超稠乳化油不完全燃燒因素分析

金春玲（中國石油遼河油田分公司沈陽采油廠）

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超稠乳化油不完全燃燒因素分析

金春玲（中國石油遼河油田分公司沈陽采油廠）

油田用注汽鍋爐常用超稠乳化油作為燃料，但超稠乳化油經(jīng)常發(fā)生不完全燃燒的現(xiàn)象。通過對超稠乳化油作為燃料的注汽鍋爐燃燒理論的分析與研究，針對超稠乳化油出現(xiàn)的化學(xué)不完全燃燒的現(xiàn)象，分析指出不完全燃燒的影響因素。通過現(xiàn)場試驗提出了整改措施，有效地遏制了超稠乳化油化學(xué)不完全燃燒的現(xiàn)象，從而節(jié)約了燃料使用量，提高了注汽鍋爐的熱效率，實現(xiàn)了節(jié)能降耗。

注汽鍋爐超稠乳化油化學(xué)不完全燃燒燃料過?？諝庀禂?shù)

油田用于稠油熱采的濕蒸汽發(fā)生器（注汽鍋爐）的燃燒器大多采用北美燃燒器，該系列燃燒器原設(shè)計使用船用柴油作為燃料，而現(xiàn)因燃料結(jié)構(gòu)不斷調(diào)整，采用超稠乳化油作為其燃料。超稠乳化油因其油質(zhì)差，在使用過程中經(jīng)常造成鍋爐油嘴結(jié)焦、冒黑煙、對流段積灰嚴(yán)重等現(xiàn)象。針對上述問題，在生產(chǎn)運行中經(jīng)過反復(fù)摸索，發(fā)現(xiàn)是由于超稠乳化油在燃燒過程中存在著化學(xué)不完全燃燒現(xiàn)象，這種現(xiàn)象還會造成燃料浪費以及降低鍋爐的熱效率。

1　注汽鍋爐燃料的燃燒

可燃物質(zhì)與氧進(jìn)行激烈化合而伴有放熱發(fā)光的物理-化學(xué)過程稱為燃燒。而注汽鍋爐的燃燒系統(tǒng)由燃料供應(yīng)設(shè)備、輸送設(shè)備及燃燒器組成。運行時，燃燒由供應(yīng)設(shè)備（油罐或天然氣分離器）及輸送設(shè)備（供油泵）送至爐前，經(jīng)專用燃燒器使燃料與空氣形成一定比例后進(jìn)入爐膛內(nèi)進(jìn)行燃燒［1］。如果空氣供給不足，不具備良好的燃燒環(huán)境，燃燒物的可燃物質(zhì)就不能充分燃燒并把熱量充分放出，這就是不完全燃燒。要使燃料燃燒得迅速而且完全，必須具備4個條件：有相當(dāng)高的溫度；有充足的氧氣供應(yīng)；燃料與氧氣充分混合；有足夠的燃燒時間。

但是由于種種原因，進(jìn)入鍋爐的燃料不可能完全燃燒。液體燃料燃燒時，燃料中的可燃物質(zhì)在爐膛內(nèi)燃燒，如果部分可燃物質(zhì)沒有燃盡隨煙氣排走，就造成了燃料的化學(xué)不完全燃燒熱損失。在送風(fēng)量不足、燃料與空氣混合不充分、爐膛容積小、爐溫太低等情況下，都可能造成燃燒不完全；可燃?xì)怏w在爐膛內(nèi)停留時間過短或達(dá)不到著火點，這些都能使可燃?xì)怏w不能完全燃燒，從而也會造成化學(xué)不完全燃燒熱損失。由此可見，消除鍋爐的化學(xué)不完全燃燒更有利于改善鍋爐的燃燒工況，節(jié)能增效［2］。

