苏里格气田燃气导热油炉烟气余热回收应用分析

李新强，郭永强，李天鹏，王镜淇，李凤瑞，何 坤，朱翠萍

（1.西安石油大学，陕西西安 710065；2.中国石油长庆油田分公司第三采气厂，内蒙古乌审旗 017300）

苏里格气田燃气导热油炉烟气余热回收应用分析

李新强1，郭永强2，李天鹏2，王镜淇2，李凤瑞2，何 坤2，朱翠萍2

（1.西安石油大学，陕西西安 710065；2.中国石油长庆油田分公司第三采气厂，内蒙古乌审旗 017300）

通过对燃气导热油炉结构、工艺原理的分析，提出高温烟气余热回收是提高导热油炉效率的重要措施。在对空预器结构原理分析，以及其在苏里格气田导热油炉系统的应用状况分析基础上，通过计算得出空预器的使用可以较大程度提高燃烧效率，产生明显的经济效益；同时，在回收余热的过程中水蒸气的凝结液吸收烟气中的部分酸性有害气体，起到很好的环境保护作用。

导热油炉；余热；空预器；增效；环境保护

苏里格气田天然气处理厂主要采用导热油炉加热系统为各生产区域提供生产热源以及为厂区及倒班点提供采暖热源。5座天然气处理厂导热油炉均使用天然气作为燃料。由于天然气杂质少，较燃煤等普通锅炉可以较大幅度提高受热面的烟气流速，从而具有相对较高的效率。

根据不同的运行情况，燃气导热油炉的排烟温度均较高，一般在150℃～350℃，且含有较多的水蒸气，携带热量的烟气直接排放是降低导热油炉效率的主要因素。所以附带空预器等余热回收的装置可以有效提高导热油炉的运行效率，降低天然气的消耗。其次，在回收余热的过程中水蒸气的凝结液吸收烟气中的部分酸性气体，起到很好的环境保护作用。

1 燃气导热油炉加热系统及烟气传热分析

1.1 苏里格气田供热系统工艺流程

以苏里格某处理厂为例，供热系统配备2 MW导热油炉两台，配备德国威索燃烧器。天然气经过过滤、减压、稳压、检漏等后进入燃烧器燃烧，将燃烧产生的热量以辐射和对流的形式传递给中间热载体，携带热能的热媒载体在循环泵作用下在用户换热设备中与用热工质进行换热，从而将热量传给用热工质，实现加热的目的（见图1）。

图1 导热油炉结构原理图

其导热油炉加热系统工艺流程如下：经热媒循环泵将经过换热后的低温导热油以及储油罐内补充的导热油加压到0.7MPa后送入导热油炉，在炉内加热至200℃后，进入导热油主管网；输送至凝析油稳定装置，对不稳定凝析油进行加热；输送至甲醇回收重沸器，对塔底水进行加热；输送至凝液换热器，对装置区来液进行加热，对油水换热器循环水进行加热输送至全厂采暖管网。换热后的热媒油在热媒油循环泵作用下，重新返回到热媒油炉进行再加热，如此实现连续循环加热。

1.2 导热油炉加热系统燃气消耗分析

燃气导热油炉在日常运行时热量的消耗主要在以下几个方面：一是用于加热循环的低温导热油，二是导热油炉本体及管路的散热损耗；三是通过燃烧产生的烟气将热量排入大气。从提高燃气利用率方面看，第一部分做的有用功，第二部分热损失在保温措施做到位后就无法进一步避免，所以为了提高热效率，在同样热负荷下降低燃气消耗量，必须将排放到大气中的高温烟气加以回收利用。

1.3 高温烟气传热过程分析

1.3.1 烟气成分的分析 苏里格气田处理厂导热油炉用燃气为自产气，主要成分为碳氢化合物，含有少量硫量（符合国家二类气指标）。所以燃烧产物主要有二氧化碳、二氧化硫、水蒸气以及氮氧化物。含有硫化物、氮氧化物等有害气体的燃烧尾气直接排入大气，对环境造成一定的危害。

1.3.2 冷凝传热过程 对于燃气导热油炉，烟气中的余热主要以两种方式存在，即显热和潜热。由于烟气中含有较多的过热态水蒸气，是烟气热量的主要携带者，约占到55%～75%。因此，在烟气回收余热时，主要是水蒸气的显热和潜热，同时也包含不凝结气体（如二氧化碳和氮氧化物等）的显热。

烟气凝结换热包括水蒸气凝结核烟气中的不凝结气体对流换热两个过程（烟气在流经换热器时，由于水蒸气的凝结造成了烟气的组成成分发生变化，使得换热过程比较复杂）。当冷凝换热器的表面温度低于水蒸气露点温度时，烟气中水蒸气释放潜热后，开始凝结，换热器表面形成凝结液膜包围。

2 空预器在苏里格气田导热油炉系统的应用

烟气余热回收途径主要有两种[1，2]，一种是预热工作介质，一种是预热空气进行助燃。预热工作介质需占用较大的作业场地，预热空气助燃是一种相对较好的方法。

目前苏里格地区处理厂除某处理厂导热油炉使用空预器外，其余处理厂均无余热回收装置，通过对两种导热油炉系统的运行情况进行分析，提出优化建议。

2.1 导热油炉空预器工作原理

导热油炉空气预热器利用尾部出口烟气所带热能，通过热管的超导传热，用来预热锅炉助燃空气。空气预热器采用重置放置形式，烟气和空气反向水平流动形成气-气换热，最大限度提高烟气换热效率。空气预热器由箱体、热管束、中间隔板组成。箱体为两侧：一侧流动为烟气，一侧流动为空气（见图2）。

