加熱爐應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展方向

劉玉芹

【摘 要】加熱爐是油田開發(fā)過程中的必備設(shè)備。隨著油氣田開發(fā)面積的增大、開發(fā)難度增大，油田用加熱爐的數(shù)量越來越多。目前，油田用加熱爐主要存在設(shè)備老化、小型加熱爐較多、效率偏低、燃燒不充分、爐內(nèi)腐蝕結(jié)垢等問題。關(guān)注油田用加熱爐技術(shù)和發(fā)展對安全生產(chǎn)、節(jié)能和提高生產(chǎn)效率有著重要的意義。

【關(guān)鍵詞】加熱爐；技術(shù)應(yīng)用；發(fā)展方向

1.加熱爐的結(jié)構(gòu)形式與技術(shù)分析

1.1管式加熱爐

管式加熱爐的火焰直接加熱爐管中的生產(chǎn)介質(zhì)，加熱溫差大，溫升快，允許介質(zhì)壓力高，單臺功率可以很大，能以較小的換熱面積獲得較大的加熱功率；但在加熱原油和易結(jié)垢介質(zhì)時，管壁結(jié)垢快，嚴(yán)重影響換熱，且結(jié)垢不均勻，會導(dǎo)致管壁局部過熱、失效等，這樣可能引起爆炸事故。

1.2火筒式加熱爐

燃燒的熱量直接通過火筒加熱爐殼內(nèi)的生產(chǎn)介質(zhì)。與管式加熱爐相比，火筒結(jié)垢的敏感性低、對換熱影響不太顯著。但是被加熱的生產(chǎn)介質(zhì)在爐殼內(nèi)流速緩慢，結(jié)構(gòu)件上仍然容易結(jié)垢。因此，火筒式加熱爐一般不用于加熱易結(jié)垢生產(chǎn)介質(zhì)，如稠油、三次采油污水等。

上述加熱爐結(jié)構(gòu)簡單，耗材少、一次性投資成本低，最大的隱患就是燃燒筒與生產(chǎn)介質(zhì)直接接觸。

1.3水套加熱爐

水套加熱爐與火筒式加熱爐的不同之處在于爐殼內(nèi)與火筒接觸的介質(zhì)不是生產(chǎn)介質(zhì)而是水，火筒加熱水，爐殼內(nèi)增加了盤管，通過盤管的生產(chǎn)介質(zhì)由水加熱。其優(yōu)點就是避免或減輕了火筒的結(jié)垢和腐蝕，更主要的是火筒不直接與生產(chǎn)介質(zhì)接觸，安全性好。近年來，水套加熱爐被廣泛應(yīng)用于油田生產(chǎn)。但水套加熱爐傳熱效率偏低、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、爐體鋼耗量大，另外運(yùn)行中易失水，需要經(jīng)常補(bǔ)水。

1.4相變加熱爐

相變加熱爐是近年來研制的一種新型加熱爐，主體結(jié)構(gòu)包括火筒、爐體（蒸汽發(fā)生器）和換熱盤管。按蒸汽運(yùn)行的壓力不同，可分為真空相變和承壓相變加熱爐，按換熱盤管結(jié)構(gòu)的不同，分為一體式和分體式相變加熱爐。其基本原理是：燃燒產(chǎn)生的熱量使得爐體內(nèi)（蒸汽發(fā)生器內(nèi)）的水沸騰汽化，水蒸氣與盤管接觸加熱盤管內(nèi)的生產(chǎn)介質(zhì)，水蒸氣接觸盤管冷凝成液體再次在爐體內(nèi)被加熱，由水變成水蒸氣，再由水蒸氣變成水的相變過程中產(chǎn)生熱交換，使得生產(chǎn)介質(zhì)被加熱。相變加熱爐利用相變傳熱原理，具有很高的管外傳熱系數(shù)，約為4000W/（m2·℃）。

2.加熱爐技術(shù)與分析

加熱爐的核心部件和核心技術(shù)是燃燒器，加熱爐的燃燒效率、環(huán)保排放等很大程度上取決于燃燒器。過去無論是加熱爐生產(chǎn)廠家還是使用單位在加熱爐的技術(shù)改造和升級方面都不太重視燃燒器技術(shù)。當(dāng)前國內(nèi)生產(chǎn)加熱爐的廠家很多，但是生產(chǎn)燃燒器的廠家卻很少，關(guān)于燃燒器技術(shù)研究的單位就更少。油田加熱爐配套的燃燒器多為簡易的正壓鼓風(fēng)燃燒器，其它形式的燃燒器較少，要么就是進(jìn)口國外燃燒器。近年來，冀東石油機(jī)械有限責(zé)任公司研制的轉(zhuǎn)杯霧化燃燒器取得了較好的效果。燃燒器的關(guān)鍵技術(shù)在于空氣與燃料的混合，也就是燃燒器的燃油霧化方法。下面介紹兒種燃油霧化方法。

