后，盐垢晶体会完全析出，在管线内表面非光滑处和结构突变处积聚、长大，造成管线堵塞。

注水加盐未经脱盐纯化处理，部分汽化后，蒸汽管线内的介质为蒸汽带水溶液，即是汽液共存状态，好会有部分盐垢晶体析出。该工况将产生多方面严重影响。首先，析出的盐垢晶体，会造成管线堵塞；其次，蒸汽严重带水，进入加热炉火雾化蒸汽和吹扫蒸汽管线，会造成加热炉火咀熄火。再次，该工况会造成蒸汽温度过低，从而影响其他一系列生产操作。

经过对上述两种工况的分析可知，管线堵塞的根源，就在于注水加盐后未经脱盐纯化处理，直接进入过热蒸汽系统汽化后析出盐垢晶体，最终导致管线堵塞，如图3管线堵塞分析简图所示。

图3 管线堵塞分析简图

对比一下循环水加盐除菌除垢原理，循环水加盐除菌除垢原理相对简单，见图4循环水加盐除菌、除垢原理简图所示，加盐前后，循环水的操作工况都为液态，没有实质性变化。且循环水温度一般控制在25～50℃之间，循环使用，挥发量较小，所以加药除菌除垢，能使循环水管线保持畅通。

图4 循环水加盐除菌、除垢原理简图

过热蒸汽注水与循环水加盐除菌除垢原理的情况不同，往水里添加除垢剂，实际上是将盐溶解在水中形成了水溶液。注水最终被汽化成水蒸汽，而盐分则析出并堆积在管内，造成管线堵塞。所以过热蒸汽注水不能简单地直接套用循环水加盐除菌除垢原理。

2.2 使用普通手控闸阀，无法精确控制注水量，造成过热蒸汽温度、压力波动幅度较大

该注水系统的阀门采用了普通手动操作闸阀阀门。手动操作闸阀阀门对实际注水流量以及阀门开度都不能精确控制，以致对注水流量不能满足实际需求。当注水量过大时，使过热蒸汽降温过快，部分注水还没来得及汽化，所以会造炉前雾化蒸汽带水，因而造成加热炉火咀熄火。而且手动操作闸阀阀门的反应又远落后于工艺及加工量调整时引起的加热炉负荷的波动，因此加剧了过热蒸汽温度、压力的波动幅度。

有关注水量对过热蒸汽压力的影响，可以通过如下的简例子来分析：

根据理想气体状态方程pV=nRT（其中p 是压强，V 是体积，n 是物质的量，R 是气体常数，T 是热力学温度）可得如下关系：

在标准状况（STP）t=0℃(273K)、p=1.01×105Pa下，气体摩尔体积为22.4L/mol。（当温度升高100℃，压力增加1.5倍时，即P2=2.5P1时，气体摩尔体积为12.24L/mol。）

在0℃、1.01×105Pa下，1L水的物质的量：

经过以上数据计算可以知道，1体积的水在100℃时常压汽化后体积比原来增加1200 多倍。当压力增加1.5 倍，1 体积的水在100℃汽化后体积比原来增加600多倍。从这两组计算数据可以看出，注水量对过热蒸汽的温度、压力产生重大影响。

2.3 问题的解决方法与途径

针对上述分析的两大方面的问题，可以从增加过注水脱盐纯化工艺和采用自动计量阀两个方向来解决过热蒸汽注水的主要问题。

在注水进入加热炉过热蒸汽系统前增加脱盐纯化预处理工艺，例如混凝、过滤、吸附、软化等工艺，去除注水中的悬浮物、微生物、胶体、有机物、重金属和游离状态的余氯等，以减少注在过热蒸汽系统内汽化后析出盐垢晶体。

对流水注水量的控制，可以通过增加自动计量阀，引用DCS自动控制系统来对注水量进行严格的监控与控制，从而减少过热蒸汽的温度、压力频繁过大幅度的波动。

3 结语

加热炉对流段过热蒸汽增加注水是一个值得研究的课题，其优点有：可以减少锅炉房为生产装置提供系统蒸汽的负荷；在扩大生产装置产能的同时能有充分利用加热炉烟气热量，提高加热炉能效，减少能损。加热炉对流段过热蒸汽增加注水，操作工况比较复杂，不能简单在照搬循环水加盐除菌除垢的原理，应该对过热蒸汽增加注水可能产生的工况和可能现的问题进行具体分析研究，进而采取适合可行的方案。