稠油熱采注汽鍋爐煙氣余熱利用技術研究

韓玉海

（勝利油田分公司注汽技術服務中心現河注汽大隊，山東 東營 257000）

我國遼河、勝利等大型油田及新疆地區油田廣泛發育稠油油藏，稠油開發要借助注汽鍋爐，鍋爐熱效率設計值在85%以上，但在鍋爐運行中熱效率值一般在80%左右，普遍低于設計值。注汽鍋爐熱損失主要有尾部對流段排出煙氣熱損失、鍋爐體表散熱損失、燃料不完全燃燒損失。因此，要針對熱損失主要方面采取措施，特別是通過煙氣余熱利用降低熱損失。

一、注汽鍋爐煙氣余熱利用潛力

注汽鍋爐在運行中耗能較高，煙氣余熱是熱損失重要方面。勝利油田注汽鍋爐多采用原油作燃料，如果不加以處理，排出煙氣溫度多在230℃以上，蘊含著大量熱量，會因煙氣熱損失降低鍋爐運行熱效率。

為降低排出煙氣熱損失，多采取翅片管、銷釘管煙氣-水換熱器等方式進行余熱利用。在以渣油為燃料的鍋爐中，因燃料粘度大、燃點高，且含有較多重質成分，需較高燃燒條件，燃油燃燒溫度相應提高，排出煙氣溫度也更高，造成更多煙氣熱損失，使燃燒質量很難達標。

排煙熱損失影響因素主要有排出煙氣溫度和過剩空氣系數鍋爐物理熱損失基本等同于排出煙焓與冷空氣焓焓差，如利用在輸入熱中的占比，可用以下公式表示：

q2=（Ipy-apy*Io）（100-q機）/Qr*100%

公式中，Io——理論空氣焓（kJ/kg）；

Ipy——排出煙氣焓（kJ/kg）；

apy——排煙部位過剩空氣系數；

q機——機械不完全熱損失；

Qr——鍋爐輸入熱量（kJ/kg）。

在以渣油為燃料時，如過剩空氣系數過小，會產生冒黑煙等燃燒不充分情況，而一般鍋爐運行中將過剩空氣系數控制在不超過1.35，此條件下排出煙氣溫度不超過170℃，鍋爐運行熱效率就可達到85%以上。

二、注汽鍋爐煙氣余熱利用技術

（一）煙氣余熱利用方式

可設計空氣預熱系統，利用煙氣余熱進行水預熱，具備煙氣熱量吸收、空氣和水加熱等功能，可有效提升鍋爐運行熱效率。具體實施中，對鍋爐對流段進行改造，在上面安裝熱管換熱器，充分利用煙氣余熱對供水加熱和空氣助燃。當前注汽鍋爐供水溫度普遍在50℃左右，已達到較高水平，不具備大的提升空間。可重點將研究方向確定為對空氣進行助燃換熱，將鼓風機移到廠房外部，利用保溫性較好的管道將助燃空氣送到換熱器內換熱，再輸送到爐膛內燃燒。為確保煙氣余熱利用效率，可配套引風機，在爐膛壓力正常前提下加大煙氣量。煙氣余熱系統改造目標是將煙氣溫度由270℃以上降到170℃以下，將助燃空氣由15℃左右提升到160℃左右，提升鍋爐整體的運行熱效率。

（二）系統運行原理及應用設計

熱管空氣預熱器是將排出煙氣余熱經由熱管傳遞到空氣側，由熱管元件在熱端吸熱，將工作介質吸熱后轉換為蒸汽向冷凝端（空氣側）流動，空氣可將熱管元件輸送熱量吸收后升溫，工作介質被吸溫后冷凝為液體向熱管元件熱端流回，實現煙氣余熱循環利用。

注汽鍋爐原有鼓風機可將冷空氣經管道輸送到熱管空氣預熱器冷側與熱管元件進行熱交換，冷空氣吸收熱量后可流向鍋爐爐前配風管，隨后進入爐內與燃油混合助燃，混合燃燒后變為高溫煙氣與鍋爐輻射段、對流段和熱管空氣預熱器熱端進行熱交換，煙氣經過煙道可借助除塵器進行除塵，由引風機送到煙囪。