2.1壓力噴氣霧化器

壓力噴氣霧化器就是在帶壓氣流作用下，使燃料被分散成為細(xì)小的小滴并與氣流充分混合霧化，達(dá)到良好燃燒結(jié)果。

2.2外混合霧化器

輔助的壓力噴氣機(jī)將空氣高速噴入霧化器，在霧化器端口經(jīng)過渦旋發(fā)生器，產(chǎn)生渦使之與燃料油充分混合霧化，這種霧化器可保證空氣和燃料油在通道內(nèi)不混合，所以空氣壓力波動對燃料油無影響。

2.3內(nèi)混合霧化器

蒸汽霧化器包括有一定數(shù)量的噴管，噴油孔和噴氣孔對應(yīng)。油和空氣在內(nèi)部混合，形成油和空氣的高壓乳化液，經(jīng)混合的油氣混合物從最后的管口噴出被霧化后進(jìn)入燃燒腔。

德國的扎克系列燃燒器采用的就是外混合霧化器或內(nèi)混合霧化器，單槍式結(jié)構(gòu)。適合于輕油、重油和天然氣等燃料。燃燒效果好，達(dá)到低氮排放要求，燃燒輕油時，低氮排放低于250mg/m3，燃燒天然氣時，低氮排放低于200mg/m3。

2.4轉(zhuǎn)杯霧化器

轉(zhuǎn)杯高速（大約5000r/min）旋轉(zhuǎn)，燃料油低壓進(jìn)入轉(zhuǎn)杯，均勻分布于轉(zhuǎn)杯內(nèi)表面并從轉(zhuǎn)杯的圓錐形外緣拋出。帶壓空氣從轉(zhuǎn)杯中心進(jìn)入在被外觸及拋出的薄膜狀燃油使之霧化。轉(zhuǎn)杯的轉(zhuǎn)速可調(diào)。

意大利的白得燃燒器、德國的威索燃燒器主要采用轉(zhuǎn)杯霧化器，適應(yīng)于輕油、重油、天然氣和油氣混合型燃料。

2.5藍(lán)色火焰燃燒器

藍(lán)色火焰燃燒器是一種節(jié)能、降低氮排放的環(huán)保型燃燒器。其主要特點是：在燃燒過程中，熱氣體從火焰口部分返回到入口參與混合，二次燃燒。這一過程使得燃燒完全，只產(chǎn)生藍(lán)色火焰，不見煙霧。意大利的意高節(jié)能燃燒器就是采用的藍(lán)色火焰燃燒器，具有安全、高效、寧靜的優(yōu)點。

3.加熱爐技術(shù)發(fā)展方向

（1）高效的相變熱傳導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用。相變熱傳導(dǎo)以水蒸氣作為傳熱介質(zhì)，換熱效率高。水在封閉的爐殼內(nèi)受熱蒸發(fā)、冷凝，水損失小，密閉爐殼內(nèi)不易結(jié)垢，熱傳導(dǎo)系數(shù)穩(wěn)定，使得加熱爐維持在較高換熱效率（大于90%），而且運(yùn)行安全可靠。

（2）加速國產(chǎn)化高效燃燒器研究，重點創(chuàng)新發(fā)展轉(zhuǎn)杯霧化和內(nèi)部混合霧化、外部混合霧化技術(shù)。這些先進(jìn)的霧化技術(shù)不僅霧化效果好、燃燒完全、火筒清潔，而且能適應(yīng)各種輕油、重油和天然氣燃料。為了使燃燒器處于良好的工作狀態(tài)，建議增設(shè)燃料油處理系統(tǒng)，清除燃料油中的固體雜質(zhì)。

（3）換熱盤管結(jié)構(gòu)形式和材料研究。換熱盤管是非常關(guān)鍵的部件之一，盤管設(shè)計必須考慮適應(yīng)不同的生產(chǎn)介質(zhì)，包括油類、氣類和污水類介質(zhì)，考慮各種介質(zhì)的腐蝕性和管體結(jié)垢。同時，在結(jié)構(gòu)上要考慮方便清理、維護(hù)和更換。

（4）自動化控制與監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用。自動化控制是流程設(shè)備的發(fā)展方向，加熱爐也不例外。實踐證明，自動化控制實現(xiàn)自動吹掃、供空氣、自動點火、燃燒、自動停機(jī)和啟動，自動控制運(yùn)行參數(shù)，可使燃料利用率達(dá)99.5%以上，加熱爐效率達(dá)88%～91%，方便操作，生產(chǎn)介質(zhì)溫度可以精確控制。

（5）專業(yè)化制造與供應(yīng)。專業(yè)化生產(chǎn)制造似乎不關(guān)系到技術(shù)進(jìn)步，但是我國生產(chǎn)油田用加熱爐的廠家很多，供應(yīng)過于分散，難以形成大批量供應(yīng)能力，專業(yè)性不強(qiáng)，且不注重技術(shù)創(chuàng)新，因此建議采取有效措施加強(qiáng)加熱爐的專業(yè)化制造與供應(yīng)。