過(guò)熱注汽鍋爐煙氣余熱回收節(jié)能技術(shù)研究及應(yīng)用

劉建橋 王飛 盧新萍 宮毓陽(yáng) 李揚(yáng)（克拉瑪依紅山油田有限責(zé)任公司）

紅003 井區(qū)采用過(guò)熱蒸汽注汽提高超稠油的采收率，但蒸汽燃用天然氣單耗高，迫切需要提高燃料利用水平。以天然氣為燃料的鍋爐，宜采用半冷凝或者全冷凝尾部熱交換裝置，回收煙氣中的熱量[1]。由于天燃?xì)獾牧蚝枯^低（小于20 mg/m3），給水溫度10～40 ℃，排煙溫度在100～140 ℃，具備利用冷凝技術(shù)回收煙氣中水蒸氣汽化潛熱的條件[2]。

1 天然氣和煙氣特性分析

1.1 天然氣組分

紅003 井區(qū)使用天然氣中甲烷體積百分?jǐn)?shù)92.31% ， 乙 烷 體 積 百 分 數(shù)4.06% ， 發(fā) 熱 量 約35 000 kJ/m3（標(biāo)況）。101.325 kPa，20 ℃條件下，經(jīng)天然氣燃燒特性計(jì)算[3]，1 m3天然氣產(chǎn)生的水蒸氣要帶走的熱量占11.04%，鍋爐的極限熱效率可達(dá)到110.766%。當(dāng)空氣過(guò)量系數(shù)取1.15 時(shí)，水蒸汽占煙氣的容積份額達(dá)到18%，煙氣熱力學(xué)平衡水露點(diǎn)溫度為55.4 ℃。

1.2 煙氣顯熱

不同煙溫，不同空氣過(guò)量系數(shù)的煙氣的顯熱熱焓如圖1。

煙氣溫度越高，過(guò)量空氣系數(shù)α 值越高，煙氣熱焓值越高。因此，應(yīng)合理控制煙氣氧過(guò)剩量，降低煙氣溫度，以提高鍋爐熱效率。

圖1 煙氣顯熱熱焓

1.3 煙氣潛熱

不同煙溫，不同空氣過(guò)量系數(shù)的煙氣的潛熱熱焓如圖2。

圖2 煙氣潛熱熱焓

由圖2 可知，為了回收煙氣中的水蒸汽潛熱，必須把煙溫降到露點(diǎn)溫度以下。

2 煙氣熱焓回收

2.1 煙氣顯熱回收

不同空氣過(guò)量系數(shù)下，隨著煙氣溫度降低，提高煙氣顯熱冷凝熱效率，如圖3。

圖3 回收煙氣顯熱提高熱效率

當(dāng)煙氣溫度在同一溫度時(shí)，空氣過(guò)量系數(shù)越大，提高的熱效率越大，回收的熱量越多， 但是需增加換熱面積。煙氣顯熱回收利用中，通過(guò)對(duì)空氣過(guò)剩量的控制，可以提高回收系統(tǒng)的效率。

2.2 煙氣潛熱回收

不同空氣過(guò)量系數(shù)下，隨著煙氣溫度降低，提高煙氣潛熱冷凝的熱效率，如圖4。

圖4 回收煙氣潛熱提高熱效率

隨著煙氣溫度的降低，煙氣冷凝換熱提高的熱效率增加。同一溫度下，空氣過(guò)量系數(shù)越小，提高的熱效率越大。

2.3 天然氣燃燒效率提高的潛力

一般來(lái)說(shuō)，排煙中的水蒸氣潛熱在60 ℃以下才能得到回收[4]，排煙溫度與天然氣煙氣利用率的關(guān)系，如圖5，鍋爐熱效率的提高分為兩個(gè)區(qū)域，煙氣露點(diǎn)溫度隨著過(guò)量空氣系數(shù)的增大而降低。

圖5 排煙溫度與天然氣煙氣利用率的關(guān)系

相同過(guò)量空氣系數(shù)條件下，排煙溫度從100 ℃降至60 ℃時(shí)，天然氣煙氣利用率變化緩慢，此段主要回收煙氣顯熱；當(dāng)排煙溫度由60 ℃降至20 ℃時(shí)，煙氣利用率突然增大，明顯變化，此段以回收煙氣潛熱為主。可見(jiàn)煙氣中水蒸氣的潛熱大于顯熱。

回收煙氣顯熱與潛熱與提高熱效率的關(guān)系，如圖6，燃料完全燃燒，實(shí)際空氣過(guò)量系數(shù)需在1.1～1.14。

圖6 回收煙氣顯熱與潛熱提高熱效率

取空氣過(guò)量系數(shù)α=1.1，煙溫60 ℃時(shí)，可提高熱效率6 個(gè)百分點(diǎn)。

2.4 影響冷凝換熱的因素

影響冷凝換熱的因素是平均溫差、換熱面積和傳熱系數(shù)。冷卻介質(zhì)的溫度越低，則平均溫差越大?？諝膺^(guò)量系數(shù)越小，煙氣中的水蒸汽的露點(diǎn)溫度越高，提高露點(diǎn)溫度，冷凝容易發(fā)生。冷凝換熱面積越大，換熱量越大，采用翅片可增大換熱面積。采用較薄的換熱管壁厚，提高煙氣流速可以強(qiáng)化冷凝傳熱，從而提高煙氣冷凝傳熱系數(shù)[5-6]。

3 煙氣冷凝改造技術(shù)

