稠油熱采注汽鍋爐煙氣余熱利用技術研究

韓玉海

（勝利油田分公司注汽技術服務中心現(xiàn)河注汽大隊，山東 東營 257000）

我國遼河、勝利等大型油田及新疆地區(qū)油田廣泛發(fā)育稠油油藏，稠油開發(fā)要借助注汽鍋爐，鍋爐熱效率設計值在85%以上，但在鍋爐運行中熱效率值一般在80%左右，普遍低于設計值。注汽鍋爐熱損失主要有尾部對流段排出煙氣熱損失、鍋爐體表散熱損失、燃料不完全燃燒損失。因此，要針對熱損失主要方面采取措施，特別是通過煙氣余熱利用降低熱損失。

一、注汽鍋爐煙氣余熱利用潛力

注汽鍋爐在運行中耗能較高，煙氣余熱是熱損失重要方面。勝利油田注汽鍋爐多采用原油作燃料，如果不加以處理，排出煙氣溫度多在230℃以上，蘊含著大量熱量，會因煙氣熱損失降低鍋爐運行熱效率。

為降低排出煙氣熱損失，多采取翅片管、銷釘管煙氣-水換熱器等方式進行余熱利用。在以渣油為燃料的鍋爐中，因燃料粘度大、燃點高，且含有較多重質成分，需較高燃燒條件，燃油燃燒溫度相應提高，排出煙氣溫度也更高，造成更多煙氣熱損失，使燃燒質量很難達標。

排煙熱損失影響因素主要有排出煙氣溫度和過剩空氣系數(shù)鍋爐物理熱損失基本等同于排出煙焓與冷空氣焓焓差，如利用在輸入熱中的占比，可用以下公式表示：

q2=（Ipy-apy*Io）（100-q機）/Qr*100%

公式中，Io——理論空氣焓（kJ/kg）；

Ipy——排出煙氣焓（kJ/kg）；

apy——排煙部位過剩空氣系數(shù)；

q機——機械不完全熱損失；

Qr——鍋爐輸入熱量（kJ/kg）。

在以渣油為燃料時，如過?？諝庀禂?shù)過小，會產生冒黑煙等燃燒不充分情況，而一般鍋爐運行中將過剩空氣系數(shù)控制在不超過1.35，此條件下排出煙氣溫度不超過170℃，鍋爐運行熱效率就可達到85%以上。

二、注汽鍋爐煙氣余熱利用技術

（一）煙氣余熱利用方式

可設計空氣預熱系統(tǒng)，利用煙氣余熱進行水預熱，具備煙氣熱量吸收、空氣和水加熱等功能，可有效提升鍋爐運行熱效率。具體實施中，對鍋爐對流段進行改造，在上面安裝熱管換熱器，充分利用煙氣余熱對供水加熱和空氣助燃。當前注汽鍋爐供水溫度普遍在50℃左右，已達到較高水平，不具備大的提升空間?？芍攸c將研究方向確定為對空氣進行助燃換熱，將鼓風機移到廠房外部，利用保溫性較好的管道將助燃空氣送到換熱器內換熱，再輸送到爐膛內燃燒。為確保煙氣余熱利用效率，可配套引風機，在爐膛壓力正常前提下加大煙氣量。煙氣余熱系統(tǒng)改造目標是將煙氣溫度由270℃以上降到170℃以下，將助燃空氣由15℃左右提升到160℃左右，提升鍋爐整體的運行熱效率。

（二）系統(tǒng)運行原理及應用設計

熱管空氣預熱器是將排出煙氣余熱經(jīng)由熱管傳遞到空氣側，由熱管元件在熱端吸熱，將工作介質吸熱后轉換為蒸汽向冷凝端（空氣側）流動，空氣可將熱管元件輸送熱量吸收后升溫，工作介質被吸溫后冷凝為液體向熱管元件熱端流回，實現(xiàn)煙氣余熱循環(huán)利用。

注汽鍋爐原有鼓風機可將冷空氣經(jīng)管道輸送到熱管空氣預熱器冷側與熱管元件進行熱交換，冷空氣吸收熱量后可流向鍋爐爐前配風管，隨后進入爐內與燃油混合助燃，混合燃燒后變?yōu)楦邷責煔馀c鍋爐輻射段、對流段和熱管空氣預熱器熱端進行熱交換，煙氣經(jīng)過煙道可借助除塵器進行除塵，由引風機送到煙囪。

