应用气凝胶技术提高注汽锅炉热效率
2019-09-10杨立华张伟马向波
杨立华 张伟 马向波
【摘 要】稠油蒸汽吞吐热采，蒸汽驱以及SAGD开采项目是一种高投入、高成本的开发工艺，其核心设备是注汽锅炉，由于大多数注汽锅炉投产运行时间长，造成炉内保温老化、保温效果差，热损失加大，锅炉保温性能下降，炉体外表面温度升高，进一步增大了热损失。气凝胶具有导热系数低、密度小、柔韧性高、绿色环保、防水、不燃等优越性能，同时兼具优越的隔声减震性能。在保证注汽质量的同时，加强节能新技术、新产品推广应用，对降低稠油开采成本，提高热采效益，具有非常重要的意义。
【关键词】注汽锅炉;气凝胶炉体降温技术;节能效果;热效率
引 言
稠油蒸汽吞吐热采，蒸汽驱以及SAGD开采项目是一种高投入、高成本的开发工艺，其核心设备是注汽锅炉，在保证注汽质量的同时，应加强节能新技术、新产品推广应用，降低稠油开采成本，提高热采效益。
1.现状概述：
注汽锅炉在正常运行的条件下，其热损耗主要表现在三个方面：一是排烟热损失，二是炉体散热损失，三是未完全燃烧热损失。
目前，曙光采油厂热注作业一区共有27座注汽站，38台注汽锅炉，其中2000年以前投产的注汽锅炉28台，最早投产的一台锅炉是1992年。大部分锅炉使用时间已达10年左右，由于各锅炉投产运行时间长，造成炉内保温层老化，保温效果差，热损失加大，锅炉保温性能下降，炉体外表面温度升高，进一步增大了热损失。
为解决上述问题，作业一区配合油公司节能部门，积极寻求先进节能技术和节能产品，主要从气凝胶炉体降温技术降低锅炉表面温度入手。
2.提高注汽锅炉热效率采用的新技术：
2.1 气凝胶炉体降温技术原理
对于保温材料而言，热传导主要由保温材料中的固体部分来完成，热对流则主要由保温材料中的气体来完成。热辐射的传递不需要任何介质。因此要实现超级绝热材料所要求达到的保温隔热目的，一是在保证足够机械强度的同时，大幅降低材料的体积密度;二是要将空气的对流减弱到极限;三是要通过近于无穷多的界面和通过材料的改性热辐射，经反射、散射和吸收而降到最低。
气凝胶是一种无规、多孔、连续的固体空间三维结构，具有比表面积大、隔热性能好、吸附性强及优越的光学性等。目前解决气凝胶材料性能和降低其生产成本，使其能够更加广泛应用于各个领域是不可避免的发展潮流。当气凝胶材料中的气孔直径小于70nm时，气孔内的空气分子就失去自由流动的能力，相对地附着在气孔壁上，这时材料处于近似真空状态，即产生“零对流效应”。
2.2 降低炉体表面温度提高炉内温度
从成分构成分类是气凝胶最普遍的区分方式，分为单一组分和复合组分两大类。单一组分气凝胶包括氧化物气凝胶（二氧化硅和非二氧化硅），有机气凝胶（树脂基和纤维基），碳气凝胶（碳化塑料、碳纳米管和石墨烯），硫化物气凝胶和其他种类的气凝胶（单一元素、碳化物）;复合组分气凝胶包括多组分气凝胶、梯度气凝胶以及微/纳气凝胶复合物。其中硅气凝胶、碳气凝胶和二氧化硅气凝胶最常见。
2.3 气凝胶特性及其应用
（1）特性：本产品以气凝胶为主体材料，通过特殊工艺复合而成。具有导热系数低、密度小、柔韧性高、绿色环保、防水、不燃等优越性能，同时兼具优越的隔声减震性能。
