烟气冷凝式余热利用技术评析与应用

周　兵（辽河油田公司高升采油厂）



烟气冷凝式余热利用技术评析与应用

周兵（辽河油田公司高升采油厂）

注汽锅炉烟气余热利用技术主要采用的是在原有管式换热基础上增加翅片，用空气作为介质吸收烟气中的热量。由于锅炉使用年限较长，对流段翅片管吸热能力逐年变差。通过烟气冷凝式余热利用技术，利用水比热高的特性使用高温烟气加热锅炉低温来水，并通过换热吸收过程中释放的显热和潜热，将烟气温度降低至露点温度以下，以此提高注汽锅炉来水温度、降低注汽锅炉排烟损失和尾气排放量，达到提高注汽锅炉热效率，节约生产成本和提高注汽系统管理水平的目的。

锅炉冷凝热效率注汽系统管理水平

1　现状

高升采油厂现有注汽锅炉18台，2000年以前投产12台、2000年以后投产6台，年承担注汽量60×104m3。

由于锅炉使用年限较长，对流段翅片管吸热能力逐年变差，2014年注汽锅炉平均热效率86.8%，排烟温度181℃（见表1）。按排烟温度每升高15℃，锅炉热效率降低1%，排烟热损失占锅炉热损失的91%。若烟气温度降低100℃、锅炉热效率可提高7%、年注汽量60×104t计算，年节约燃料气420×104m3，天然气单价3.18元/m3计算，节约成本1 335.6万元。

现有注汽锅炉烟气余热利用技术采用的是在原有管式换热基础上增加翅片，用空气吸收烟气中的热量［1］，由于加热介质为空气，介质比热远低于水比热（空气1 kJ/kg·℃、水4.2 kJ/kg·℃），吸热能量有限，注汽锅炉热效率提高有限。

2　锅炉热效率分析

锅炉燃烧遵循能量守恒，即燃料输入能量（Qr）=锅炉有效利用热量（Q1）+锅炉热损失热量，其中锅炉热损失分为排烟热损失Q2、化学不完全燃烧热损失Q3、机械不完全燃烧热损失Q4、散热损失Q5和灰渣物理热损失Q6。对于1台燃油或燃气的油田注汽锅炉Q4值和Q6值为0，锅炉正常运行时，燃烧可视为完全燃烧，化学不完全燃烧热损失数值存在但很小，可忽略不计。而且对于同台锅炉Q5值基本维持不变，大约在1.4%左右。因此注汽锅炉热损失主要为排烟损失，而且排烟热损失受排烟温度和排烟体积决定。经计算，燃气燃烧时锅炉热效率提高值同排烟温度符合以下曲线规律（见图1）。

图1　排烟温度同锅炉热效率提高值关系曲线

从图1可知，锅炉热效率同排烟温度呈非线性关系，其中高于露点温度时为直线关系、低于露点温度时为曲线关系，整体表现为排烟温度降低锅炉热效率提高，且当排烟温度低于露点温度时，锅炉热效率随排烟温度降低明显提高。排烟温度高于露点温度时，排烟温度由200℃降低至露点温度阶段，效率提高6.7%，即烟气温度每降低21.3℃，效率提高1%；排烟温度低于露点温度时，排烟温度由40℃降低至20℃时，热效率提了4.09%，即烟气温度每降低4.89℃，效率提高1%。

因此，可通过各种技术手段使注汽锅炉排烟温度降低至露点温度以下，以进一步提高注汽锅炉热效率。

表1　2014年注汽锅炉测试数据

3　技术改造

采用烟气冷凝式利用技术，即在满足注汽锅炉安全生产和操作方便的前提下，利用高温烟气加热锅炉低温来水，并通过加强换热将烟气温度降低至露点温度以下，锅炉来水吸收过程中释放的显热和潜热，达到提高注汽锅炉热效率的目的［1］。

3.1节能装置

烟气余热冷凝节能装置，在厂活动注汽锅炉参数要求的基础之上进行改造，主要换热部分为独特的板纹式换热结构，强化受热面传热过程，在保证换热效果的前提下控制设备安装后增加阻力在100 Pa以内（见图2）；节能装置内部和外部均采用防腐绝热材料，内壁面耐温高于100℃、外壁面耐温低于100℃；根据柱塞泵耐温和注汽锅炉炉膛压力值，控制节能装置烟气通量，来确保系统的安全运行。

图2　活动注汽锅炉节能装置结构示意图

3.2数据计算

活动注汽锅炉燃烧器型号为6131-ICCR/ x6099，燃烧器风机型号为离心式25HP30 kPa，排烟最高温度220℃、最低温度120℃，实际排量5.5～9 m3/h，柱塞泵来水温度上限78℃。节能设备安装后进行增加阻力和节能参数2项进行模拟计算，以实现在节能设备安全使用的情况下（增加阻力控制在100 Pa以内）来提高注汽锅炉热效率［2］。

