鍋爐煙氣余熱回收及減排一體化技術(shù)在油田生產(chǎn)中的應(yīng)用

鄧寶

（大慶油田有限責(zé)任公司第九采油廠）

某油田先后在10個(gè)采油廠發(fā)現(xiàn)了稠油開(kāi)發(fā)生產(chǎn)區(qū)塊。目前，這10家開(kāi)發(fā)單位對(duì)稠油進(jìn)行熱采注汽開(kāi)發(fā)，在用注汽鍋爐130余臺(tái)，完成年注汽量750×104t，年消耗自用天然氣約5.3×108m3。稠油生產(chǎn)井生產(chǎn)成本高、開(kāi)采難度大、采油效益低、水驅(qū)稠油采收率低等問(wèn)題，對(duì)油田開(kāi)發(fā)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)帶來(lái)嚴(yán)重的困境，相比于稀油，新常態(tài)下稠油開(kāi)采帶來(lái)了更大挑戰(zhàn)。一方面，隨著熱采規(guī)劃，年注汽量逐漸增加，鍋爐煙氣排放將進(jìn)一步增大。注汽鍋爐燃料主要為天然氣，絕大多數(shù)注氣鍋爐投入運(yùn)行時(shí)間已超過(guò)10年，部分注汽鍋爐運(yùn)行效率低、能耗高、煙氣排放超標(biāo)，這既不利于綠色低碳企業(yè)發(fā)展要求，也不利于高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展要求。燃?xì)鉄煔庵卫硪芽滩蝗菥?。另一方面，鍋爐排煙溫度高不達(dá)標(biāo)，能源利用效率低，造成能源的大量浪費(fèi)[1-4]。

1 原因分析

蒸汽鍋爐是一種能量轉(zhuǎn)換設(shè)備，向鍋爐輸入的能量有燃料中的化學(xué)能，燃料經(jīng)燃燒器燃燒，而經(jīng)過(guò)鍋爐轉(zhuǎn)換，向外輸出具有一定熱能的蒸汽，而鍋爐燃料經(jīng)燃燒后產(chǎn)生的NOx、SO2、CO2、CO和剩余氧氣等廢氣則通過(guò)鍋爐煙筒外排。其存在的問(wèn)題主要有：

1）燃燒工況差，在能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，燃燒器選擇不合理，燃燒不充分。其燃燒效率低，煙塵排放量大不達(dá)標(biāo)。

2）傳熱工況差，在能量利用環(huán)節(jié)，爐膛積灰結(jié)焦嚴(yán)重，能量熱交換效率低，熱量損失大，煙塵量大，SO2排放嚴(yán)重超標(biāo)。某注汽鍋爐煙氣煙塵每立方米測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。該注汽鍋爐NOx、SO2、煙塵等指標(biāo)均超出不大于50 mg/m3標(biāo)準(zhǔn)要求，屬于廢氣排放不達(dá)標(biāo)設(shè)備。

表1 某注汽鍋爐煙氣煙塵每立方米測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.1 Test data of flue gas and dust of steam injection boiler

3）熱損失大，在能量回收環(huán)節(jié)，鍋爐煙氣排煙溫度高，鍋爐煙氣余熱沒(méi)有得到有效利用，造成熱損失。如某油田注汽鍋爐所用燃料主要為油井伴生氣，通過(guò)檢索文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)伴生氣組分見(jiàn)表2。

表2 伴生氣組分Tab.2 Associated gas composition %

甲烷含量?jī)H為68.2%，明顯低于常規(guī)天然氣（CH4大于95%），而C2+以上的烷烴含量合計(jì)達(dá)16.5%。烴類(lèi)燃料，碳含量越高、越難燒透，因而導(dǎo)致煙塵和CO生成量大，鍋爐煙氣排煙溫度高，熱損失大。

2 對(duì)策措施

針對(duì)注汽鍋爐生產(chǎn)運(yùn)行機(jī)制中存在的問(wèn)題，提出鍋爐煙氣余熱回收及減排一體化技術(shù)在油田生產(chǎn)中的應(yīng)用這一重要研究應(yīng)用課題。主要采取以下措施：

