煙氣冷凝式余熱利用技術(shù)評(píng)析與應(yīng)用

周　兵（遼河油田公司高升采油廠）

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煙氣冷凝式余熱利用技術(shù)評(píng)析與應(yīng)用

周兵（遼河油田公司高升采油廠）

注汽鍋爐煙氣余熱利用技術(shù)主要采用的是在原有管式換熱基礎(chǔ)上增加翅片，用空氣作為介質(zhì)吸收煙氣中的熱量。由于鍋爐使用年限較長(zhǎng)，對(duì)流段翅片管吸熱能力逐年變差。通過(guò)煙氣冷凝式余熱利用技術(shù)，利用水比熱高的特性使用高溫?zé)煔饧訜徨仩t低溫來(lái)水，并通過(guò)換熱吸收過(guò)程中釋放的顯熱和潛熱，將煙氣溫度降低至露點(diǎn)溫度以下，以此提高注汽鍋爐來(lái)水溫度、降低注汽鍋爐排煙損失和尾氣排放量，達(dá)到提高注汽鍋爐熱效率，節(jié)約生產(chǎn)成本和提高注汽系統(tǒng)管理水平的目的。

鍋爐冷凝熱效率注汽系統(tǒng)管理水平

1　現(xiàn)狀

高升采油廠現(xiàn)有注汽鍋爐18臺(tái)，2000年以前投產(chǎn)12臺(tái)、2000年以后投產(chǎn)6臺(tái)，年承擔(dān)注汽量60×104m3。

由于鍋爐使用年限較長(zhǎng)，對(duì)流段翅片管吸熱能力逐年變差，2014年注汽鍋爐平均熱效率86.8%，排煙溫度181℃（見(jiàn)表1）。按排煙溫度每升高15℃，鍋爐熱效率降低1%，排煙熱損失占鍋爐熱損失的91%。若煙氣溫度降低100℃、鍋爐熱效率可提高7%、年注汽量60×104t計(jì)算，年節(jié)約燃料氣420×104m3，天然氣單價(jià)3.18元/m3計(jì)算，節(jié)約成本1 335.6萬(wàn)元。

現(xiàn)有注汽鍋爐煙氣余熱利用技術(shù)采用的是在原有管式換熱基礎(chǔ)上增加翅片，用空氣吸收煙氣中的熱量［1］，由于加熱介質(zhì)為空氣，介質(zhì)比熱遠(yuǎn)低于水比熱（空氣1 kJ/kg·℃、水4.2 kJ/kg·℃），吸熱能量有限，注汽鍋爐熱效率提高有限。

2　鍋爐熱效率分析

鍋爐燃燒遵循能量守恒，即燃料輸入能量（Qr）=鍋爐有效利用熱量（Q1）+鍋爐熱損失熱量，其中鍋爐熱損失分為排煙熱損失Q2、化學(xué)不完全燃燒熱損失Q3、機(jī)械不完全燃燒熱損失Q4、散熱損失Q5和灰渣物理熱損失Q6。對(duì)于1臺(tái)燃油或燃?xì)獾挠吞镒⑵仩tQ4值和Q6值為0，鍋爐正常運(yùn)行時(shí)，燃燒可視為完全燃燒，化學(xué)不完全燃燒熱損失數(shù)值存在但很小，可忽略不計(jì)。而且對(duì)于同臺(tái)鍋爐Q5值基本維持不變，大約在1.4%左右。因此注汽鍋爐熱損失主要為排煙損失，而且排煙熱損失受排煙溫度和排煙體積決定。經(jīng)計(jì)算，燃?xì)馊紵龝r(shí)鍋爐熱效率提高值同排煙溫度符合以下曲線規(guī)律（見(jiàn)圖1）。

圖1　排煙溫度同鍋爐熱效率提高值關(guān)系曲線

從圖1可知，鍋爐熱效率同排煙溫度呈非線性關(guān)系，其中高于露點(diǎn)溫度時(shí)為直線關(guān)系、低于露點(diǎn)溫度時(shí)為曲線關(guān)系，整體表現(xiàn)為排煙溫度降低鍋爐熱效率提高，且當(dāng)排煙溫度低于露點(diǎn)溫度時(shí)，鍋爐熱效率隨排煙溫度降低明顯提高。排煙溫度高于露點(diǎn)溫度時(shí)，排煙溫度由200℃降低至露點(diǎn)溫度階段，效率提高6.7%，即煙氣溫度每降低21.3℃，效率提高1%；排煙溫度低于露點(diǎn)溫度時(shí)，排煙溫度由40℃降低至20℃時(shí)，熱效率提了4.09%，即煙氣溫度每降低4.89℃，效率提高1%。