2　超稠乳化油化學(xué)不完全燃燒的原因

2.1空氣系數(shù)的影響

在鍋爐實際運行中，由于燃燒設(shè)備不完善及其他因素的影響，燃料與空氣的混合不可能達(dá)到完全理想的程度，如果僅按理論空氣量供給空氣，必然會使一部分燃料不能完全燃燒。為了保證燃料能夠完全燃燒，實際供給燃料燃燒的空氣量要比理論空氣量多；因此，引用了一個概念：實際空氣量與理論空氣量之比，稱為空氣系數(shù)?？諝庀禂?shù)取決于燃料種類、燃燒方式、燃燒設(shè)備的型號及運行條件等，其數(shù)值范圍一般為1.1～1.5。而表征空氣系數(shù)的2個參數(shù)是排煙中的CO2及O2的含量，CO2的標(biāo)準(zhǔn)體積分?jǐn)?shù)為12%～13%，O2的標(biāo)準(zhǔn)體積分?jǐn)?shù)為3%～5%?？諝庀禂?shù)過高時，燃燒完全，但是排煙損失增加，鍋爐熱效率降低，因此空氣系數(shù)不能過高?？傊?，將空氣系數(shù)控制在要求范圍內(nèi)，是保證燃料油充分燃燒的首要條件［3］。

2.2燃油壓力的影響

燃料油從油罐至油過濾器經(jīng)油泵打壓后將燃油壓力升至1.0 MPa左右，再經(jīng)過燃油蒸汽加熱器、電加熱器升溫到71℃以上；經(jīng)自力式減壓閥，把壓力穩(wěn)定在0.77 MPa左右；最后經(jīng)油調(diào)節(jié)閥、電動閥至油嘴，與助燃空氣混合并霧化后燃燒。所以，燃油壓力要求控制在規(guī)定范圍內(nèi)，燃油壓力高或低對燃燒都會產(chǎn)生一定的影響：燃油壓力高易造成鍋爐冒黑煙、燃燒不良、火焰燎爐管、蒸汽過熱；而燃油壓力低易造成鍋爐發(fā)生滅火［4］。

2.3燃油溫度的影響

燃油溫度是燃料燃燒的1個重要參數(shù)。鍋爐正常運行時，燃油溫度應(yīng)控制在120～130℃之間，這樣才會使燃料充分燃燒。如果燃油溫度過低，燃燒時會發(fā)生：泵輸油困難；燃燒器點火困難，特別是冷爐啟動無法點著火；霧化不佳引起燃燒不良；火焰反常，火焰形狀異常，火焰燒到爐管；燃燒器噴嘴處碳化；翅片管上積碳；煙筒冒黑煙；油壓不穩(wěn)，難于控制；過濾網(wǎng)堵塞。可見，將燃油溫度控制在規(guī)定數(shù)值之間，對于燃料的充分燃燒也是十分必要的。

2.4霧化質(zhì)量的影響

燃料能否完全燃燒的另1個重要因素就是霧化質(zhì)量。目前，注汽鍋爐采用介質(zhì)式油嘴進(jìn)行霧化（利用空氣或蒸汽作為介質(zhì)）。燃油經(jīng)燃油預(yù)熱系統(tǒng)使油溫、油壓達(dá)到要求值后，經(jīng)油過濾器、油控制閥、燃油電動閥進(jìn)入燃燒器的油噴嘴，與霧化用空氣混合后呈霧狀噴入爐膛燃燒；因此，進(jìn)行霧化的主要作用是為了使燃料充分燃燒，提高燃油的燃燒效率。燒油時，要求霧化壓力不能低于0.175 MPa，否則鍋爐會發(fā)出報警信號，一般控制在0.3 MPa左右。當(dāng)燃油的流動狀態(tài)為紊流脈動時，燃油會在霧化介質(zhì)的作用下被破碎成大量的細(xì)小油滴，導(dǎo)致燃油迅速被加熱并燃燒。由此可見，霧化效果越好，燃油越能充分燃燒，則鍋爐的熱效率越高。

