燃氣汽包注汽鍋爐的低氮燃燒與模塊設計優化研究

賀吉濤，史躍崗，潛 鈞

(1.中油(新疆)石油工程有限公司，克拉瑪依 834000;2.杭州鍋爐集團股份有限公司，杭州 310000)

0 引 言

我國有著豐富的稠油資源，探明和控制儲量已達16×108t，是繼美國、加拿大和委內瑞拉之后的世界第四大稠油生產國。稠油開采的主力技術為注蒸汽開采，包括蒸汽吞吐、蒸汽驅、SAGD等方式。為了保障國家能源安全，中石油、中石化、中海油均在加拿大收購有稠油油田，中石油的稠油油田主要為麥肯河與多佛油田。由于國外注汽鍋爐普遍很高，不利于降低工程投資。隨著國內技術的進步，有望通過注汽鍋爐的國產化降低海外稠油開發注汽系統的投資[1-2]。

1 鍋爐基本技術參數需求

加拿大稠油開發技術中，除埋深較淺(100 m以內)的油砂采用露天開采外，主要采用SAGD開發，注汽采用高干度蒸汽，注汽站出口蒸汽干度99.9%，長距離輸送到井口后約95%。 主要設施分布在CPF及井場，中心處理廠集多種功能于一身：采出液處理、稠油處理、水處理、蒸汽發生、稠油輸送、公用系統等。

通過調研及資料收集，獲得了多佛北油田的基本注汽需求：注汽站布站方式采用集中布站方式，蒸汽最遠輸送距離一般在10 km左右；注汽注汽干度：≥95%； 井口注汽壓力：5.5 MPa；井口注汽溫度：270～285 ℃。基于多佛油田北的注汽需求，結合在加拿大項目的經驗，確定了注汽鍋爐的基本技術參數需求，主要包括：額定容量75～220 t/h，額定壓力≤14 MPa，蒸汽過熱度5～30 ℃。

2 注汽鍋爐設計整體情況

基于在加拿大使用的條件，設計了一種可回用凈化采出水的模塊化燃氣汽包注汽鍋爐，鍋爐額定蒸發量為220 t/h。該鍋爐為自然循環單鍋筒鍋爐，采用臥式煙道，爐膛為膜式水冷壁結構、其余受熱面為模塊化結構。微正壓燃燒、室內布置。天然氣和熱風分別送進燃燒器噴入爐膛，在燒咀口混合燃燒。燃燒生成的高溫煙氣通過爐膛水冷壁、蒸發器、過熱器、省煤器及空氣預熱器等各級受熱面放熱冷卻后排入爐后煙氣系統。

汽包采用分段蒸發技術，并通過水動力計算確定合適的排污量，應對給水水質礦化度高的條件；燃燒器采用成熟的低氮燃燒技術，并配合煙氣再循環技術，實現NOx排放達標；鍋爐尾部增加空預器保證鍋爐熱效率；鍋爐受熱面采用螺旋鰭片管結構，成熟的模塊化設計，降低現場安裝量。鍋爐總圖如圖1所示。

圖1 鍋爐總圖

按照上述設計，鍋爐給水礦化度≤2 000 mg/L，可滿足運行要求：蒸汽壓力為14 MPa，蒸汽過熱度為5～30 ℃，鍋爐效率≥93%；同時鍋爐的氮氧化物與一氧化碳排放達到相應的環保指標要求。

3 排放要求與低氮燃燒設計

3.1 排放要求

加拿大的SAGD稠油開發技術中，注汽鍋爐使用燃料以氣體為主。包括天然氣、伴生氣、裂解氣以及摻混氣等。以多佛北油田為例，計劃使用的燃料即為伴生氣與天然氣的摻混氣。根據《Emission Guidelines for NOx》，加拿大阿爾伯達使用摻混氣的工業用直流鍋爐的NOx排放限值為40 g/GJ，控制目標為15.8 g/GJ。

3.2 低氮燃燒設計

加拿大稠油熱采的鍋爐燃料主要為氣體燃料，燃料形式包括天然氣、伴生氣、裂解氣、摻混氣等，多佛北油田的燃料以摻混氣為主。在實際項目中，注汽鍋爐燃料為天然氣混合最大30%份額的油田采出氣。采出氣的組分與天然氣接近，僅在CH4和CO2的含量上有接近1%的差別，對鍋爐的熱性能(包括排煙溫度、熱效率等)影響不大。

在實際的燃燒過程中，爐膛的溫度、燃料和空氣的混合程度等都對NOx排放有較大影響。鍋爐采用低氮燃燒器，天然氣點火、全自動電子比例調節、火焰可調。燃燒器在功率不變的情況下火焰可調，火焰可以大幅度調整(火焰長度<10 m)，以滿足鍋爐爐膛與燃燒器火焰完全匹配，火焰粗細、長短與爐膛形狀相適應，避免沖刷受熱面。爐膛及燃燒器布置如圖2所示。

圖2 爐膛及燃燒器布置圖

根據爐膛尺寸及燃燒器布置設計燃燒器，具有燃燒器調節性能好、火焰互不干涉、不沖刷相鄰受熱面、燃燒效率高、低氮性能好的特點。鍋爐通過配備天然氣低氮燃燒器，使用燃氣和空氣預混、分級配風、爐內再循環和爐外煙氣再循環等多種先進燃燒技術，可以實現所要求的低氮排放。

4 受熱面模塊化設計

為節省時間、降低現場的安裝量，鍋爐尾部受熱面采用模塊化設計。該注汽鍋爐尾部受熱面主要包括：過熱器模塊、省煤器模塊、上級空預器模塊、下級空預器模塊及煙囪。

過熱器采用模塊結構，在工廠內加工組裝完成后整體發往現場安裝，過熱器管采用鰭片管，管子規格φ42×5，材質為SA-213M T22，管箱材質為12Cr1MoV；省煤器采用模塊結構，在工廠內加工組裝完成后整體發往現場安裝，省煤器管采用鰭片管，管子規格φ32×4，材質為SA-210 A1，管箱材質為Q345B；空預器結構形式采用立式，上級空預器(煙溫較高位置)管子規格φ40×1.5，材質為Q215A；下級空預器(煙溫較低位置)管子規格φ40×1.5，材質為ND鋼；下級空預器出口位置連接鍋爐煙囪，煙囪由鍋爐尾部鋼結構支撐。據此設計后，鍋爐主要模塊數量為20個，最大重量為70 t。

5 結束語

(1)注汽鍋爐采用低氮燃燒器，配合煙氣再循環等技術可以有效地降低煙氣中氮氧化物濃度，實現低氮燃燒，滿足阿爾伯達省15.8 g/GJ的控制要求。

(2)鍋爐尾部受熱面采用模塊化設計，將過熱器、省煤器、空預器分別在工廠中加工組裝成型后，整體運到現場安裝，避免了現場條件的不確定性，大大減少了安裝時間和安裝量。