空气预热器充分利用热管传热速度快，换热效率高的特点，有效克服了气体间换热时换热系数不高的问题。热管两端的外壁传热面积利用翅片可作适度扩展，这样处理，不仅强化了管外传热，也有效的减少了换热器的体积和质量，节约了金属耗材，可以得到一个高性价比的换热器。同时，通过调整热管加热侧和放热侧的热流密度，改变加热侧和放热侧的传热面积，可有效避免流体对换热器的酸露点腐蚀，提高设备使用寿命。

图2 空预器运行原理示意图

2.2 空预器应用情况

苏里格某天然气处理厂两台2 MW导热油炉使用空预器对烟气余热冷凝回收，就是利用高温含水蒸气的烟气对导热油炉的助燃空气进行加热，即提高了混合燃料气的温度，又回收了废气中的余热，整体提高其燃烧效率。

2.2.1 导热油炉空预器应用情况分析 某处理厂导热油炉（附带空预器）整体燃烧效率为91%，其空预器设计参数（见表1）。

表1 某处理厂空预器设计参数

设在某一运行状态下，导热油炉没有安装空预器时天然气用量为 B0（m3/h），燃料低位热值为 QDW（kJ/m3）设置预热器后，从排烟中回收热量Qh（kJ/m3），而燃料耗量减少至B。假设导热油炉热负荷保持不变，则根据炉体热平衡得到燃料气的节省量为：

式中：Vy-实际排烟量，立方米/单位燃料；Cy-烟气平均比热，kJ/m3；ty-排烟温度，℃。

则安装空预器的节能率为[4]：

根据检测，目前某处理厂产品气（燃料气）的低位热值为QDW=34560 kJ/m3，设计燃气耗量为230 m3/h。

根据天然气燃烧反应方程式：

燃烧时，取燃烧过量系数α=1.2，每立方米天然气完全燃烧需要的理论空气量为：

理论烟气量为：

根据现场运行情况当导热油出口温度为140℃（设计温度为200℃）时，排烟温度为280℃，经过换热后的进气温度为90℃。通过查表得到：

通过以上分析，将（3）-（8）带入公式（2），可以得到在此状态下运行，安装空预器可以使燃料气节能率为：

2.2.2 空预器应用产生的经济效益分析 目前，苏里格气田共有11台功率不等的导热油炉系统，均分布在5个天然气处理厂，总功率为36010 kW，设计耗量为1700m3/h。

以苏里格某天然气处理厂为例，供热站导热油炉2014年全年共累计消耗天然气132.6×104m3，可以推算出，2014年共累计节约天然气为：

按照每立方米天然气1.35元计算，累计节省燃气成本10.6万元。

整个苏里格地区导热油炉燃气消耗量按照3398×104m3/a计算，每年可节省成本为：3398.88×104×1.35=256.96万元，经济效益明显（见表2）。

表2 苏里格气田各处理厂导热油炉燃气耗量表

2.3 空预器凝结液特性

苏里格天然气处理厂中天然气主要成分为CH4，含有少量硫化氢，但由于空气中含有N2，因此燃烧过程中有NOx生成。各化学反应方程式为：

从上面的反应方程式可以看出，冷凝液主要是亚硝酸盐、硝酸盐、碳酸盐等等。

烟气凝结液对氮氧化物的吸收率一般能达到10%～20%。所以，排出的烟气中含有的氮氧化物等有害气体含量减少，净化了烟气，对环保有利。

3 结论

（1）燃气导热油炉相对其他工业锅炉具有较高的效率。但是燃气消耗量大，进一步提高其运行效率具有较高的经济效益。

（2）通过对实际运行情况进行分析计算，空预器的使用可以大大提高导热油炉的运行效率。如果苏里格地区处理厂均使用空预器，每年可节省燃气费用270余万元，具有较高的经济效益。

（3）由于空预器运行时，高温烟气温度降低，水蒸气凝结液对酸性气体有一定的吸收作用，减少了排放到环境中的有毒有害酸性气体，具有明显的环保意义。

（4）空预器在应用中由于凝结的酸性凝液容易引起烟道、换热设备的腐蚀，因此，防腐是烟气冷凝余热回收时必须考虑的技术问题，在运行时建议每年检修时针对空预器进行防腐处理。

［1]李慧君，林宗虎.燃气锅炉烟气余热回收实验分析［J］.工业锅炉，2004，（6）：1-4.

［2]王志勇，等.燃气锅炉烟气热损失及冷凝余热回收［J］.煤气与热力，2010，30（6）：4-7.

［3]周乃君，易金萍.工业炉烟气余热回收节能率的计算方法讨论［J］.有色冶金节能，2000，18（6）：18-20.

TE963

A

1673-5285（2017）09-0039-04

10.3969/j.issn.1673-5285.2017.09.010

2017－08-28