3　主要措施

3.1過?？諝饬康拇_定

采取的主要對策是加強現(xiàn)場監(jiān)控，保證過?？諝庀禂?shù)控制在1.2左右或保證含氧在3%～5%之間。以前是通過采用KM-900熱效率測試儀進(jìn)行現(xiàn)場測量，監(jiān)測鍋爐煙氣組分的含量；目前對鍋爐進(jìn)行了改造，利用煙道內(nèi)安裝氧化鋯及配套二次儀表對鍋爐進(jìn)行實時監(jiān)控。根據(jù)測量數(shù)據(jù)情況對鍋爐的燃料與空氣送進(jìn)量加以調(diào)整，使風(fēng)門連桿機構(gòu)達(dá)到最佳比例。例如：當(dāng)CO2的含量超過標(biāo)準(zhǔn)值時，則將燃料閥關(guān)小或者調(diào)整風(fēng)門連桿，使風(fēng)門開度增大；如果O2的含量超過標(biāo)準(zhǔn)值時，可以將燃料閥開大或者調(diào)整風(fēng)門連桿，使風(fēng)門開度減小，直至反復(fù)調(diào)整，使各項組分的含量達(dá)到要求值。近期，又設(shè)計實施了含氧控制程序自動化，即設(shè)定一個氧含量的標(biāo)準(zhǔn)值，利用PLC自動進(jìn)行PID計算，執(zhí)行控制鼓風(fēng)機變頻值的大小，從而實現(xiàn)自動配風(fēng)：即當(dāng)煙氣含氧低于設(shè)定值時，自動提高風(fēng)機變頻，增大風(fēng)量，使煙氣的氧含量上升至標(biāo)準(zhǔn)，反之下降；從而有效保證了過剩空氣系數(shù)控制在要求范圍內(nèi)，鍋爐的熱效率明顯提高。同時，因為各種儀表均存在一定的允許誤差，所以，對各鍋爐進(jìn)行現(xiàn)場定期目標(biāo)值的設(shè)定；如501爐根據(jù)現(xiàn)場的反復(fù)測試，設(shè)定值最終定為4.8，而1601爐設(shè)定為4.3，從而有效保證了各設(shè)備的實時高效運行。

3.2燃油壓力的確定

在日常生產(chǎn)工作中，發(fā)現(xiàn)燃油壓力高或低的情況應(yīng)及時調(diào)整。燃油壓力的高低是根據(jù)鍋爐的水流量及輸出蒸汽質(zhì)量（干度）決定的。以往調(diào)整燃油壓力是通過調(diào)壓閥實現(xiàn)，即當(dāng)燃油壓力高時，關(guān)小爐前燃油流程的自力式壓力調(diào)節(jié)閥或開大爐前回油自力式調(diào)節(jié)閥來控制，油壓低則反之操作。通過改造，對燃油壓力的調(diào)整實行變頻自動控制，即在鍋爐控制盤上設(shè)定一個能夠保證鍋爐輸出蒸汽質(zhì)量而正常燃燒的油壓，程序自動實現(xiàn)燃油泵的變頻控制，使之隨設(shè)定的壓力增減速運行，既保證爐前燃燒油壓的穩(wěn)定，又大大避免了因調(diào)整不及時造成的不完全燃燒，降低了員工的勞動強度。經(jīng)現(xiàn)場測試，對燃用原油的注汽鍋爐，在鍋爐流量為18 m3/h時，油壓目標(biāo)值設(shè)定為0.45 MPa左右；燃用混配油時，設(shè)定為0.78 MPa左右；燃用煤焦油時，設(shè)定為0.68 MPa左右。

3.3燃油溫度的確定

當(dāng)燃油溫度過低時，可采取以下措施進(jìn)行調(diào)整：適當(dāng)投運電加熱器；增加蒸汽換熱器的進(jìn)汽量；提高站區(qū)內(nèi)的伴熱系統(tǒng)溫度。通過上述措施，將鍋爐爐前的燃油溫度控制在一定范圍內(nèi)；根據(jù)鍋爐燃用燃料油的不同，經(jīng)摸索總結(jié)：當(dāng)鍋爐燃用原油時，油溫控制在80～90℃；燃用煤焦油時，油溫控制在50～70℃。

3.4霧化質(zhì)量的確定

霧化質(zhì)量的決定因素分為霧化密度、霧化細(xì)度和霧化角3項，多因油噴嘴設(shè)計制造而決定。在實際生產(chǎn)中只對霧化壓力進(jìn)行調(diào)整，以保證介質(zhì)流速；因此，鍋爐運行時要求霧化用蒸汽或空氣有一定的壓力。霧化壓力過高，進(jìn)入爐內(nèi)的蒸汽量增多，鍋爐效率有所下降；過低時，因燃油霧化效果不佳而冒黑煙或爐膛內(nèi)有大量火星，即不完全燃燒。霧化壓力的高低可通過霧化流程上的減壓閥來調(diào)整，一般要求在0.3 MPa左右，保證霧化壓力控制在規(guī)定范圍內(nèi)，維持良好的燃燒。另外，根據(jù)近年來鍋爐燃料油質(zhì)的大幅度變化，建議有關(guān)科技部門對現(xiàn)有油嘴進(jìn)行改造或更新，以更加適應(yīng)生產(chǎn)的需要，最大限度地保證燃料的完全燃燒，提高鍋爐熱效率。

