煙氣冷凝式余熱利用技術評析與應用

周　兵（遼河油田公司高升采油廠）

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煙氣冷凝式余熱利用技術評析與應用

周兵（遼河油田公司高升采油廠）

注汽鍋爐煙氣余熱利用技術主要采用的是在原有管式換熱基礎上增加翅片，用空氣作為介質吸收煙氣中的熱量。由于鍋爐使用年限較長，對流段翅片管吸熱能力逐年變差。通過煙氣冷凝式余熱利用技術，利用水比熱高的特性使用高溫煙氣加熱鍋爐低溫來水，并通過換熱吸收過程中釋放的顯熱和潛熱，將煙氣溫度降低至露點溫度以下，以此提高注汽鍋爐來水溫度、降低注汽鍋爐排煙損失和尾氣排放量，達到提高注汽鍋爐熱效率，節約生產成本和提高注汽系統管理水平的目的。

鍋爐冷凝熱效率注汽系統管理水平

1　現狀

高升采油廠現有注汽鍋爐18臺，2000年以前投產12臺、2000年以后投產6臺，年承擔注汽量60×104m3。

由于鍋爐使用年限較長，對流段翅片管吸熱能力逐年變差，2014年注汽鍋爐平均熱效率86.8%，排煙溫度181℃（見表1）。按排煙溫度每升高15℃，鍋爐熱效率降低1%，排煙熱損失占鍋爐熱損失的91%。若煙氣溫度降低100℃、鍋爐熱效率可提高7%、年注汽量60×104t計算，年節約燃料氣420×104m3，天然氣單價3.18元/m3計算，節約成本1 335.6萬元。

現有注汽鍋爐煙氣余熱利用技術采用的是在原有管式換熱基礎上增加翅片，用空氣吸收煙氣中的熱量［1］，由于加熱介質為空氣，介質比熱遠低于水比熱（空氣1 kJ/kg·℃、水4.2 kJ/kg·℃），吸熱能量有限，注汽鍋爐熱效率提高有限。

2　鍋爐熱效率分析

鍋爐燃燒遵循能量守恒，即燃料輸入能量（Qr）=鍋爐有效利用熱量（Q1）+鍋爐熱損失熱量，其中鍋爐熱損失分為排煙熱損失Q2、化學不完全燃燒熱損失Q3、機械不完全燃燒熱損失Q4、散熱損失Q5和灰渣物理熱損失Q6。對于1臺燃油或燃氣的油田注汽鍋爐Q4值和Q6值為0，鍋爐正常運行時，燃燒可視為完全燃燒，化學不完全燃燒熱損失數值存在但很小，可忽略不計。而且對于同臺鍋爐Q5值基本維持不變，大約在1.4%左右。因此注汽鍋爐熱損失主要為排煙損失，而且排煙熱損失受排煙溫度和排煙體積決定。經計算，燃氣燃燒時鍋爐熱效率提高值同排煙溫度符合以下曲線規律（見圖1）。

圖1　排煙溫度同鍋爐熱效率提高值關系曲線

從圖1可知，鍋爐熱效率同排煙溫度呈非線性關系，其中高于露點溫度時為直線關系、低于露點溫度時為曲線關系，整體表現為排煙溫度降低鍋爐熱效率提高，且當排煙溫度低于露點溫度時，鍋爐熱效率隨排煙溫度降低明顯提高。排煙溫度高于露點溫度時，排煙溫度由200℃降低至露點溫度階段，效率提高6.7%，即煙氣溫度每降低21.3℃，效率提高1%；排煙溫度低于露點溫度時，排煙溫度由40℃降低至20℃時，熱效率提了4.09%，即煙氣溫度每降低4.89℃，效率提高1%。

因此，可通過各種技術手段使注汽鍋爐排煙溫度降低至露點溫度以下，以進一步提高注汽鍋爐熱效率。

表1　2014年注汽鍋爐測試數據

3　技術改造

采用煙氣冷凝式利用技術，即在滿足注汽鍋爐安全生產和操作方便的前提下，利用高溫煙氣加熱鍋爐低溫來水，并通過加強換熱將煙氣溫度降低至露點溫度以下，鍋爐來水吸收過程中釋放的顯熱和潛熱，達到提高注汽鍋爐熱效率的目的［1］。

3.1節能裝置

煙氣余熱冷凝節能裝置，在廠活動注汽鍋爐參數要求的基礎之上進行改造，主要換熱部分為獨特的板紋式換熱結構，強化受熱面傳熱過程，在保證換熱效果的前提下控制設備安裝后增加阻力在100 Pa以內（見圖2）；節能裝置內部和外部均采用防腐絕熱材料，內壁面耐溫高于100℃、外壁面耐溫低于100℃；根據柱塞泵耐溫和注汽鍋爐爐膛壓力值，控制節能裝置煙氣通量，來確保系統的安全運行。

圖2　活動注汽鍋爐節能裝置結構示意圖

3.2數據計算

活動注汽鍋爐燃燒器型號為6131-ICCR/ x6099，燃燒器風機型號為離心式25HP30 kPa，排煙最高溫度220℃、最低溫度120℃，實際排量5.5～9 m3/h，柱塞泵來水溫度上限78℃。節能設備安裝后進行增加阻力和節能參數2項進行模擬計算，以實現在節能設備安全使用的情況下（增加阻力控制在100 Pa以內）來提高注汽鍋爐熱效率［2］。