（2）保温绝热：导热系数仅为传统材料的1/3～1/5，保温后热损失小，空间利用率高，高温下性能优势更加明显。
（3）持久耐热：气凝胶独有的三维网络结构避免了其他保温材在长期高温或受到振动而产生烧结变形、颗粒堆积保温性能急剧下降的现象。
（4）抗拉抗裂：有较好的柔性与抗拉强度，可抵抗施工时的拉伸和冷热交替时线性收缩带来的内应力。
气凝胶的性能就是由其结构决定的。因此如何制备结构显得尤为关键，主要过程有三步。一、溶液到溶胶过程：纳米尺度的胶体粒子通过缩聚和水解反应在均匀的前驱物溶液中形成，或是通过催化剂来催化加速。二、溶胶到凝胶的过程（凝胶）：溶胶粒子之间手拉手连接，分层装配进一个具有连续网状结构的湿凝胶。三、凝胶到气凝胶的过程（干燥）：这个过程中湿凝胶中的溶剂被空气所替代，同时不會有严重的微结构破坏。
气凝胶的生产主要有两个关键技术：溶胶-凝胶技术和干燥技术，前者主要是为了获得具有一定空间网络的结构，后者则是将醇凝胶网络骨架中的溶剂去除，得到气凝胶材料。前者主要有：无机气凝胶、有机气凝胶、碳气凝胶的溶胶-凝胶技术，后者主要有：超临界干燥、亚临界干燥、冷冻干燥和常压干燥技术。
3.气凝胶炉体降温技术现场实施情况
应用该技术施工方案如下：
（1）炉体表面敷设气凝胶，搭接处应用气凝胶胶带粘接。
（2）炉体表面槽钢应用金属氟碳漆0.5mm钢板四面搭接型材。
（3）气凝胶表面采用金属氟碳漆0.5mm钢板铆接。
4.节能效果分析：
注汽锅炉应用气凝胶炉体降温技术
（1）辐射段降温40℃。
（2）过渡段及过桥降温40—80℃。
（3）炉后端板及后炉门可降低80—120℃。
炉体表面温度降低、炉内温度升高，可提高锅炉热效率，节能率2%。
5.经济效益及总结
5.1 经济效益计算
由测试数据可得：通过上述各个项目的实施，锅炉热效率平均提高2个百分点，同时一台23t/h锅炉的注汽量以10万方/年，单耗按63.8公斤/吨汽计算，故一年一台23t/h注汽锅炉安装该装置后可节省燃油量为：100000×63.8×2% ÷1000 = 127.6（吨）
注汽锅炉燃用的混配油以市场价2800元/吨计算，一年一台23t/h注汽锅炉安装该装置后可创经济效益为：127.6× 2800 = 35.73（万元）。辽河油田公司注汽锅炉现有316台，经济效益可观。
5.2总结
在如今全国重视“节能减排”能源利用政策的大环境下，进行推广应用节能新技术新工艺具有非常重要的现实意义。
结束语：
从目前的使用技术状况来看，因为考虑到设备老化、大多数锅炉炉体表面温度都比较高。在这种情况下，推广应用节能新技术新工艺，可以避免上述问题且切实可行。随着国家“节能减排”政策的进一步实施，上述项目技术必然会越来越成熟，应用也会越来越广泛。
参考文献：
[1].鹿道智 工业锅炉司炉教程 北京 航空工业出版社 2007
[2].徐 东 注汽系统热效率 辽宁 石油钻采工艺 2012
作者简介：
杨立华，出生年：1972年10月，男，籍贯：安徽省铜陵市，本科学历，热注运行工高级技师，技能专家
张伟，男，1975年出生，籍贯：辽宁省台安县，本科学历，热注运行工高级技师，技能专家
马向波，男，出生年：1975年10月，籍贯：辽宁省大盘山县，本科学历，热注运行工高级技师，技能专家
（作者单位：中油辽河油田公司曙光采油厂）
