蘇里格氣田燃氣導熱油爐煙氣余熱回收應用分析

李新強，郭永強，李天鵬，王鏡淇，李鳳瑞，何 坤，朱翠萍

（1.西安石油大學，陜西西安 710065；2.中國石油長慶油田分公司第三采氣廠，內(nèi)蒙古烏審旗 017300）

蘇里格氣田燃氣導熱油爐煙氣余熱回收應用分析

李新強1，郭永強2，李天鵬2，王鏡淇2，李鳳瑞2，何 坤2，朱翠萍2

（1.西安石油大學，陜西西安 710065；2.中國石油長慶油田分公司第三采氣廠，內(nèi)蒙古烏審旗 017300）

通過對燃氣導熱油爐結構、工藝原理的分析，提出高溫煙氣余熱回收是提高導熱油爐效率的重要措施。在對空預器結構原理分析，以及其在蘇里格氣田導熱油爐系統(tǒng)的應用狀況分析基礎上，通過計算得出空預器的使用可以較大程度提高燃燒效率，產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟效益；同時，在回收余熱的過程中水蒸氣的凝結液吸收煙氣中的部分酸性有害氣體，起到很好的環(huán)境保護作用。

導熱油爐；余熱；空預器；增效；環(huán)境保護

蘇里格氣田天然氣處理廠主要采用導熱油爐加熱系統(tǒng)為各生產(chǎn)區(qū)域提供生產(chǎn)熱源以及為廠區(qū)及倒班點提供采暖熱源。5座天然氣處理廠導熱油爐均使用天然氣作為燃料。由于天然氣雜質少，較燃煤等普通鍋爐可以較大幅度提高受熱面的煙氣流速，從而具有相對較高的效率。

根據(jù)不同的運行情況，燃氣導熱油爐的排煙溫度均較高，一般在150℃～350℃，且含有較多的水蒸氣，攜帶熱量的煙氣直接排放是降低導熱油爐效率的主要因素。所以附帶空預器等余熱回收的裝置可以有效提高導熱油爐的運行效率，降低天然氣的消耗。其次，在回收余熱的過程中水蒸氣的凝結液吸收煙氣中的部分酸性氣體，起到很好的環(huán)境保護作用。

1 燃氣導熱油爐加熱系統(tǒng)及煙氣傳熱分析

1.1 蘇里格氣田供熱系統(tǒng)工藝流程

以蘇里格某處理廠為例，供熱系統(tǒng)配備2 MW導熱油爐兩臺，配備德國威索燃燒器。天然氣經(jīng)過過濾、減壓、穩(wěn)壓、檢漏等后進入燃燒器燃燒，將燃燒產(chǎn)生的熱量以輻射和對流的形式傳遞給中間熱載體，攜帶熱能的熱媒載體在循環(huán)泵作用下在用戶換熱設備中與用熱工質進行換熱，從而將熱量傳給用熱工質，實現(xiàn)加熱的目的（見圖1）。

圖1 導熱油爐結構原理圖

其導熱油爐加熱系統(tǒng)工藝流程如下：經(jīng)熱媒循環(huán)泵將經(jīng)過換熱后的低溫導熱油以及儲油罐內(nèi)補充的導熱油加壓到0.7MPa后送入導熱油爐，在爐內(nèi)加熱至200℃后，進入導熱油主管網(wǎng)；輸送至凝析油穩(wěn)定裝置，對不穩(wěn)定凝析油進行加熱；輸送至甲醇回收重沸器，對塔底水進行加熱；輸送至凝液換熱器，對裝置區(qū)來液進行加熱，對油水換熱器循環(huán)水進行加熱輸送至全廠采暖管網(wǎng)。換熱后的熱媒油在熱媒油循環(huán)泵作用下，重新返回到熱媒油爐進行再加熱，如此實現(xiàn)連續(xù)循環(huán)加熱。

