注汽锅炉烟气冷凝技术方案

注汽锅炉烟气冷凝节能工程技术方案一．前言在热能工程领域中计算锅炉的热效率都是用燃料的低位发热量来进行计算的，国外也是如此，如果按燃料的高位发位量来计算锅炉的热效率，则100%的热效率是不可能达到的（能量守恒）。一般来说，热效率100%以上的锅炉在常识上虽然难以理解，但如果将烟气中的水蒸汽凝结潜热利用起来，并且排烟温度降低得足够低，排烟损失很低的情况下，锅炉的热效率会提高到100%，甚至超过100%。现在国外出现的利用高效的冷凝换热器和空气预热器来吸收锅炉尾部排烟中的显热和水蒸汽凝结所释放的潜热，从而达到提高锅炉热效率的冷凝余热回收锅炉。冷凝式锅炉发轫于欧洲。德国、荷兰、英国、奥地利等国家于上世纪70年代，开发家用冷凝式锅炉，到80年代末期90年代初期，韩国率先将冷凝式锅炉应用在大中型工业锅炉上，冷凝式锅炉除了具有传统锅炉的共性之外，更是制热机理的大胆革命与突破。在一些能源利用率较高的欧美国家，燃气冷凝式余热回收的热水锅炉其热效率高达103%以上，此外在烟气中的CO2和NOx等有害成份也大大降低，这对环保来说是非常有利的。在欧美等国，由于政府鼓励使用冷凝锅炉，所以需求量不断增加，冷凝锅炉的使用率瑞士60%、荷兰50%、德国20%、奥地利（20%）、英国（15%）。国内通过特殊的换热器结构形式，吸收尾部排烟中的显热和水蒸汽凝结所释放的潜热的冷凝式燃气热水器，其热效率已提高到105%，达到了当今国际水平。冷凝式燃气热水器在国内的推广刚刚起步，但是他的市场潜力是非常大的。而在发达国家冷凝式燃气热水器约占热水器（炉）总产量的15%以上（个别国家达到95%）。二烟气冷凝余热回收在稠油热采中的潜力油田稠油开采已有20余年，现趋向于特、超稠油的开采，而蒸汽辅助重力泄油是较成熟的手段，因此油田用热力采油湿蒸汽发生器（注汽锅炉）作为生产高温、高压蒸汽的特种设备，在油田稠油注采设备中起重要作用，同时也是稠油开采的耗能设备，其能耗占开采总成本的60%以上。目前，针对提高湿蒸汽发生器的热效率采取了一些措施，主要包括控制空气过剩量来减少排烟热损失、改善辐射段的传热效果和通过SGR-Ⅱ型热管换热器来回收烟气部分显热达到提高热效率的目的。考虑到燃油时烟气尾部受热面的低温腐蚀，没有加装SGR-Ⅱ型热管换热器排烟温度控制在190℃左右，加装SGR-Ⅱ型热管换热器排烟温度控制在140℃左右。而燃用天然气的的湿蒸汽发生器，由于天然气中含硫量很少，低温腐蚀可以忽略，当烟气温度降到烟气中水蒸气露点温度以下时，将释放出大量的汽化潜热，这一部分汽化潜热如果得到合理的利用，将对湿蒸汽发生器热效率的提高有着重要的意义。三天然气的燃烧特性天然气的主要成分是烷烃中的轻组分，基本由甲烷CH4(82%～98%)和不多的乙烷C2H6(6%)、丙烷C3H8(1.5%)和丁烷C4H10(约1%)组成。一般油、气田的天然气中的甲烷含量差别相当大。新疆油田公司所产天然气中甲烷体积百分含量94％～80％。CH4+2O=CO2+2H2O+热量由天然气燃烧化学方程式看出，每燃烧1Nm3的天然气大约产生2Nm3的水蒸气，水蒸气的汽化潜热大约为燃气低热值的11%。这意味着当燃气燃烧每提供100KW显热时，同时也提供了11KW的潜热，而且，这部分热量无论是否被利用总是在是存在。