以23t/h注汽鍋爐進行應用分析，額定工作狀態(tài)下鍋爐空氣量為2.25*104m3/h，改造前產生煙氣量為2.5*104m3/h，煙氣溫度約在220-240℃，以露點溫度為要求，排出煙氣設計溫度應為160℃。熱端直徑為25mm、單根熱管長為2.52m，包含1.36m加熱段、1.116m加熱段、0.044m隔熱層?？諝忸A熱溫度上升70℃，煙氣側壓降280Pa、空氣側壓降360Pa。通過配套風機變頻器可雙向控制預熱溫度和爐膛壓力，以變頻器為依托進行預熱空氣溫度調整，可在提升熱效率同時延長預熱器使用壽命?？蛇x擇H型肋片吸熱翅片減少積灰，進一步提高熱效率。

熱管設計應用主要包括管殼、吸液芯和端蓋，主要工作原理是管內抽成負壓狀態(tài)后充入適當液體作工作介質，有沸點低、易揮發(fā)特性，管壁吸熱芯選擇毛細多孔材料材質，熱管兩端分別為蒸發(fā)段和冷凝端，一端受熱后可促使毛細管中液體蒸發(fā)，蒸汽可在較小壓差下向另一端移動放熱，放熱后重新冷凝為液體；液體可依靠多孔材料本身毛細作用力流回蒸發(fā)段，通過循環(huán)作用實現(xiàn)熱量在熱管兩端傳遞，該循環(huán)是快速進行，可源源不斷進行熱量傳導。

設備使用壽命主要受三個因素影響：一是不凝性氣體，是工作介質與管殼材料發(fā)生電化學、化學反應生成，熱管工作時不凝性氣體被蒸汽流吹到?jīng)_凝段后聚集，形成氣塞減小有效冷凝面積、增大熱阻，造成傳熱能力降低甚至失效。二是工作介質物性惡化，介質在高溫下逐步分解。三是管殼材料腐蝕溶解，工作介質在管內流動受雜質、溫差等因素影響，易溶解或腐蝕增大流動阻力，降低熱管傳熱性能。管殼腐蝕穿孔后會造成熱管失效，在堿金屬高溫熱管中較為常見，如煙氣中二氧化硫含量較多也會加重腐蝕。

在設計原則上，主要將熱管換熱器安裝到對流段上節(jié)省空間，空氣加熱和煙氣流道分開避免腐蝕、提高熱效率，換熱器要與原有鍋爐系統(tǒng)分開防止影響鍋爐運行，增加引風機加快熱空氣向爐前移動速度。改造后煙氣余熱利用系統(tǒng)主要包含變頻器、空氣預熱器、引風機、溫度熱電偶和傳感器、煙道、壓力開關和傳感器、煙氣含氧量探頭及傳感器、補償導線、控制柜、觸摸屏和控制程序、轉換開關和動力電纜等?？蓮V泛應用于9-100t/h蒸發(fā)量注汽鍋爐，將空氣預熱溫度控制在不超過70℃，煙風阻力控制到不超過335Pa，排出煙氣溫度控制在大約150-170℃范圍內，回收煙氣熱效率在2.5%-3%。該類型注汽鍋爐額定排量下可實現(xiàn)節(jié)能3.16*106kJ/h，即節(jié)油量為80kg/h，運行節(jié)油量為2t/d。

在技術應用創(chuàng)新上，通過變頻技術對引風機電機控制實現(xiàn)節(jié)能降耗；通過空氣-煙氣熱交換器實現(xiàn)煙氣余熱回收，提高熱效率；通過預熱器壁溫控制延長設備使用壽命。應用熱管空氣預熱器結構簡單、溫差小、導熱性強、運行可靠，引風機可在點火程序中連鎖，無需增加工作量，實現(xiàn)自動控制；可配套陶瓷多管除塵器降低污染。

三、結論

綜上所述，通過應用注汽鍋爐煙氣余熱利用技術進行系統(tǒng)改造，可降低排煙溫度、提升助燃空氣溫度，降低燃油能耗和稠油開發(fā)成本。