1）采用高效低氮燃燒器替代原有燃燒器[5-6]。低NOx燃燒器技術(shù)具有燃燒效率高、運(yùn)行成本低、具有煙氣再循環(huán)技術(shù)功能（采用自身再循環(huán)燃燒器把部分煙氣直接在燃燒器內(nèi)進(jìn)入再循環(huán)，并加入燃燒過(guò)程）、現(xiàn)場(chǎng)安裝方便快捷（采用插件連接安裝，加快了電氣和自控系統(tǒng)的快速現(xiàn)場(chǎng)安裝）、智能控制系統(tǒng)自動(dòng)化程度高（采用智能化在線控制和范圍更大的調(diào)節(jié)）、更低的NOx排放（NOx的標(biāo)準(zhǔn)生成量小于30 ppm，CO小于30 ppm）、現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性強(qiáng)且具有良好的性?xún)r(jià)比等優(yōu)點(diǎn)。低氮燃燒器工作原理見(jiàn)圖1，低NOx燃燒器及低NOx燃燒器，是指燃料燃燒過(guò)程中NOx排放量低的燃燒器，采用低NOx燃燒器能夠降低燃燒過(guò)程中NOx的排放。在燃燒過(guò)程中所產(chǎn)生的氮的氧化物主要為NO和NO2，通常把這兩種氮的氧化物通稱(chēng)為NOx。大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，燃燒裝置排放的NOx主要為NO，平均約占95%，而NO2僅占5%左右。燃燒器是工業(yè)加熱爐的重要設(shè)備，它保證燃料穩(wěn)定著火燃燒和燃料的完全燃燒等過(guò)程，因此，要抑制NOx的生成量就必須從燃燒器入手，通過(guò)應(yīng)用低NOx燃燒器及低NOx燃燒器，降低工業(yè)加熱爐氮氧物的排放，達(dá)到節(jié)能減排和改善工作作業(yè)環(huán)境的目的。

圖1 低氮燃燒器工作原理Fig.1 Working principle diagram of low nitrogen burner

2）采用低溫?zé)煔庥酂峄厥占夹g(shù)[7]。加裝低溫?zé)煔庥酂峄厥昭b置，利用新型熱管技術(shù)和低熱阻高溫防腐涂層技術(shù)共同實(shí)現(xiàn)低溫?zé)煔獾挠酂岣咝Щ厥占俺醪矫摿?。選用新型熱管技術(shù)，其熱傳輸能力強(qiáng)（單管功率可達(dá)300 W）、啟動(dòng)溫度低（常溫50℃即可啟動(dòng)）、自制介質(zhì)（自制混合介質(zhì)，相容性好，不易產(chǎn)生不凝性氣體）、換熱效率高（把排煙溫度降低到80℃以下，充分回收了煙氣中的顯熱和水蒸汽的凝結(jié)潛熱，提高鍋爐燃燒效率）。鍋爐煙氣余熱回收裝置原理見(jiàn)圖2。

圖2 鍋爐煙氣余熱回收裝置原理Fig.2 Schematic diagram of boiler flue gas waste heat recovery device

3）采用低熱阻高溫防腐涂層技術(shù)。該技術(shù)具有耐高溫性、耐腐蝕性、耐磨性、導(dǎo)熱性、自潔性、耐溫差驟變性等優(yōu)點(diǎn)。防腐蝕涂層能有效抵御煙氣露點(diǎn)腐蝕，將煙氣冷卻到100℃以下[8]。

4）采用煙氣脫硫余熱回收熱管換熱[9]。該技術(shù)承擔(dān)降低硫排放功能。盡管煙氣低于100℃時(shí)，水蒸汽及煙氣灰塵能吸收一定的硫化物，但還不能達(dá)到國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)，因此設(shè)計(jì)了二次硫系統(tǒng)。二次硫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使水蒸汽及煙塵（偏堿性）更好地吸收煙氣中的硫化物，達(dá)到國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)。自動(dòng)除塵系統(tǒng)，使其不積灰。煙氣脫硫余熱回收熱管換熱流程見(jiàn)圖3。

