應(yīng)用氣凝膠技術(shù)提高注汽鍋爐熱效率

楊立華 張偉 馬向波

【摘 ?要】稠油蒸汽吞吐熱采，蒸汽驅(qū)以及SAGD開(kāi)采項(xiàng)目是一種高投入、高成本的開(kāi)發(fā)工藝，其核心設(shè)備是注汽鍋爐，由于大多數(shù)注汽鍋爐投產(chǎn)運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，造成爐內(nèi)保溫老化、保溫效果差，熱損失加大，鍋爐保溫性能下降，爐體外表面溫度升高，進(jìn)一步增大了熱損失。氣凝膠具有導(dǎo)熱系數(shù)低、密度小、柔韌性高、綠色環(huán)保、防水、不燃等優(yōu)越性能，同時(shí)兼具優(yōu)越的隔聲減震性能。在保證注汽質(zhì)量的同時(shí)，加強(qiáng)節(jié)能新技術(shù)、新產(chǎn)品推廣應(yīng)用，對(duì)降低稠油開(kāi)采成本，提高熱采效益，具有非常重要的意義。

【關(guān)鍵詞】注汽鍋爐;氣凝膠爐體降溫技術(shù);節(jié)能效果;熱效率

引 言

稠油蒸汽吞吐熱采，蒸汽驅(qū)以及SAGD開(kāi)采項(xiàng)目是一種高投入、高成本的開(kāi)發(fā)工藝，其核心設(shè)備是注汽鍋爐，在保證注汽質(zhì)量的同時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)節(jié)能新技術(shù)、新產(chǎn)品推廣應(yīng)用，降低稠油開(kāi)采成本，提高熱采效益。

1.現(xiàn)狀概述：

注汽鍋爐在正常運(yùn)行的條件下，其熱損耗主要表現(xiàn)在三個(gè)方面：一是排煙熱損失，二是爐體散熱損失，三是未完全燃燒熱損失。

目前，曙光采油廠熱注作業(yè)一區(qū)共有27座注汽站，38臺(tái)注汽鍋爐，其中2000年以前投產(chǎn)的注汽鍋爐28臺(tái)，最早投產(chǎn)的一臺(tái)鍋爐是1992年。大部分鍋爐使用時(shí)間已達(dá)10年左右，由于各鍋爐投產(chǎn)運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，造成爐內(nèi)保溫層老化，保溫效果差，熱損失加大，鍋爐保溫性能下降，爐體外表面溫度升高，進(jìn)一步增大了熱損失。

為解決上述問(wèn)題，作業(yè)一區(qū)配合油公司節(jié)能部門，積極尋求先進(jìn)節(jié)能技術(shù)和節(jié)能產(chǎn)品，主要從氣凝膠爐體降溫技術(shù)降低鍋爐表面溫度入手。

2.提高注汽鍋爐熱效率采用的新技術(shù)：

2.1 氣凝膠爐體降溫技術(shù)原理

對(duì)于保溫材料而言，熱傳導(dǎo)主要由保溫材料中的固體部分來(lái)完成，熱對(duì)流則主要由保溫材料中的氣體來(lái)完成。熱輻射的傳遞不需要任何介質(zhì)。因此要實(shí)現(xiàn)超級(jí)絕熱材料所要求達(dá)到的保溫隔熱目的，一是在保證足夠機(jī)械強(qiáng)度的同時(shí)，大幅降低材料的體積密度;二是要將空氣的對(duì)流減弱到極限;三是要通過(guò)近于無(wú)窮多的界面和通過(guò)材料的改性熱輻射，經(jīng)反射、散射和吸收而降到最低。

氣凝膠是一種無(wú)規(guī)、多孔、連續(xù)的固體空間三維結(jié)構(gòu)，具有比表面積大、隔熱性能好、吸附性強(qiáng)及優(yōu)越的光學(xué)性等。目前解決氣凝膠材料性能和降低其生產(chǎn)成本，使其能夠更加廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域是不可避免的發(fā)展潮流。當(dāng)氣凝膠材料中的氣孔直徑小于70nm時(shí)，氣孔內(nèi)的空氣分子就失去自由流動(dòng)的能力，相對(duì)地附著在氣孔壁上，這時(shí)材料處于近似真空狀態(tài)，即產(chǎn)生“零對(duì)流效應(yīng)”。

2.2 降低爐體表面溫度提高爐內(nèi)溫度

從成分構(gòu)成分類是氣凝膠最普遍的區(qū)分方式，分為單一組分和復(fù)合組分兩大類。單一組分氣凝膠包括氧化物氣凝膠（二氧化硅和非二氧化硅），有機(jī)氣凝膠（樹(shù)脂基和纖維基），碳?xì)饽z（碳化塑料、碳納米管和石墨烯），硫化物氣凝膠和其他種類的氣凝膠（單一元素、碳化物）;復(fù)合組分氣凝膠包括多組分氣凝膠、梯度氣凝膠以及微/納氣凝膠復(fù)合物。其中硅氣凝膠、碳?xì)饽z和二氧化硅氣凝膠最常見(jiàn)。

2.3 氣凝膠特性及其應(yīng)用

（1）特性：本產(chǎn)品以氣凝膠為主體材料，通過(guò)特殊工藝復(fù)合而成。具有導(dǎo)熱系數(shù)低、密度小、柔韌性高、綠色環(huán)保、防水、不燃等優(yōu)越性能，同時(shí)兼具優(yōu)越的隔聲減震性能。