因此，可通過(guò)各種技術(shù)手段使注汽鍋爐排煙溫度降低至露點(diǎn)溫度以下，以進(jìn)一步提高注汽鍋爐熱效率。

表1　2014年注汽鍋爐測(cè)試數(shù)據(jù)

3　技術(shù)改造

采用煙氣冷凝式利用技術(shù)，即在滿足注汽鍋爐安全生產(chǎn)和操作方便的前提下，利用高溫?zé)煔饧訜徨仩t低溫來(lái)水，并通過(guò)加強(qiáng)換熱將煙氣溫度降低至露點(diǎn)溫度以下，鍋爐來(lái)水吸收過(guò)程中釋放的顯熱和潛熱，達(dá)到提高注汽鍋爐熱效率的目的［1］。

3.1節(jié)能裝置

煙氣余熱冷凝節(jié)能裝置，在廠活動(dòng)注汽鍋爐參數(shù)要求的基礎(chǔ)之上進(jìn)行改造，主要換熱部分為獨(dú)特的板紋式換熱結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化受熱面?zhèn)鳠徇^(guò)程，在保證換熱效果的前提下控制設(shè)備安裝后增加阻力在100 Pa以內(nèi)（見(jiàn)圖2）；節(jié)能裝置內(nèi)部和外部均采用防腐絕熱材料，內(nèi)壁面耐溫高于100℃、外壁面耐溫低于100℃；根據(jù)柱塞泵耐溫和注汽鍋爐爐膛壓力值，控制節(jié)能裝置煙氣通量，來(lái)確保系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

圖2　活動(dòng)注汽鍋爐節(jié)能裝置結(jié)構(gòu)示意圖

3.2數(shù)據(jù)計(jì)算

活動(dòng)注汽鍋爐燃燒器型號(hào)為6131-ICCR/ x6099，燃燒器風(fēng)機(jī)型號(hào)為離心式25HP30 kPa，排煙最高溫度220℃、最低溫度120℃，實(shí)際排量5.5～9 m3/h，柱塞泵來(lái)水溫度上限78℃。節(jié)能設(shè)備安裝后進(jìn)行增加阻力和節(jié)能參數(shù)2項(xiàng)進(jìn)行模擬計(jì)算，以實(shí)現(xiàn)在節(jié)能設(shè)備安全使用的情況下（增加阻力控制在100 Pa以內(nèi)）來(lái)提高注汽鍋爐熱效率［2］。

1）排煙溫度160℃時(shí)、阻力增加91.875 1 Pa，排煙溫度220℃時(shí)、阻力增加93.334 2 Pa，均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求100 Pa以內(nèi)。

2）在來(lái)水溫度15℃、空氣過(guò)剩系數(shù)1.15、模擬不同排煙溫度和排速下，節(jié)能和減排情況，見(jiàn)表2。

從表2可以看出，排量7 m3/h、排煙溫度160℃、來(lái)水溫度15℃情況下，出口煙溫79.35℃、出口水溫56.77℃、節(jié)能率7.92%、CO2減排79.73 kg/h、冷凝液析出186.6 kg/h；排煙溫度220℃、來(lái)水溫度15℃情況下，出口煙溫91.47℃、出口水溫61.46℃、節(jié)能率8.81%、CO2減排88.67 kg/h、冷凝液析出193.2 kg/h，排量8 m3/h、排煙溫度160℃、來(lái)水溫度15℃情況下，出口煙溫79.54℃、出口水溫56.52℃、節(jié)能率7.87%、CO2減排90.56 kg/h、冷凝液析出204.5 kg/h；排煙溫度220℃、來(lái)水溫度15℃情況下，出口煙溫89.63℃、出口水溫58.57℃、節(jié)能率8.26%、CO2減排95.03 kg/h、冷凝液析出210.6 kg/h。

結(jié)合廠注汽鍋爐運(yùn)行情況，對(duì)使用頻次高的2臺(tái)活動(dòng)注汽鍋爐進(jìn)行節(jié)能設(shè)備安裝，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)使用情況對(duì)節(jié)能裝置及工藝流程進(jìn)行優(yōu)化處理，增加爐膛壓力報(bào)警，以防由爐膛壓力偏高造成的安全隱患；增加柱塞泵入口水溫超溫報(bào)警，確保柱塞泵使用安全。

表2　節(jié)能率模擬計(jì)算

4　效益評(píng)價(jià)

1）經(jīng)濟(jì)效益。經(jīng)局節(jié)能監(jiān)測(cè)處測(cè)試，注汽鍋爐排煙溫度由170℃降低至87.9℃、鍋爐熱效率由87.9%提高至94.9%，提高7%。設(shè)注汽鍋爐改造前燃?xì)鈫魏臑?3 m3/t，改造后注汽單耗為67.62 m3/t、燃?xì)鈫魏慕档?.38 m3/t。年承擔(dān)10×104m3注汽量的2臺(tái)活動(dòng)注汽鍋爐年節(jié)約燃料氣53.8×104m3、創(chuàng)效171.084萬(wàn)元（天然氣單價(jià)3.18元/m3）。

