過熱注汽鍋爐煙氣余熱回收節能技術研究及應用

劉建橋 王飛 盧新萍 宮毓陽 李揚（克拉瑪依紅山油田有限責任公司）

紅003 井區采用過熱蒸汽注汽提高超稠油的采收率，但蒸汽燃用天然氣單耗高，迫切需要提高燃料利用水平。以天然氣為燃料的鍋爐，宜采用半冷凝或者全冷凝尾部熱交換裝置，回收煙氣中的熱量[1]。由于天燃氣的硫含量較低（小于20 mg/m3），給水溫度10～40 ℃，排煙溫度在100～140 ℃，具備利用冷凝技術回收煙氣中水蒸氣汽化潛熱的條件[2]。

1 天然氣和煙氣特性分析

1.1 天然氣組分

紅003 井區使用天然氣中甲烷體積百分數92.31% ， 乙 烷 體 積 百 分 數4.06% ， 發 熱 量 約35 000 kJ/m3（標況）。101.325 kPa，20 ℃條件下，經天然氣燃燒特性計算[3]，1 m3天然氣產生的水蒸氣要帶走的熱量占11.04%，鍋爐的極限熱效率可達到110.766%。當空氣過量系數取1.15 時，水蒸汽占煙氣的容積份額達到18%，煙氣熱力學平衡水露點溫度為55.4 ℃。

1.2 煙氣顯熱

不同煙溫，不同空氣過量系數的煙氣的顯熱熱焓如圖1。

煙氣溫度越高，過量空氣系數α 值越高，煙氣熱焓值越高。因此，應合理控制煙氣氧過剩量，降低煙氣溫度，以提高鍋爐熱效率。

圖1 煙氣顯熱熱焓

1.3 煙氣潛熱

不同煙溫，不同空氣過量系數的煙氣的潛熱熱焓如圖2。

圖2 煙氣潛熱熱焓

由圖2 可知，為了回收煙氣中的水蒸汽潛熱，必須把煙溫降到露點溫度以下。

2 煙氣熱焓回收

2.1 煙氣顯熱回收

不同空氣過量系數下，隨著煙氣溫度降低，提高煙氣顯熱冷凝熱效率，如圖3。

圖3 回收煙氣顯熱提高熱效率

當煙氣溫度在同一溫度時，空氣過量系數越大，提高的熱效率越大，回收的熱量越多， 但是需增加換熱面積。煙氣顯熱回收利用中，通過對空氣過剩量的控制，可以提高回收系統的效率。

2.2 煙氣潛熱回收

不同空氣過量系數下，隨著煙氣溫度降低，提高煙氣潛熱冷凝的熱效率，如圖4。

圖4 回收煙氣潛熱提高熱效率

隨著煙氣溫度的降低，煙氣冷凝換熱提高的熱效率增加。同一溫度下，空氣過量系數越小，提高的熱效率越大。

2.3 天然氣燃燒效率提高的潛力

一般來說，排煙中的水蒸氣潛熱在60 ℃以下才能得到回收[4]，排煙溫度與天然氣煙氣利用率的關系，如圖5，鍋爐熱效率的提高分為兩個區域，煙氣露點溫度隨著過量空氣系數的增大而降低。

圖5 排煙溫度與天然氣煙氣利用率的關系

相同過量空氣系數條件下，排煙溫度從100 ℃降至60 ℃時，天然氣煙氣利用率變化緩慢，此段主要回收煙氣顯熱；當排煙溫度由60 ℃降至20 ℃時，煙氣利用率突然增大，明顯變化，此段以回收煙氣潛熱為主。可見煙氣中水蒸氣的潛熱大于顯熱。

回收煙氣顯熱與潛熱與提高熱效率的關系，如圖6，燃料完全燃燒，實際空氣過量系數需在1.1～1.14。

圖6 回收煙氣顯熱與潛熱提高熱效率

取空氣過量系數α=1.1，煙溫60 ℃時，可提高熱效率6 個百分點。

2.4 影響冷凝換熱的因素

影響冷凝換熱的因素是平均溫差、換熱面積和傳熱系數。冷卻介質的溫度越低，則平均溫差越大。空氣過量系數越小，煙氣中的水蒸汽的露點溫度越高，提高露點溫度，冷凝容易發生。冷凝換熱面積越大，換熱量越大，采用翅片可增大換熱面積。采用較薄的換熱管壁厚，提高煙氣流速可以強化冷凝傳熱，從而提高煙氣冷凝傳熱系數[5-6]。