1.2 導熱油爐加熱系統(tǒng)燃氣消耗分析

燃氣導熱油爐在日常運行時熱量的消耗主要在以下幾個方面：一是用于加熱循環(huán)的低溫導熱油，二是導熱油爐本體及管路的散熱損耗；三是通過燃燒產(chǎn)生的煙氣將熱量排入大氣。從提高燃氣利用率方面看，第一部分做的有用功，第二部分熱損失在保溫措施做到位后就無法進一步避免，所以為了提高熱效率，在同樣熱負荷下降低燃氣消耗量，必須將排放到大氣中的高溫煙氣加以回收利用。

1.3 高溫煙氣傳熱過程分析

1.3.1 煙氣成分的分析 蘇里格氣田處理廠導熱油爐用燃氣為自產(chǎn)氣，主要成分為碳氫化合物，含有少量硫量（符合國家二類氣指標）。所以燃燒產(chǎn)物主要有二氧化碳、二氧化硫、水蒸氣以及氮氧化物。含有硫化物、氮氧化物等有害氣體的燃燒尾氣直接排入大氣，對環(huán)境造成一定的危害。

1.3.2 冷凝傳熱過程 對于燃氣導熱油爐，煙氣中的余熱主要以兩種方式存在，即顯熱和潛熱。由于煙氣中含有較多的過熱態(tài)水蒸氣，是煙氣熱量的主要攜帶者，約占到55%～75%。因此，在煙氣回收余熱時，主要是水蒸氣的顯熱和潛熱，同時也包含不凝結氣體（如二氧化碳和氮氧化物等）的顯熱。

煙氣凝結換熱包括水蒸氣凝結核煙氣中的不凝結氣體對流換熱兩個過程（煙氣在流經(jīng)換熱器時，由于水蒸氣的凝結造成了煙氣的組成成分發(fā)生變化，使得換熱過程比較復雜）。當冷凝換熱器的表面溫度低于水蒸氣露點溫度時，煙氣中水蒸氣釋放潛熱后，開始凝結，換熱器表面形成凝結液膜包圍。

2 空預器在蘇里格氣田導熱油爐系統(tǒng)的應用

煙氣余熱回收途徑主要有兩種[1，2]，一種是預熱工作介質，一種是預熱空氣進行助燃。預熱工作介質需占用較大的作業(yè)場地，預熱空氣助燃是一種相對較好的方法。

目前蘇里格地區(qū)處理廠除某處理廠導熱油爐使用空預器外，其余處理廠均無余熱回收裝置，通過對兩種導熱油爐系統(tǒng)的運行情況進行分析，提出優(yōu)化建議。

2.1 導熱油爐空預器工作原理

導熱油爐空氣預熱器利用尾部出口煙氣所帶熱能，通過熱管的超導傳熱，用來預熱鍋爐助燃空氣。空氣預熱器采用重置放置形式，煙氣和空氣反向水平流動形成氣-氣換熱，最大限度提高煙氣換熱效率。空氣預熱器由箱體、熱管束、中間隔板組成。箱體為兩側：一側流動為煙氣，一側流動為空氣（見圖2）。

空氣預熱器充分利用熱管傳熱速度快，換熱效率高的特點，有效克服了氣體間換熱時換熱系數(shù)不高的問題。熱管兩端的外壁傳熱面積利用翅片可作適度擴展，這樣處理，不僅強化了管外傳熱，也有效的減少了換熱器的體積和質量，節(jié)約了金屬耗材，可以得到一個高性價比的換熱器。同時，通過調整熱管加熱側和放熱側的熱流密度，改變加熱側和放熱側的傳熱面積，可有效避免流體對換熱器的酸露點腐蝕，提高設備使用壽命。

圖2 空預器運行原理示意圖

2.2 空預器應用情況

蘇里格某天然氣處理廠兩臺2 MW導熱油爐使用空預器對煙氣余熱冷凝回收，就是利用高溫含水蒸氣的煙氣對導熱油爐的助燃空氣進行加熱，即提高了混合燃料氣的溫度，又回收了廢氣中的余熱，整體提高其燃燒效率。

2.2.1 導熱油爐空預器應用情況分析 某處理廠導熱油爐（附帶空預器）整體燃燒效率為91%，其空預器設計參數(shù)（見表1）。

表1 某處理廠空預器設計參數(shù)