在排烟温度较高时，水蒸汽不能冷凝放出热量，随烟气排放，热量被浪费。同时，高温烟气也带走大量显热，形成较大的排烟损失。四方案提出目前新疆油田燃气的注汽锅炉的在没有加装SGR-Ⅱ型热管换热器的排烟温度一般都在180-200℃之间，烟气中的水蒸汽仍处于过热状态，不可能凝结成液态的水而放出汽化潜热。众所周知，锅炉热效率是以燃料低位发热值计算所得，未考虑燃料高位发热值中汽化潜热量的热损失。因此传统锅炉热效率一般只能达到80%-90%。以天然气为燃料的湿蒸汽发生器烟气中水蒸汽容积成分一般为16%-19%，锅炉热效率均以低位发热量计算，尽管名义上热效率较高，但由于天然气高、低位发热量值相差11%左右，实际能源利用率尚待提高。为了充分利用能源，降低排烟温度，回收烟气的物理热能，当换热器壁面温度低于烟气的露点温度时，烟气中的水蒸汽将被冷凝，释放潜热，10%的高低位发热量差就能被有效利用。如果在注汽锅炉的尾部加装高效的冷凝换热器和空气复合换热器来吸收锅炉尾部排烟中的显热和水蒸汽凝结所释放的潜热，把排烟温度降低到50-70℃之间，不仅充分回收了烟气中的显热和水蒸汽的凝结潜热，也把烟气中的CO2和NOx等有害成份也大大降低，这从环保角度来说也是非常有益的。四方案介绍考虑到在烟气冷凝过程中平均温差的影响，空气过剩系数尽可能的降低，从而提高烟气中水蒸汽的露点温度，来提高平均温差。另一个影响平均温差的因素是冷却介质的温度，冷却介质温度越低，平均温差越大，冷凝效果越好，因此，采用注汽锅炉的给水作为冷凝换热的冷却介质，而烟气显热的回收可以采用助燃空气作为冷却介质，高温的助燃空气有利于燃料的燃烧，还可提高辐射段的炉内温度，利于辐射换热。针对油田注汽锅炉燃烧洁净能源天然气的状况，在锅炉的尾部装空气复合换热器和烟气冷凝换热器，如下图所示。图1烟气冷凝换热流程简图空气复合换热器把锅炉烟气从190℃降到100℃（不出现冷凝），空气温升120℃，冬天空气温度可以从0℃加热到120℃，夏天空气温度从40℃加热到160℃，回收烟气的显热。加热的热空气经燃烧器送入炉膛。在夏天最高温度可能达到160℃以上，现用的北美燃烧器不能适应这么高的温度，需要更换工作温度更高的燃烧器。最佳选型为奥林燃烧器，其最高温度可以到250℃。奥林是欧洲燃烧器著名品牌，奥林集团机构成立于1961年，总部位于芬兰Lahti,在全球二十多个国家设立了代表处或分公司。生产功率在17至63000KW范围内的油，气和双燃料的燃烧器。产品已销往欧洲，亚洲，南，北美洲和一些非洲国家。奥林拥有欧洲最现代化的研发中心，每年营业额的5％用于研发，与欧洲著名学府倍雷斯大学共同开发出模拟燃烧软件。奥林中国代表处位于江苏无锡，拥有现代化和设备齐全的客户服务培训中心以及庞大的物流中心，为中国境内客户提供有力的技术和售后保障。2007年中国燃烧特种设备检测中心在上海成立，奥林燃烧器是中国首家通过测试的燃烧设备。奥林燃烧器具备以下技术性能和特点：1)整机进口，每台出厂前必须进行燃烧试验2)低噪音设计，最高不超过85分贝3)抗背压能力强4)可使用低热值低供气压力的气体5)火焰检测均采用紫外火检，无离子探针6)分体式可使用热空气助燃，最高到250℃7)涡流式燃烧头可以缩短最大25％的火焰长度8)功率范围广，10KW-63MW9)均采用摇臂式连接，方便维护10)所有配件都采用知名品牌，采购方便11)可根据油田用户个性需求定制合理的燃烧方案本方案可选用奥林GP-ME热风型燃烧器作为配套燃烧器,如下图:热风型燃烧器工作原理图如下:燃烧效率提高如下图:特点:●超强调节比,最大可达1:7●独特的热空气设计,可使用250℃助燃空气.