稠油热采注汽锅炉烟气余热利用技术研究

2019-01-13韩玉海

魅力中国 2019年11期

韩玉海

（胜利油田分公司注汽技术服务中心现河注汽大队，山东东营 257000）

我国辽河、胜利等大型油田及新疆地区油田广泛发育稠油油藏，稠油开发要借助注汽锅炉，锅炉热效率设计值在85%以上，但在锅炉运行中热效率值一般在80%左右，普遍低于设计值。注汽锅炉热损失主要有尾部对流段排出烟气热损失、锅炉体表散热损失、燃料不完全燃烧损失。因此，要针对热损失主要方面采取措施，特别是通过烟气余热利用降低热损失。

一、注汽锅炉烟气余热利用潜力

注汽锅炉在运行中耗能较高，烟气余热是热损失重要方面。胜利油田注汽锅炉多采用原油作燃料，如果不加以处理，排出烟气温度多在230℃以上，蕴含着大量热量，会因烟气热损失降低锅炉运行热效率。

为降低排出烟气热损失，多采取翅片管、销钉管烟气-水换热器等方式进行余热利用。在以渣油为燃料的锅炉中，因燃料粘度大、燃点高，且含有较多重质成分，需较高燃烧条件，燃油燃烧温度相应提高，排出烟气温度也更高，造成更多烟气热损失，使燃烧质量很难达标。

排烟热损失影响因素主要有排出烟气温度和过剩空气系数锅炉物理热损失基本等同于排出烟焓与冷空气焓焓差，如利用在输入热中的占比，可用以下公式表示：

q2=（Ipy-apy*Io）（100-q机）/Qr*100%

公式中，Io——理论空气焓（kJ/kg）；

Ipy——排出烟气焓（kJ/kg）；

apy——排烟部位过剩空气系数；

q机——机械不完全热损失；

Qr——锅炉输入热量（kJ/kg）。

在以渣油为燃料时，如过剩空气系数过小，会产生冒黑烟等燃烧不充分情况，而一般锅炉运行中将过剩空气系数控制在不超过1.35，此条件下排出烟气温度不超过170℃，锅炉运行热效率就可达到85%以上。

二、注汽锅炉烟气余热利用技术

（一）烟气余热利用方式

可设计空气预热系统，利用烟气余热进行水预热，具备烟气热量吸收、空气和水加热等功能，可有效提升锅炉运行热效率。具体实施中，对锅炉对流段进行改造，在上面安装热管换热器，充分利用烟气余热对供水加热和空气助燃。当前注汽锅炉供水温度普遍在50℃左右，已达到较高水平，不具备大的提升空间。可重点将研究方向确定为对空气进行助燃换热，将鼓风机移到厂房外部，利用保温性较好的管道将助燃空气送到换热器内换热，再输送到炉膛内燃烧。为确保烟气余热利用效率，可配套引风机，在炉膛压力正常前提下加大烟气量。烟气余热系统改造目标是将烟气温度由270℃以上降到170℃以下，将助燃空气由15℃左右提升到160℃左右，提升锅炉整体的运行热效率。

（二）系统运行原理及应用设计

热管空气预热器是将排出烟气余热经由热管传递到空气侧，由热管元件在热端吸热，将工作介质吸热后转换为蒸汽向冷凝端（空气侧）流动，空气可将热管元件输送热量吸收后升温，工作介质被吸温后冷凝为液体向热管元件热端流回，实现烟气余热循环利用。

注汽锅炉原有鼓风机可将冷空气经管道输送到热管空气预热器冷侧与热管元件进行热交换，冷空气吸收热量后可流向锅炉炉前配风管，随后进入炉内与燃油混合助燃，混合燃烧后变为高温烟气与锅炉辐射段、对流段和热管空气预热器热端进行热交换，烟气经过烟道可借助除尘器进行除尘，由引风机送到烟囱。

以23t/h注汽锅炉进行应用分析，额定工作状态下锅炉空气量为2.25*104m3/h，改造前产生烟气量为2.5*104m3/h，烟气温度约在220-240℃，以露点温度为要求，排出烟气设计温度应为160℃。热端直径为25mm、单根热管长为2.52m，包含1.36m加热段、1.116m加热段、0.044m隔热层。空气预热温度上升70℃，烟气侧压降280Pa、空气侧压降360Pa。通过配套风机变频器可双向控制预热温度和炉膛压力，以变频器为依托进行预热空气温度调整，可在提升热效率同时延长预热器使用寿命。可选择H型肋片吸热翅片减少积灰，进一步提高热效率。

热管设计应用主要包括管壳、吸液芯和端盖，主要工作原理是管内抽成负压状态后充入适当液体作工作介质，有沸点低、易挥发特性，管壁吸热芯选择毛细多孔材料材质，热管两端分别为蒸发段和冷凝端，一端受热后可促使毛细管中液体蒸发，蒸汽可在较小压差下向另一端移动放热，放热后重新冷凝为液体；液体可依靠多孔材料本身毛细作用力流回蒸发段，通过循环作用实现热量在热管两端传递，该循环是快速进行，可源源不断进行热量传导。

设备使用寿命主要受三个因素影响：一是不凝性气体，是工作介质与管壳材料发生电化学、化学反应生成，热管工作时不凝性气体被蒸汽流吹到冲凝段后聚集，形成气塞减小有效冷凝面积、增大热阻，造成传热能力降低甚至失效。二是工作介质物性恶化，介质在高温下逐步分解。三是管壳材料腐蚀溶解，工作介质在管内流动受杂质、温差等因素影响，易溶解或腐蚀增大流动阻力，降低热管传热性能。管壳腐蚀穿孔后会造成热管失效，在碱金属高温热管中较为常见，如烟气中二氧化硫含量较多也会加重腐蚀。

在设计原则上，主要将热管换热器安装到对流段上节省空间，空气加热和烟气流道分开避免腐蚀、提高热效率，换热器要与原有锅炉系统分开防止影响锅炉运行，增加引风机加快热空气向炉前移动速度。改造后烟气余热利用系统主要包含变频器、空气预热器、引风机、温度热电偶和传感器、烟道、压力开关和传感器、烟气含氧量探头及传感器、补偿导线、控制柜、触摸屏和控制程序、转换开关和动力电缆等。可广泛应用于9-100t/h蒸发量注汽锅炉，将空气预热温度控制在不超过70℃，烟风阻力控制到不超过335Pa，排出烟气温度控制在大约150-170℃范围内，回收烟气热效率在2.5%-3%。该类型注汽锅炉额定排量下可实现节能3.16*106kJ/h，即节油量为80kg/h，运行节油量为2t/d。

在技术应用创新上，通过变频技术对引风机电机控制实现节能降耗；通过空气-烟气热交换器实现烟气余热回收，提高热效率；通过预热器壁温控制延长设备使用寿命。应用热管空气预热器结构简单、温差小、导热性强、运行可靠，引风机可在点火程序中连锁，无需增加工作量，实现自动控制；可配套陶瓷多管除尘器降低污染。