过热注汽锅炉烟气余热回收节能技术研究及应用

刘建桥 王飞 卢新萍 宫毓阳 李扬（克拉玛依红山油田有限责任公司）

红003 井区采用过热蒸汽注汽提高超稠油的采收率，但蒸汽燃用天然气单耗高，迫切需要提高燃料利用水平。以天然气为燃料的锅炉，宜采用半冷凝或者全冷凝尾部热交换装置，回收烟气中的热量[1]。由于天燃气的硫含量较低（小于20 mg/m3），给水温度10～40 ℃，排烟温度在100～140 ℃，具备利用冷凝技术回收烟气中水蒸气汽化潜热的条件[2]。

1 天然气和烟气特性分析

1.1 天然气组分

红003 井区使用天然气中甲烷体积百分数92.31% ， 乙 烷 体 积 百 分 数4.06% ， 发 热 量 约35 000 kJ/m3（标况）。101.325 kPa，20 ℃条件下，经天然气燃烧特性计算[3]，1 m3天然气产生的水蒸气要带走的热量占11.04%，锅炉的极限热效率可达到110.766%。当空气过量系数取1.15 时，水蒸汽占烟气的容积份额达到18%，烟气热力学平衡水露点温度为55.4 ℃。

1.2 烟气显热

不同烟温，不同空气过量系数的烟气的显热热焓如图1。

烟气温度越高，过量空气系数α 值越高，烟气热焓值越高。因此，应合理控制烟气氧过剩量，降低烟气温度，以提高锅炉热效率。

图1 烟气显热热焓

1.3 烟气潜热

不同烟温，不同空气过量系数的烟气的潜热热焓如图2。

图2 烟气潜热热焓

由图2 可知，为了回收烟气中的水蒸汽潜热，必须把烟温降到露点温度以下。

2 烟气热焓回收

2.1 烟气显热回收

不同空气过量系数下，随着烟气温度降低，提高烟气显热冷凝热效率，如图3。

图3 回收烟气显热提高热效率

当烟气温度在同一温度时，空气过量系数越大，提高的热效率越大，回收的热量越多， 但是需增加换热面积。烟气显热回收利用中，通过对空气过剩量的控制，可以提高回收系统的效率。

2.2 烟气潜热回收

不同空气过量系数下，随着烟气温度降低，提高烟气潜热冷凝的热效率，如图4。

图4 回收烟气潜热提高热效率

随着烟气温度的降低，烟气冷凝换热提高的热效率增加。同一温度下，空气过量系数越小，提高的热效率越大。

2.3 天然气燃烧效率提高的潜力

一般来说，排烟中的水蒸气潜热在60 ℃以下才能得到回收[4]，排烟温度与天然气烟气利用率的关系，如图5，锅炉热效率的提高分为两个区域，烟气露点温度随着过量空气系数的增大而降低。

图5 排烟温度与天然气烟气利用率的关系

相同过量空气系数条件下，排烟温度从100 ℃降至60 ℃时，天然气烟气利用率变化缓慢，此段主要回收烟气显热；当排烟温度由60 ℃降至20 ℃时，烟气利用率突然增大，明显变化，此段以回收烟气潜热为主。可见烟气中水蒸气的潜热大于显热。

回收烟气显热与潜热与提高热效率的关系，如图6，燃料完全燃烧，实际空气过量系数需在1.1～1.14。

图6 回收烟气显热与潜热提高热效率

取空气过量系数α=1.1，烟温60 ℃时，可提高热效率6 个百分点。

2.4 影响冷凝换热的因素

影响冷凝换热的因素是平均温差、换热面积和传热系数。冷却介质的温度越低，则平均温差越大。空气过量系数越小，烟气中的水蒸汽的露点温度越高，提高露点温度，冷凝容易发生。冷凝换热面积越大，换热量越大，采用翅片可增大换热面积。采用较薄的换热管壁厚，提高烟气流速可以强化冷凝传热，从而提高烟气冷凝传热系数[5-6]。