設在某一運行狀態(tài)下，導熱油爐沒有安裝空預器時天然氣用量為 B0（m3/h），燃料低位熱值為 QDW（kJ/m3）設置預熱器后，從排煙中回收熱量Qh（kJ/m3），而燃料耗量減少至B。假設導熱油爐熱負荷保持不變，則根據(jù)爐體熱平衡得到燃料氣的節(jié)省量為：

式中：Vy-實際排煙量，立方米/單位燃料；Cy-煙氣平均比熱，kJ/m3；ty-排煙溫度，℃。

則安裝空預器的節(jié)能率為[4]：

根據(jù)檢測，目前某處理廠產(chǎn)品氣（燃料氣）的低位熱值為QDW=34560 kJ/m3，設計燃氣耗量為230 m3/h。

根據(jù)天然氣燃燒反應方程式：

燃燒時，取燃燒過量系數(shù)α=1.2，每立方米天然氣完全燃燒需要的理論空氣量為：

理論煙氣量為：

根據(jù)現(xiàn)場運行情況當導熱油出口溫度為140℃（設計溫度為200℃）時，排煙溫度為280℃，經(jīng)過換熱后的進氣溫度為90℃。通過查表得到：

通過以上分析，將（3）-（8）帶入公式（2），可以得到在此狀態(tài)下運行，安裝空預器可以使燃料氣節(jié)能率為：

2.2.2 空預器應用產(chǎn)生的經(jīng)濟效益分析 目前，蘇里格氣田共有11臺功率不等的導熱油爐系統(tǒng)，均分布在5個天然氣處理廠，總功率為36010 kW，設計耗量為1700m3/h。

以蘇里格某天然氣處理廠為例，供熱站導熱油爐2014年全年共累計消耗天然氣132.6×104m3，可以推算出，2014年共累計節(jié)約天然氣為：

按照每立方米天然氣1.35元計算，累計節(jié)省燃氣成本10.6萬元。

整個蘇里格地區(qū)導熱油爐燃氣消耗量按照3398×104m3/a計算，每年可節(jié)省成本為：3398.88×104×1.35=256.96萬元，經(jīng)濟效益明顯（見表2）。

表2 蘇里格氣田各處理廠導熱油爐燃氣耗量表

2.3 空預器凝結液特性

蘇里格天然氣處理廠中天然氣主要成分為CH4，含有少量硫化氫，但由于空氣中含有N2，因此燃燒過程中有NOx生成。各化學反應方程式為：

從上面的反應方程式可以看出，冷凝液主要是亞硝酸鹽、硝酸鹽、碳酸鹽等等。

煙氣凝結液對氮氧化物的吸收率一般能達到10%～20%。所以，排出的煙氣中含有的氮氧化物等有害氣體含量減少，凈化了煙氣，對環(huán)保有利。

3 結論

（1）燃氣導熱油爐相對其他工業(yè)鍋爐具有較高的效率。但是燃氣消耗量大，進一步提高其運行效率具有較高的經(jīng)濟效益。

（2）通過對實際運行情況進行分析計算，空預器的使用可以大大提高導熱油爐的運行效率。如果蘇里格地區(qū)處理廠均使用空預器，每年可節(jié)省燃氣費用270余萬元，具有較高的經(jīng)濟效益。

（3）由于空預器運行時，高溫煙氣溫度降低，水蒸氣凝結液對酸性氣體有一定的吸收作用，減少了排放到環(huán)境中的有毒有害酸性氣體，具有明顯的環(huán)保意義。

（4）空預器在應用中由于凝結的酸性凝液容易引起煙道、換熱設備的腐蝕，因此，防腐是煙氣冷凝余熱回收時必須考慮的技術問題，在運行時建議每年檢修時針對空預器進行防腐處理。

［1]李慧君，林宗虎.燃氣鍋爐煙氣余熱回收實驗分析［J］.工業(yè)鍋爐，2004，（6）：1-4.

［2]王志勇，等.燃氣鍋爐煙氣熱損失及冷凝余熱回收［J］.煤氣與熱力，2010，30（6）：4-7.

［3]周乃君，易金萍.工業(yè)爐煙氣余熱回收節(jié)能率的計算方法討論［J］.有色冶金節(jié)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