（2）保溫絕熱：導(dǎo)熱系數(shù)僅為傳統(tǒng)材料的1/3～1/5，保溫后熱損失小，空間利用率高，高溫下性能優(yōu)勢(shì)更加明顯。

（3）持久耐熱：氣凝膠獨(dú)有的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)避免了其他保溫材在長(zhǎng)期高溫或受到振動(dòng)而產(chǎn)生燒結(jié)變形、顆粒堆積保溫性能急劇下降的現(xiàn)象。

（4）抗拉抗裂：有較好的柔性與抗拉強(qiáng)度，可抵抗施工時(shí)的拉伸和冷熱交替時(shí)線性收縮帶來(lái)的內(nèi)應(yīng)力。

氣凝膠的性能就是由其結(jié)構(gòu)決定的。因此如何制備結(jié)構(gòu)顯得尤為關(guān)鍵，主要過(guò)程有三步。一、溶液到溶膠過(guò)程：納米尺度的膠體粒子通過(guò)縮聚和水解反應(yīng)在均勻的前驅(qū)物溶液中形成，或是通過(guò)催化劑來(lái)催化加速。二、溶膠到凝膠的過(guò)程（凝膠）：溶膠粒子之間手拉手連接，分層裝配進(jìn)一個(gè)具有連續(xù)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的濕凝膠。三、凝膠到氣凝膠的過(guò)程（干燥）：這個(gè)過(guò)程中濕凝膠中的溶劑被空氣所替代，同時(shí)不會(huì)有嚴(yán)重的微結(jié)構(gòu)破壞。

氣凝膠的生產(chǎn)主要有兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：溶膠-凝膠技術(shù)和干燥技術(shù)，前者主要是為了獲得具有一定空間網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，后者則是將醇凝膠網(wǎng)絡(luò)骨架中的溶劑去除，得到氣凝膠材料。前者主要有：無(wú)機(jī)氣凝膠、有機(jī)氣凝膠、碳?xì)饽z的溶膠-凝膠技術(shù)，后者主要有：超臨界干燥、亞臨界干燥、冷凍干燥和常壓干燥技術(shù)。

3.氣凝膠爐體降溫技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施情況

應(yīng)用該技術(shù)施工方案如下：

（1）爐體表面敷設(shè)氣凝膠，搭接處應(yīng)用氣凝膠膠帶粘接。

（2）爐體表面槽鋼應(yīng)用金屬氟碳漆0.5mm鋼板四面搭接型材。

（3）氣凝膠表面采用金屬氟碳漆0.5mm鋼板鉚接。

4.節(jié)能效果分析：

注汽鍋爐應(yīng)用氣凝膠爐體降溫技術(shù)

（1）輻射段降溫40℃。

（2）過(guò)渡段及過(guò)橋降溫40—80℃。

（3）爐后端板及后爐門可降低80—120℃。

爐體表面溫度降低、爐內(nèi)溫度升高，可提高鍋爐熱效率，節(jié)能率2%。

5.經(jīng)濟(jì)效益及總結(jié)

5.1 經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算

由測(cè)試數(shù)據(jù)可得：通過(guò)上述各個(gè)項(xiàng)目的實(shí)施，鍋爐熱效率平均提高2個(gè)百分點(diǎn)，同時(shí)一臺(tái)23t/h鍋爐的注汽量以10萬(wàn)方/年，單耗按63.8公斤/噸汽計(jì)算，故一年一臺(tái)23t/h注汽鍋爐安裝該裝置后可節(jié)省燃油量為：100000×63.8×2% ÷1000 = 127.6（噸）

注汽鍋爐燃用的混配油以市場(chǎng)價(jià)2800元/噸計(jì)算，一年一臺(tái)23t/h注汽鍋爐安裝該裝置后可創(chuàng)經(jīng)濟(jì)效益為：127.6× 2800 = 35.73（萬(wàn)元）。遼河油田公司注汽鍋爐現(xiàn)有316臺(tái)，經(jīng)濟(jì)效益可觀。

5.2總結(jié)

在如今全國(guó)重視“節(jié)能減排”能源利用政策的大環(huán)境下，進(jìn)行推廣應(yīng)用節(jié)能新技術(shù)新工藝具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

結(jié)束語(yǔ)：

從目前的使用技術(shù)狀況來(lái)看，因?yàn)榭紤]到設(shè)備老化、大多數(shù)鍋爐爐體表面溫度都比較高。在這種情況下，推廣應(yīng)用節(jié)能新技術(shù)新工藝，可以避免上述問(wèn)題且切實(shí)可行。隨著國(guó)家“節(jié)能減排”政策的進(jìn)一步實(shí)施，上述項(xiàng)目技術(shù)必然會(huì)越來(lái)越成熟，應(yīng)用也會(huì)越來(lái)越廣泛。

參考文獻(xiàn)：

[1].鹿道智 ?工業(yè)鍋爐司爐教程 ? 北京 ? 航空工業(yè)出版社 ?2007

[2].徐 ?東 ?注汽系統(tǒng)熱效率 ?遼寧 ?石油鉆采工藝 ?2012

作者簡(jiǎn)介：

楊立華，出生年：1972年10月，男，籍貫：安徽省銅陵市，本科學(xué)歷，熱注運(yùn)行工高級(jí)技師，技能專家

張偉，男，1975年出生，籍貫：遼寧省臺(tái)安縣，本科學(xué)歷，熱注運(yùn)行工高級(jí)技師，技能專家

馬向波，男，出生年：1975年10月，籍貫：遼寧省大盤山縣，本科學(xué)歷，熱注運(yùn)行工高級(jí)技師，技能專家

（作者單位：中油遼河油田公司曙光采油廠）