過(guò)熱注汽鍋爐加裝煙氣冷凝裝置有兩種形式，一是帶引風(fēng)機(jī)的長(zhǎng)煙道低位煙氣冷凝裝置，如圖7所示。另一種是高架短煙道煙氣冷凝裝置，如圖8所示。

3.1 煙氣冷凝裝置的設(shè)計(jì)與布置

煙氣冷凝裝置為模塊化設(shè)計(jì)，煙氣冷凝換熱采用間壁式逆向?qū)α鲹Q熱器，煙氣流動(dòng)方向與冷凝介質(zhì)流向相反，提高換熱效果，為便于冷凝水及時(shí)排出，煙氣流動(dòng)方向與冷凝水流向相同。換熱管采用碳鋼覆鋁技術(shù)，復(fù)合管傳熱性能比普通翅片管高出2 倍以上。

長(zhǎng)煙道設(shè)計(jì)在原鍋爐煙囪上用三通引出獨(dú)立煙道系統(tǒng)，并增設(shè)11 kW 引風(fēng)機(jī)，爐膛壓力大約為400～500 Pa。新增煙道入口閥與原煙囪新增煙氣排出閥聯(lián)動(dòng)工作，二者始終處于一開(kāi)一關(guān)狀態(tài)。當(dāng)冷凝裝置發(fā)生故障時(shí)，可切除冷凝裝置維護(hù)，而不影響鍋爐繼續(xù)運(yùn)行。短煙道煙氣冷凝器增加的阻力損失不到100 Pa，爐膛正常壓力在500 Pa 左右，相比于長(zhǎng)煙道設(shè)計(jì)，將低位冷凝器安裝改為高位冷凝器安裝，省去了引風(fēng)機(jī)和高煙囪，占用空間小，且生成在傳熱面上的凝結(jié)水可自然排出。

圖7 帶引風(fēng)機(jī)長(zhǎng)煙道煙氣冷凝鍋爐

圖8 高架短煙道煙氣冷凝鍋爐

煙氣冷凝裝置煙氣側(cè)出口安裝有除沫裝置，阻止煙囪直接排出冷凝水滴，避免了冬季煙囪下四周結(jié)冰。

3.2 鼓風(fēng)引風(fēng)協(xié)調(diào)控制

長(zhǎng)煙道冷凝裝置的引風(fēng)機(jī)采用變頻器控制，克服增加的煙氣冷凝換熱器的煙道阻力，降低并保持爐膛壓力穩(wěn)定。引風(fēng)機(jī)與工頻運(yùn)轉(zhuǎn)的鼓風(fēng)機(jī)協(xié)調(diào)工作，保證了鍋爐安全燃燒和熱負(fù)荷分配的穩(wěn)定性。

3.3 腐蝕與防腐技術(shù)

煙氣冷凝模塊在給水預(yù)熱器下配有冷凝水箱，冷凝水的pH 值一般為5.9～6.2，直接混入大量弱堿性采出液中，進(jìn)入污水回用系統(tǒng)。當(dāng)pH 值小于5.5時(shí)可啟動(dòng)加藥裝置進(jìn)行中和處理。

低溫腐蝕總是出現(xiàn)在水蒸氣冷凝之前的溫度區(qū)段[5]，換熱管采用鋼覆鋁抵抗腐蝕，模擬冷凝水成分配置酸液，在遠(yuǎn)比實(shí)際情況惡劣的工況下，進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)評(píng)定和電化學(xué)測(cè)試，材料腐蝕率僅為0.002 4～0.013 3 mm/a。鋼腐蝕率為0.079～0.257 mm/a。

排煙煙囪采用內(nèi)襯不銹鋼結(jié)構(gòu)，解決了鍋爐煙囪的酸液腐蝕問(wèn)題。

3.4 熱力參數(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)化

過(guò)熱注汽鍋爐煙氣冷凝熱力參數(shù)按照過(guò)量空氣系數(shù)為1.15 進(jìn)行計(jì)算，季節(jié)分夏季和冬季兩種工況，給水分清水軟化水和清水軟化水與油田污水混合后的摻混水，具體見(jiàn)表1。

表1 煙氣冷凝改造熱力計(jì)算參數(shù)

給水出口溫度的確定為70 ℃，排煙溫度最低44 ℃，改造前燃?xì)鈫魏臑?6 m3/h（標(biāo)況），相同條件下，加裝煙氣冷凝裝置改造后燃?xì)鈫魏淖畹涂梢赃_(dá)到79 m3/h（標(biāo)況）。

3.5 改造效果

紅003 井對(duì)7 臺(tái)鍋爐進(jìn)行改造后，年節(jié)約天然氣量454.64×104m3，折6 046.712 t（標(biāo)煤）。年節(jié)約天然氣費(fèi)用843.8 萬(wàn)元。7 臺(tái)鍋爐年減排量：CO2減少8 930 t，SO2減少26.2 kg， NOx減少8.53 t。

4 結(jié)論

1） 鍋爐增加冷凝裝置后，平均熱效率為97.2%，提高了5%，燃?xì)鈫魏钠骄陆?.8 m3/t。

2）采用高位短煙道煙氣冷凝裝置的鍋爐爐膛壓力比長(zhǎng)煙道低，火形較好無(wú)偏火，無(wú)偏燒，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，省去了引風(fēng)機(jī)，節(jié)省了電能。

3）煙氣冷凝裝置換熱管采用鋼覆鋁技術(shù)成本低，能夠有效應(yīng)對(duì)煙氣冷凝水酸性腐蝕。