1）排烟温度160℃时、阻力增加91.875 1 Pa，排烟温度220℃时、阻力增加93.334 2 Pa，均满足标准要求100 Pa以内。

2）在来水温度15℃、空气过剩系数1.15、模拟不同排烟温度和排速下，节能和减排情况，见表2。

从表2可以看出，排量7 m3/h、排烟温度160℃、来水温度15℃情况下，出口烟温79.35℃、出口水温56.77℃、节能率7.92%、CO2减排79.73 kg/h、冷凝液析出186.6 kg/h；排烟温度220℃、来水温度15℃情况下，出口烟温91.47℃、出口水温61.46℃、节能率8.81%、CO2减排88.67 kg/h、冷凝液析出193.2 kg/h，排量8 m3/h、排烟温度160℃、来水温度15℃情况下，出口烟温79.54℃、出口水温56.52℃、节能率7.87%、CO2减排90.56 kg/h、冷凝液析出204.5 kg/h；排烟温度220℃、来水温度15℃情况下，出口烟温89.63℃、出口水温58.57℃、节能率8.26%、CO2减排95.03 kg/h、冷凝液析出210.6 kg/h。

结合厂注汽锅炉运行情况，对使用频次高的2台活动注汽锅炉进行节能设备安装，依据现场使用情况对节能装置及工艺流程进行优化处理，增加炉膛压力报警，以防由炉膛压力偏高造成的安全隐患；增加柱塞泵入口水温超温报警，确保柱塞泵使用安全。

表2　节能率模拟计算

4　效益评价

1）经济效益。经局节能监测处测试，注汽锅炉排烟温度由170℃降低至87.9℃、锅炉热效率由87.9%提高至94.9%，提高7%。设注汽锅炉改造前燃气单耗为73 m3/t，改造后注汽单耗为67.62 m3/t、燃气单耗降低5.38 m3/t。年承担10×104m3注汽量的2台活动注汽锅炉年节约燃料气53.8×104m3、创效171.084万元（天然气单价3.18元/m3）。

2）社会效益。通过实施烟气冷凝余热技术后，节约了天然气用量，减少了温室气体排放量。同时冷凝出的水对氮氧化合物也有很好的溶解作用，减少污染物的排放。

5　结论

通过开展烟气冷凝式余热利用技术分析与应用，在保证锅炉安全运行的前提下，提高了注汽锅炉来水温度、降低了注汽锅炉排烟损失和尾气排放量，有效的节约了生产成本，提高注汽系统管理水平。

1）明确计算燃烧天然气情况下烟气中水蒸汽汽化潜热量、过量空气系数同烟气中水蒸汽露点温度的关系，为烟气冷凝式余热技术应用和对流段入口水温控制提供科学依据。

2）科学分析烟气中冷凝液质量和冷凝率，并采用模块化设计理念，通过多种技术手段强化传热，将烟气温度降低至露点温度以下，来回收烟气中的显热和潜热，同时控制增加烟道阻力在100 Pa以内。

3）工艺安装过程中将炉膛压力和柱塞泵入口水温作为设备启停的报警项，确保注汽锅炉安全和柱塞泵的正常使用。

［1］李慧君，王树众，张斌，等.冷凝式燃气锅炉烟气余热回收可行性经济分析［J］.研究与开发，2003（2）：1-4.

［2］孙金栋，李孝萍，贾力.烟气冷凝换热过程分析［J］.北京建筑工程学院学报，2001，17（3）：23-26.

2020年前清洁能源消费比例将超17%

2015年9月22日，2015第五届能源高层对话举行，国务院国有重点大型企业监事会主席赵华林在出席活动时预计，2020年前清洁能源消费比例将超过17%。

赵华林说，经过长期发展，我国已成为世界上最大的能源生产国、消费国，形成全面的能源供应体系，技术装备水平明显提高，生产、生活用能条件显著改善。虽然我国能源发展取得巨大成绩，但面临着能源供给制约较多、能源生产和消费对生态环境损害严重、能源技术水平总体落后等挑战。

赵华林说，“十二·五”期间，我国第一次出现能源消耗量下降，能源消耗与经济发展脱钩的趋势显现。预计，煤炭消费的峰值可能在2020年前到来，清洁能源比例将超过17%。无论是产能企业还是用能企业，无论是化石能源还是清洁能源生产企业，都必须考虑新常态带来的机遇和挑战。我们必须从国家发展和安全的战略高度，审时度势、借势而为，顺应能源大势，务实推进一带一路合作，加大油气资源勘探开发力度、油气储备设施建设、完善能源应急体系和能力建设。

胡庆明

10.3969/j.issn.2095-1493.2015.11.011

2015-04-22）

周兵，工程师，2006年毕业于大庆石油学院（石油工程专业），从事油田集输系统生产运行管理工作，E-mail：zhoubing19750810@126.com，地址：辽宁省盘锦市辽河油田高升采油厂集输大队，124125。