3 烟气冷凝改造技术

过热注汽锅炉加装烟气冷凝装置有两种形式，一是带引风机的长烟道低位烟气冷凝装置，如图7所示。另一种是高架短烟道烟气冷凝装置，如图8所示。

3.1 烟气冷凝装置的设计与布置

烟气冷凝装置为模块化设计，烟气冷凝换热采用间壁式逆向对流换热器，烟气流动方向与冷凝介质流向相反，提高换热效果，为便于冷凝水及时排出，烟气流动方向与冷凝水流向相同。换热管采用碳钢覆铝技术，复合管传热性能比普通翅片管高出2 倍以上。

长烟道设计在原锅炉烟囱上用三通引出独立烟道系统，并增设11 kW 引风机，炉膛压力大约为400～500 Pa。新增烟道入口阀与原烟囱新增烟气排出阀联动工作，二者始终处于一开一关状态。当冷凝装置发生故障时，可切除冷凝装置维护，而不影响锅炉继续运行。短烟道烟气冷凝器增加的阻力损失不到100 Pa，炉膛正常压力在500 Pa 左右，相比于长烟道设计，将低位冷凝器安装改为高位冷凝器安装，省去了引风机和高烟囱，占用空间小，且生成在传热面上的凝结水可自然排出。

图7 带引风机长烟道烟气冷凝锅炉

图8 高架短烟道烟气冷凝锅炉

烟气冷凝装置烟气侧出口安装有除沫装置，阻止烟囱直接排出冷凝水滴，避免了冬季烟囱下四周结冰。

3.2 鼓风引风协调控制

长烟道冷凝装置的引风机采用变频器控制，克服增加的烟气冷凝换热器的烟道阻力，降低并保持炉膛压力稳定。引风机与工频运转的鼓风机协调工作，保证了锅炉安全燃烧和热负荷分配的稳定性。

3.3 腐蚀与防腐技术

烟气冷凝模块在给水预热器下配有冷凝水箱，冷凝水的pH 值一般为5.9～6.2，直接混入大量弱碱性采出液中，进入污水回用系统。当pH 值小于5.5时可启动加药装置进行中和处理。

低温腐蚀总是出现在水蒸气冷凝之前的温度区段[5]，换热管采用钢覆铝抵抗腐蚀，模拟冷凝水成分配置酸液，在远比实际情况恶劣的工况下，进行腐蚀试验评定和电化学测试，材料腐蚀率仅为0.002 4～0.013 3 mm/a。钢腐蚀率为0.079～0.257 mm/a。

排烟烟囱采用内衬不锈钢结构，解决了锅炉烟囱的酸液腐蚀问题。

3.4 热力参数设计优化

过热注汽锅炉烟气冷凝热力参数按照过量空气系数为1.15 进行计算，季节分夏季和冬季两种工况，给水分清水软化水和清水软化水与油田污水混合后的掺混水，具体见表1。

表1 烟气冷凝改造热力计算参数

给水出口温度的确定为70 ℃，排烟温度最低44 ℃，改造前燃气单耗为86 m3/h（标况），相同条件下，加装烟气冷凝装置改造后燃气单耗最低可以达到79 m3/h（标况）。

3.5 改造效果

红003 井对7 台锅炉进行改造后，年节约天然气量454.64×104m3，折6 046.712 t（标煤）。年节约天然气费用843.8 万元。7 台锅炉年减排量：CO2减少8 930 t，SO2减少26.2 kg， NOx减少8.53 t。

4 结论

1） 锅炉增加冷凝装置后，平均热效率为97.2%，提高了5%，燃气单耗平均下降4.8 m3/t。

2）采用高位短烟道烟气冷凝装置的锅炉炉膛压力比长烟道低，火形较好无偏火，无偏烧，结构简单，省去了引风机，节省了电能。

3）烟气冷凝装置换热管采用钢覆铝技术成本低，能够有效应对烟气冷凝水酸性腐蚀。