2）社會(huì)效益。通過(guò)實(shí)施煙氣冷凝余熱技術(shù)后，節(jié)約了天然氣用量，減少了溫室氣體排放量。同時(shí)冷凝出的水對(duì)氮氧化合物也有很好的溶解作用，減少污染物的排放。

5　結(jié)論

通過(guò)開(kāi)展煙氣冷凝式余熱利用技術(shù)分析與應(yīng)用，在保證鍋爐安全運(yùn)行的前提下，提高了注汽鍋爐來(lái)水溫度、降低了注汽鍋爐排煙損失和尾氣排放量，有效的節(jié)約了生產(chǎn)成本，提高注汽系統(tǒng)管理水平。

1）明確計(jì)算燃燒天然氣情況下煙氣中水蒸汽汽化潛熱量、過(guò)量空氣系數(shù)同煙氣中水蒸汽露點(diǎn)溫度的關(guān)系，為煙氣冷凝式余熱技術(shù)應(yīng)用和對(duì)流段入口水溫控制提供科學(xué)依據(jù)。

2）科學(xué)分析煙氣中冷凝液質(zhì)量和冷凝率，并采用模塊化設(shè)計(jì)理念，通過(guò)多種技術(shù)手段強(qiáng)化傳熱，將煙氣溫度降低至露點(diǎn)溫度以下，來(lái)回收煙氣中的顯熱和潛熱，同時(shí)控制增加煙道阻力在100 Pa以內(nèi)。

3）工藝安裝過(guò)程中將爐膛壓力和柱塞泵入口水溫作為設(shè)備啟停的報(bào)警項(xiàng)，確保注汽鍋爐安全和柱塞泵的正常使用。

［1］李慧君，王樹(shù)眾，張斌，等.冷凝式燃?xì)忮仩t煙氣余熱回收可行性經(jīng)濟(jì)分析［J］.研究與開(kāi)發(fā)，2003（2）：1-4.

［2］孫金棟，李孝萍，賈力.煙氣冷凝換熱過(guò)程分析［J］.北京建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2001，17（3）：23-26.

2020年前清潔能源消費(fèi)比例將超17%

2015年9月22日，2015第五屆能源高層對(duì)話舉行，國(guó)務(wù)院國(guó)有重點(diǎn)大型企業(yè)監(jiān)事會(huì)主席趙華林在出席活動(dòng)時(shí)預(yù)計(jì)，2020年前清潔能源消費(fèi)比例將超過(guò)17%。

趙華林說(shuō)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期發(fā)展，我國(guó)已成為世界上最大的能源生產(chǎn)國(guó)、消費(fèi)國(guó)，形成全面的能源供應(yīng)體系，技術(shù)裝備水平明顯提高，生產(chǎn)、生活用能條件顯著改善。雖然我國(guó)能源發(fā)展取得巨大成績(jī)，但面臨著能源供給制約較多、能源生產(chǎn)和消費(fèi)對(duì)生態(tài)環(huán)境損害嚴(yán)重、能源技術(shù)水平總體落后等挑戰(zhàn)。

趙華林說(shuō)，“十二·五”期間，我國(guó)第一次出現(xiàn)能源消耗量下降，能源消耗與經(jīng)濟(jì)發(fā)展脫鉤的趨勢(shì)顯現(xiàn)。預(yù)計(jì)，煤炭消費(fèi)的峰值可能在2020年前到來(lái)，清潔能源比例將超過(guò)17%。無(wú)論是產(chǎn)能企業(yè)還是用能企業(yè)，無(wú)論是化石能源還是清潔能源生產(chǎn)企業(yè)，都必須考慮新常態(tài)帶來(lái)的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。我們必須從國(guó)家發(fā)展和安全的戰(zhàn)略高度，審時(shí)度勢(shì)、借勢(shì)而為，順應(yīng)能源大勢(shì)，務(wù)實(shí)推進(jìn)一帶一路合作，加大油氣資源勘探開(kāi)發(fā)力度、油氣儲(chǔ)備設(shè)施建設(shè)、完善能源應(yīng)急體系和能力建設(shè)。

胡慶明

10.3969/j.issn.2095-1493.2015.11.011

2015-04-22）

周兵，工程師，2006年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院（石油工程專業(yè)），從事油田集輸系統(tǒng)生產(chǎn)運(yùn)行管理工作，E-mail：zhoubing19750810@126.com，地址：遼寧省盤錦市遼河油田高升采油廠集輸大隊(duì)，124125。