1）排煙溫度160℃時、阻力增加91.875 1 Pa，排煙溫度220℃時、阻力增加93.334 2 Pa，均滿足標準要求100 Pa以內。

2）在來水溫度15℃、空氣過剩系數1.15、模擬不同排煙溫度和排速下，節能和減排情況，見表2。

從表2可以看出，排量7 m3/h、排煙溫度160℃、來水溫度15℃情況下，出口煙溫79.35℃、出口水溫56.77℃、節能率7.92%、CO2減排79.73 kg/h、冷凝液析出186.6 kg/h；排煙溫度220℃、來水溫度15℃情況下，出口煙溫91.47℃、出口水溫61.46℃、節能率8.81%、CO2減排88.67 kg/h、冷凝液析出193.2 kg/h，排量8 m3/h、排煙溫度160℃、來水溫度15℃情況下，出口煙溫79.54℃、出口水溫56.52℃、節能率7.87%、CO2減排90.56 kg/h、冷凝液析出204.5 kg/h；排煙溫度220℃、來水溫度15℃情況下，出口煙溫89.63℃、出口水溫58.57℃、節能率8.26%、CO2減排95.03 kg/h、冷凝液析出210.6 kg/h。

結合廠注汽鍋爐運行情況，對使用頻次高的2臺活動注汽鍋爐進行節能設備安裝，依據現場使用情況對節能裝置及工藝流程進行優化處理，增加爐膛壓力報警，以防由爐膛壓力偏高造成的安全隱患；增加柱塞泵入口水溫超溫報警，確保柱塞泵使用安全。

表2　節能率模擬計算

4　效益評價

1）經濟效益。經局節能監測處測試，注汽鍋爐排煙溫度由170℃降低至87.9℃、鍋爐熱效率由87.9%提高至94.9%，提高7%。設注汽鍋爐改造前燃氣單耗為73 m3/t，改造后注汽單耗為67.62 m3/t、燃氣單耗降低5.38 m3/t。年承擔10×104m3注汽量的2臺活動注汽鍋爐年節約燃料氣53.8×104m3、創效171.084萬元（天然氣單價3.18元/m3）。

2）社會效益。通過實施煙氣冷凝余熱技術后，節約了天然氣用量，減少了溫室氣體排放量。同時冷凝出的水對氮氧化合物也有很好的溶解作用，減少污染物的排放。

5　結論

通過開展煙氣冷凝式余熱利用技術分析與應用，在保證鍋爐安全運行的前提下，提高了注汽鍋爐來水溫度、降低了注汽鍋爐排煙損失和尾氣排放量，有效的節約了生產成本，提高注汽系統管理水平。

1）明確計算燃燒天然氣情況下煙氣中水蒸汽汽化潛熱量、過量空氣系數同煙氣中水蒸汽露點溫度的關系，為煙氣冷凝式余熱技術應用和對流段入口水溫控制提供科學依據。

2）科學分析煙氣中冷凝液質量和冷凝率，并采用模塊化設計理念，通過多種技術手段強化傳熱，將煙氣溫度降低至露點溫度以下，來回收煙氣中的顯熱和潛熱，同時控制增加煙道阻力在100 Pa以內。

3）工藝安裝過程中將爐膛壓力和柱塞泵入口水溫作為設備啟停的報警項，確保注汽鍋爐安全和柱塞泵的正常使用。

［1］李慧君，王樹眾，張斌，等.冷凝式燃氣鍋爐煙氣余熱回收可行性經濟分析［J］.研究與開發，2003（2）：1-4.

［2］孫金棟，李孝萍，賈力.煙氣冷凝換熱過程分析［J］.北京建筑工程學院學報，2001，17（3）：23-26.

2020年前清潔能源消費比例將超17%

2015年9月22日，2015第五屆能源高層對話舉行，國務院國有重點大型企業監事會主席趙華林在出席活動時預計，2020年前清潔能源消費比例將超過17%。

趙華林說，經過長期發展，我國已成為世界上最大的能源生產國、消費國，形成全面的能源供應體系，技術裝備水平明顯提高，生產、生活用能條件顯著改善。雖然我國能源發展取得巨大成績，但面臨著能源供給制約較多、能源生產和消費對生態環境損害嚴重、能源技術水平總體落后等挑戰。

趙華林說，“十二·五”期間，我國第一次出現能源消耗量下降，能源消耗與經濟發展脫鉤的趨勢顯現。預計，煤炭消費的峰值可能在2020年前到來，清潔能源比例將超過17%。無論是產能企業還是用能企業，無論是化石能源還是清潔能源生產企業，都必須考慮新常態帶來的機遇和挑戰。我們必須從國家發展和安全的戰略高度，審時度勢、借勢而為，順應能源大勢，務實推進一帶一路合作，加大油氣資源勘探開發力度、油氣儲備設施建設、完善能源應急體系和能力建設。

胡慶明

10.3969/j.issn.2095-1493.2015.11.011

2015-04-22）

周兵，工程師，2006年畢業于大慶石油學院（石油工程專業），從事油田集輸系統生產運行管理工作，E-mail：zhoubing19750810@126.com，地址：遼寧省盤錦市遼河油田高升采油廠集輸大隊，124125。