3 煙氣冷凝改造技術

過熱注汽鍋爐加裝煙氣冷凝裝置有兩種形式，一是帶引風機的長煙道低位煙氣冷凝裝置，如圖7所示。另一種是高架短煙道煙氣冷凝裝置，如圖8所示。

3.1 煙氣冷凝裝置的設計與布置

煙氣冷凝裝置為模塊化設計，煙氣冷凝換熱采用間壁式逆向對流換熱器，煙氣流動方向與冷凝介質流向相反，提高換熱效果，為便于冷凝水及時排出，煙氣流動方向與冷凝水流向相同。換熱管采用碳鋼覆鋁技術，復合管傳熱性能比普通翅片管高出2 倍以上。

長煙道設計在原鍋爐煙囪上用三通引出獨立煙道系統，并增設11 kW 引風機，爐膛壓力大約為400～500 Pa。新增煙道入口閥與原煙囪新增煙氣排出閥聯動工作，二者始終處于一開一關狀態。當冷凝裝置發生故障時，可切除冷凝裝置維護，而不影響鍋爐繼續運行。短煙道煙氣冷凝器增加的阻力損失不到100 Pa，爐膛正常壓力在500 Pa 左右，相比于長煙道設計，將低位冷凝器安裝改為高位冷凝器安裝，省去了引風機和高煙囪，占用空間小，且生成在傳熱面上的凝結水可自然排出。

圖7 帶引風機長煙道煙氣冷凝鍋爐

圖8 高架短煙道煙氣冷凝鍋爐

煙氣冷凝裝置煙氣側出口安裝有除沫裝置，阻止煙囪直接排出冷凝水滴，避免了冬季煙囪下四周結冰。

3.2 鼓風引風協調控制

長煙道冷凝裝置的引風機采用變頻器控制，克服增加的煙氣冷凝換熱器的煙道阻力，降低并保持爐膛壓力穩定。引風機與工頻運轉的鼓風機協調工作，保證了鍋爐安全燃燒和熱負荷分配的穩定性。

3.3 腐蝕與防腐技術

煙氣冷凝模塊在給水預熱器下配有冷凝水箱，冷凝水的pH 值一般為5.9～6.2，直接混入大量弱堿性采出液中，進入污水回用系統。當pH 值小于5.5時可啟動加藥裝置進行中和處理。

低溫腐蝕總是出現在水蒸氣冷凝之前的溫度區段[5]，換熱管采用鋼覆鋁抵抗腐蝕，模擬冷凝水成分配置酸液，在遠比實際情況惡劣的工況下，進行腐蝕試驗評定和電化學測試，材料腐蝕率僅為0.002 4～0.013 3 mm/a。鋼腐蝕率為0.079～0.257 mm/a。

排煙煙囪采用內襯不銹鋼結構，解決了鍋爐煙囪的酸液腐蝕問題。

3.4 熱力參數設計優化

過熱注汽鍋爐煙氣冷凝熱力參數按照過量空氣系數為1.15 進行計算，季節分夏季和冬季兩種工況，給水分清水軟化水和清水軟化水與油田污水混合后的摻混水，具體見表1。

表1 煙氣冷凝改造熱力計算參數

給水出口溫度的確定為70 ℃，排煙溫度最低44 ℃，改造前燃氣單耗為86 m3/h（標況），相同條件下，加裝煙氣冷凝裝置改造后燃氣單耗最低可以達到79 m3/h（標況）。

3.5 改造效果

紅003 井對7 臺鍋爐進行改造后，年節約天然氣量454.64×104m3，折6 046.712 t（標煤）。年節約天然氣費用843.8 萬元。7 臺鍋爐年減排量：CO2減少8 930 t，SO2減少26.2 kg， NOx減少8.53 t。

4 結論

1） 鍋爐增加冷凝裝置后，平均熱效率為97.2%，提高了5%，燃氣單耗平均下降4.8 m3/t。

2）采用高位短煙道煙氣冷凝裝置的鍋爐爐膛壓力比長煙道低，火形較好無偏火，無偏燒，結構簡單，省去了引風機，節省了電能。

3）煙氣冷凝裝置換熱管采用鋼覆鋁技術成本低，能夠有效應對煙氣冷凝水酸性腐蝕。