以23t/h注汽鍋爐進行應用分析，額定工作狀態下鍋爐空氣量為2.25*104m3/h，改造前產生煙氣量為2.5*104m3/h，煙氣溫度約在220-240℃，以露點溫度為要求，排出煙氣設計溫度應為160℃。熱端直徑為25mm、單根熱管長為2.52m，包含1.36m加熱段、1.116m加熱段、0.044m隔熱層。空氣預熱溫度上升70℃，煙氣側壓降280Pa、空氣側壓降360Pa。通過配套風機變頻器可雙向控制預熱溫度和爐膛壓力，以變頻器為依托進行預熱空氣溫度調整，可在提升熱效率同時延長預熱器使用壽命。可選擇H型肋片吸熱翅片減少積灰，進一步提高熱效率。

熱管設計應用主要包括管殼、吸液芯和端蓋，主要工作原理是管內抽成負壓狀態后充入適當液體作工作介質，有沸點低、易揮發特性，管壁吸熱芯選擇毛細多孔材料材質，熱管兩端分別為蒸發段和冷凝端，一端受熱后可促使毛細管中液體蒸發，蒸汽可在較小壓差下向另一端移動放熱，放熱后重新冷凝為液體；液體可依靠多孔材料本身毛細作用力流回蒸發段，通過循環作用實現熱量在熱管兩端傳遞，該循環是快速進行，可源源不斷進行熱量傳導。

設備使用壽命主要受三個因素影響：一是不凝性氣體，是工作介質與管殼材料發生電化學、化學反應生成，熱管工作時不凝性氣體被蒸汽流吹到沖凝段后聚集，形成氣塞減小有效冷凝面積、增大熱阻，造成傳熱能力降低甚至失效。二是工作介質物性惡化，介質在高溫下逐步分解。三是管殼材料腐蝕溶解，工作介質在管內流動受雜質、溫差等因素影響，易溶解或腐蝕增大流動阻力，降低熱管傳熱性能。管殼腐蝕穿孔后會造成熱管失效，在堿金屬高溫熱管中較為常見，如煙氣中二氧化硫含量較多也會加重腐蝕。

在設計原則上，主要將熱管換熱器安裝到對流段上節省空間，空氣加熱和煙氣流道分開避免腐蝕、提高熱效率，換熱器要與原有鍋爐系統分開防止影響鍋爐運行，增加引風機加快熱空氣向爐前移動速度。改造后煙氣余熱利用系統主要包含變頻器、空氣預熱器、引風機、溫度熱電偶和傳感器、煙道、壓力開關和傳感器、煙氣含氧量探頭及傳感器、補償導線、控制柜、觸摸屏和控制程序、轉換開關和動力電纜等。可廣泛應用于9-100t/h蒸發量注汽鍋爐，將空氣預熱溫度控制在不超過70℃，煙風阻力控制到不超過335Pa，排出煙氣溫度控制在大約150-170℃范圍內，回收煙氣熱效率在2.5%-3%。該類型注汽鍋爐額定排量下可實現節能3.16*106kJ/h，即節油量為80kg/h，運行節油量為2t/d。

在技術應用創新上，通過變頻技術對引風機電機控制實現節能降耗；通過空氣-煙氣熱交換器實現煙氣余熱回收，提高熱效率；通過預熱器壁溫控制延長設備使用壽命。應用熱管空氣預熱器結構簡單、溫差小、導熱性強、運行可靠，引風機可在點火程序中連鎖，無需增加工作量，實現自動控制；可配套陶瓷多管除塵器降低污染。

三、結論

綜上所述，通過應用注汽鍋爐煙氣余熱利用技術進行系統改造，可降低排煙溫度、提升助燃空氣溫度，降低燃油能耗和稠油開發成本。