圖3 煙氣脫硫余熱回收熱管換熱流程Fig.3 Heat exchange flow diagram of heat pipe for waste heat recovery of flue gas desulfuration

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

該技術(shù)于2019年7月在低溫?zé)煔庥酂峄厥占夹g(shù)方案的基礎(chǔ)上，在某油田注汽生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行節(jié)能減排技術(shù)改造，開(kāi)展了換熱及脫硫現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)，并取得了良好試驗(yàn)應(yīng)用效果。603#注汽鍋爐節(jié)能減排技術(shù)應(yīng)用前后測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表3和表4。試驗(yàn)應(yīng)用結(jié)果表明，節(jié)能減排技術(shù)改造效果良好。

表3 603#注汽鍋爐節(jié)能減排技術(shù)應(yīng)用前后測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比Tab.3 Comparison of test data before and after application of energy-saving and emission reduction technology in 603#for steam injection boiler

表4 注汽鍋爐節(jié)能減排技術(shù)應(yīng)用前后排放測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比Tab.4 Comparison of emission test data of steam injection boiler before and after the application of energy saving and emission reduction technology

4 綜合效果評(píng)價(jià)分析

1）換熱效率高。傳統(tǒng)熱管余熱回收換熱器，煙氣出口溫度110～160℃，而熱管余熱回收換熱器，煙氣出口溫度可達(dá)到80℃以下，與傳統(tǒng)換熱器相比，能將鍋爐效率進(jìn)一步提高兩個(gè)百分點(diǎn)。

2）節(jié)能效果好。采用鍋爐煙氣余熱回收及減排一體化技術(shù)后，空氣過(guò)剩系數(shù)運(yùn)行在最優(yōu)區(qū)間，603#注汽鍋爐為年耗量由改造前的147.1×104m3下降到改造后的120.9×104m3，減少了26.2×104m3，按每立方米天然氣價(jià)格2.6元計(jì)算，則年產(chǎn)生直接節(jié)能效益68.12萬(wàn)元，節(jié)能效果明顯。

3）脫硫效果好。經(jīng)測(cè)算，采用煙氣脫硫余熱回收熱管換熱技術(shù)后，煙氣排放SO2濃度比技術(shù)改造前下降了110 mg/m3，單位注氣量（即每生產(chǎn)一噸蒸汽）所排放的SO2由原來(lái)的1 274 mg下降到50.4 mg，脫硫效果良好。

4）實(shí)現(xiàn)注汽鍋爐的達(dá)標(biāo)排放。采用鍋爐煙氣余熱回收及減排一體化技術(shù)后，注汽鍋爐煙氣排放中的煙塵、SO2、NOX、CO等排放濃度均控制在排放標(biāo)準(zhǔn)要求之內(nèi)，改善了工作環(huán)境質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了注汽鍋爐系統(tǒng)的達(dá)標(biāo)排放[10]。

5 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)踐證明，燃燒工況差、傳熱工況差和熱損失大是注汽鍋爐生產(chǎn)過(guò)程用能能流損失大和廢氣排放不達(dá)標(biāo)的主要原因，通過(guò)采取鍋爐煙氣余熱回收及減排一體化技術(shù)，即高效低氮燃燒器替代原有燃燒器技術(shù)、低溫?zé)煔庥酂峄厥占夹g(shù)、低熱阻高溫防腐涂層技術(shù)和煙氣脫硫余熱回收熱管換熱技術(shù)，有效地解決了燃燒工況差、傳熱工況差和熱損失大等問(wèn)題，提升了注汽鍋爐的運(yùn)行系統(tǒng)效率，降低了煙塵、SO2、NOX、CO等排放濃度，實(shí)現(xiàn)了注汽鍋爐節(jié)能降耗和廢氣的達(dá)標(biāo)排放。