4　措施效果

由于對鍋爐的煙氣組分進(jìn)行分析測量工作較復(fù)雜，以往進(jìn)行的較少；而針對超稠乳化油的燃燒情況，加密了對鍋爐的煙氣分析工作，對發(fā)現(xiàn)的問題當(dāng)場進(jìn)行了調(diào)整，保證了鍋爐運行時煙氣指標(biāo)達(dá)標(biāo)。特別是通過近期的改造控制系統(tǒng)，保證了鍋爐燃燒工況的標(biāo)準(zhǔn)化。由于鍋爐已運行數(shù)年，設(shè)備老化嚴(yán)重，平均效率下降至76%左右。在采取此項措施后，使注汽鍋爐的熱效率由81%提高到85%以上，節(jié)能率達(dá)到4.7%，單臺注汽鍋爐年節(jié)約燃料油141 t，年創(chuàng)經(jīng)濟(jì)效益29萬元。由此可見，消除超稠乳化油的化學(xué)不完全燃燒現(xiàn)象有利于改善鍋爐的燃燒工況，提高其熱效率。

5　結(jié)論

通過對超稠乳化油燃燒的特性以及外部條件變化對燃料油燃燒的影響程度的分析，摸索了影響超稠乳化油化學(xué)不完全燃燒的相關(guān)因素，有針對性地開展了一系列實踐和調(diào)整，取得了可靠的經(jīng)驗數(shù)據(jù)。這些有益的嘗試，將指導(dǎo)處理注汽鍋爐燃用超稠乳化油時的實際操作，確保鍋爐能在較經(jīng)濟(jì)的工況下運行。

［1］馬強.稠油熱采系統(tǒng)能效對標(biāo)管理實踐［J］.石油和化工節(jié)能，2015（3）：18-20.

［2］楊書會.熱采鍋爐能量利用新分析［J］.石油和化工節(jié)能，2015（1）：14-21.

［3］劉鐵哲.優(yōu)化最佳過量空氣系數(shù)提高注汽鍋爐熱效率［J］.石油石化節(jié)能，2014，4（3）：12-13.

［4］馬強，朱延鵬，于廣剛.基于系統(tǒng)工程理論的油田節(jié)能管理模式探索與實踐［J］.石油石化節(jié)能，2014，4（10）：41-44.

新型節(jié)能與新能源汽車受青睞

“2015節(jié)能與新能源汽車成果展”上觀看新型家用電動車

10月21日至24日，以“選擇·行動——未來從現(xiàn)在開始”為主題的2015（第3屆）中國國際節(jié)能環(huán)保汽車展覽會，節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃成果展覽會，中國國際純電動車、混合動力車和燃料電池車及關(guān)鍵零部件技術(shù)交流展覽會，中國國際汽車新能源及技術(shù)應(yīng)用展覽會（簡稱“節(jié)能與新能源汽車成果展”）在北京國家會議中心舉行。本屆展會全方面覆蓋節(jié)能汽車、環(huán)保汽車、純電動汽車、混合動力汽車、插電式混合動力和燃料電池汽車，以及電池、電動機、電控等關(guān)鍵零部件和充電設(shè)施等產(chǎn)品，眾多國內(nèi)外主流乘用車企業(yè)、零部件和充電設(shè)施供應(yīng)商、代理商攜旗下新品參展。本屆車展由中國汽車工業(yè)協(xié)會、中國電工技術(shù)學(xué)會等單位主辦，旨在為企業(yè)總結(jié)和交流節(jié)能與新能源汽車應(yīng)用經(jīng)驗、展示最新科技成果提供1個更為良好的平臺，對于加快發(fā)展節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)具有積極作用。

胡慶明

10.3969/j.issn.2095-1493.2015.12.017

2015-09-22）

金春玲，工程師，1994年畢業(yè)于遼河石油學(xué)校，2008年畢業(yè)于東北財經(jīng)大學(xué)（項目管理專業(yè)），從事節(jié)能管理工作，E-mail：Jinchl@petrochina.com.cn，地址：遼寧省新民市興隆堡鄉(xiāng)沈陽采油廠技術(shù)監(jiān)督中心，110316。

中國石油天然氣股份有限公司重大科技專項“低碳關(guān)鍵技術(shù)研究”（2011E24）。