●独特的空气分配箱设计,燃烧更稳定●可配备智能控制装置助燃空气风机热交换器废气锅炉燃烧器助燃空气最高温度250°C奥林燃烧器精细化燃烧智能控制系统:奥林热风型燃烧器新疆油田应用:0,0%1,0%2,0%3,0%4,0%5,0%6,0%7,0%8,0%9,0%020406080100120140160180200CombustionairpreheatingDt[°C]助燃空气加热Dt[°C]Efficiencyimprovement%提高效率烟气高效冷凝换热器可以把烟气从100℃降到70℃--50℃，回收烟气的潜热。该换热器采用逆向对流换热，。即烟气流动方向与冷却水流动方向相反，具有很高的对流换热系数。可以有效地降低排烟温度。下部设置了冷凝水收集箱及排放口,及时将产生的冷凝水排出，排入下水系统.冷凝水为弱酸性，天然气冷凝水的PH值实测为一般为5.9-6.2.五项目工作量5.1增加设备使用单位:采气一厂稀油处理站改造前排烟温度:354℃改造后排烟温度:170℃燃烧器供风温度:160℃使用单位:石西油田石南四处理站改造前排烟温度:220℃改造后排烟温度:100℃燃烧器供风温度:90℃（1）空气复合换热器，（2）高效的冷凝换热器（3）奥林燃烧器（4）引风机5.2现场工作量（1）增加设备的安装（2）加热助燃空气的风管制作安装（3）软水管线焊接（4）燃烧器的更换六烟气冷凝项目经济效益分析为了回收烟气中的水蒸汽的潜热，必须把烟温降到露点温度以下。因此，在回收利用潜热前，先通过空气复合换热器吸收烟气显热，降低烟气温度。6.1烟气显热的回收不同空气过量系数α下的回收显热提高的热效率图。0123456786080100120140160烟气温度（℃）提高热效率（﹪）α=1.1α=1.2α=1.3α=1.4图2回收显热提高热效率图（效率提高以180℃的排烟温度的热效率为基准）6.2烟气的潜热回收下表列不同空气过量系数⊿α，随着烟气温度的降低烟气冷凝换热提高的热效率。表1回收延期潜热提高热效率表烟气冷凝换热提高热效率图0.001.002.003.004.005.006.007.008.009.0010.003035404550烟气温度（℃）提高热效率（﹪）α=1.1α=1.2α=1.3α=1.4图3回收烟气潜热提高热效率图6.3节能计算在锅炉的尾部装空气复合换热器和烟气冷凝换热器，进行烟气余热回收后，烟温从190下降了70℃左右，锅炉热效率提高12%左右。以现场23T/h油田注汽锅炉烧油为例，根据η=Qg/BjQr按锅炉实际负荷运行B=1350Nm3/h，η=82%ΔB=（Δη/η+Δη）B=172Nm3/h按1.3元/标方，油田注汽锅炉每天节约172×24×1.3=5377元假定锅炉运行时率为90%，烟气冷凝余热改造工作后，每台23T/h油田注汽锅炉每年可节约资金：365×0.9×5377=176.6万元六结论目前新疆油田注汽锅炉主要以燃用天然气为主，针对有条件实施烟气冷凝技术的注汽锅炉进行节能改造，技术可行，而且环保社会效益与节能经济效益双赢。