注汽锅炉节能技术论文

1从燃烧学角度出发的技术对策

从燃烧学角度而言，提高锅炉热效率的基本原则就是采取措施改善燃烧效果，如强化燃油雾化、合理配风，使燃料与空气充分混合，避免或减少燃料在高温条件下生成碳黑和重质碳氢化合物。

1.1优化燃料结构改燃油为燃气

1997年陕甘宁天然气历经860多公里进京工程，标志着我国开始大力发展天然气事业。限于当前我国能源结构和生产能力，工业生产用能源多是煤，石油石化企业用能源也以煤、石油为主。经济性上，使用煤的成本比石油低，石油的成本比天然气低，但是就节约性和低碳性而言，石油和天然气远比用煤节省。采用天然气替代煤、石油作为工业能源具有美好前景。对原有注汽锅炉进行系统结构改造，改燃煤、燃油为燃气。注汽锅炉使用不同燃料的能源消耗情况。采用燃气装置后，可大大提高锅炉炉膛燃烧温度，而且安全性能和自动化技术程度高、运行成本低、维修方便、易操作。最大优点是采用燃气方式后，燃料不完全燃烧几乎可以忽略，无污水排放，烟气排放量相对燃油降低幅度可达25%。

1.2优化燃烧方式采用富氧燃烧

提高煤、石油燃料的燃烧效率通常需要考虑两个方面因素，要有适当过量的空气及燃料与空气要充分混合，富氧燃烧技术（简称OEC）即是利用高氧含量空气做助燃剂提高燃烧效率的。富氧燃烧技术主要特点如下：

（1）燃烧速率加快，火焰温度、强度提高，优化了传热效果。富氧助燃火焰强度增加，燃烧剧烈，不仅增强传热，而且使燃烧更为完全，消除黑烟产生，同时减少了污染物排放；

（2）降低燃点的温度：燃料的燃点不是一个常数，例如一氧化碳在空气中燃点为609℃，氧浓度为100%时则为388℃；

（3）低空气系数，减少燃烧后的烟气量：普通空气作为助燃剂，使得占79%的N2不仅不能助燃，而且还带走了燃烧产生的大部分热量，降低了热效率，而氧浓度为27%与普通空气比较，烟气体积减少了20%，促进了热效率的提高；

（4）提高氧浓度、空气消耗减少：氧分布更加广泛，因此缺氧“盲区”很少存在，促进了燃料的充分燃烧、合理燃烧。目前国内油田行业富氧制取方法最常用的是膜法富氧技术。不同粒径分子的混合物在通过半透膜时，氧气和氮气的透过速度不同，氧气透过膜的速度要比氮气快2~5倍，这样就可在单位时间内得到更多的氧，而氮的含量降低。随着膜法富氧技术的发展，富氧技术日趋成熟，效益的提高及在生产中的广泛应用，成本逐渐降低，推广也更加广泛可行。

1.3采用新型燃烧器

国内注汽锅炉主要引进国外燃烧器，基本上使用北美燃烧器，其结构紧凑，成本低，便于管理与使用。采用压力式蒸汽雾化燃烧。但随着开采油质性质的改变，北美燃烧器已不能适应超稠油的性质，燃烧不完全，污染环境，热效率大幅降低。由此，采用转杯式雾化的扎克燃烧器被广泛引进应用在稠油热采的注汽锅炉上。其雾化效果好，燃烧充分，热效率高，对环境污染小等。

1.4强化燃油雾化

为减少油田注汽锅炉燃料消耗，现引进莫尔节能技术。莫尔节能技术是采用莫尔液为催化剂，经过高度雾化与燃料气体混合，在其金属化合物有效催化下，燃料小颗粒间隙增大、变得松散，而且能增大燃料与助燃剂的接触面积、提高燃料活性、促进燃料完全燃烧。在促进燃料完全燃烧同时可有效减少积碳和结焦化物的生成、增加锅炉排管传热系数，实现锅炉热效率提高和燃料单耗的降低。从实验结果分析可知，在达到最佳工况下工作，锅炉注汽的单耗值随使用时间呈逐渐下降趋势，最大降幅6%。根据实际勘测结果分析发现，NOx排放指标下降幅度较大，均为20%以上，其他如SO2含量亦有不同程度降低。在实际测试中，平均节能热效率可提高4%~5%。燃油锅炉单耗上，由实验数据测得锅炉单耗可由61.40kg/m3降低为59.69kg/m3，达到了2.78%的节能率，按照3372.92t/（台•a），计算可有93.77t/a，按照石油价格3000元/t，则每台年节约成本28万元以上。当前我国正在大力发展高效能源利用模式，莫尔技术能够达到节能环保要求，并能提高经济效益，具有广阔的应用前景。

2从传热学角度

提高注汽锅炉热效率的基本原则是延长烟气在锅炉内停留的时间，强化烟气与工质之间的传热，减少炉墙外壁与环境之间的传热，降低散热损失。

2.1采用新保温材料、新砌筑技术

采用新保温材料和新砌筑技术对炉体进行改造，增强传热效果，减少热损失，可有效提高锅炉热效率。

（1）采用高温红外辐射涂料技术：众多油田企业在锅炉炉墙内壁采用高温红外辐射涂料技术用于提高炉墙辐射能力，强化炉内换热。高温红外辐射涂料技术是将涂料涂在高温侧壁面，通过改善炉内的热交换形式及高温条件下涂层自身的红外辐射，使炉膛内温度场场强增大，提高燃料燃烧的充分性、均匀性，以达到提高锅炉热效率的技术。涂料涂层在高温辐射下，自身释放出极强穿透力的红外线，激发燃烧室的分子发生能级跃迁，客观上减少燃烧时间，提高热效率。根据材料特点，产品具有耐高温、耐腐蚀、高置换率、良好的辐射和强热辐射性能等特点，同时安全环保、节能高效，符合节能性要求。试验表明，该技术具有明显的节能效果，锅炉烟气温度排放由230℃降到219℃，锅炉外壁面平均温度由80℃降至55℃，排烟热损失约10.1%，锅炉散热损失是1.6%，锅炉运转效率提升2.7%，节油可达4%。

（2）气凝胶炉体降温技术：气凝胶又名干凝胶，当凝胶失去大部分溶剂时，此时凝胶的形状体积内部充满气体，仅外表呈现为固体状，称之为气凝胶。失去溶剂后的气凝胶形成了其特有的纳米多孔、空间网络结构，具有良好的膨胀作用、触变作用、离浆作用，在声、光、热、电各方面性质优异，可在这几方面充分发挥其良好性能。气凝胶纳米多孔的固体状性质，作为热学性质应用在限制固态传热和气态传热具有重要意义。当热流体流过时，流体要穿过数以万计的纳米孔隙，在路线无规则变化的空隙中流动，类似于流体穿过无限长的路径，大大提高了导热热阻，增强了绝缘效果。气凝胶运用在注汽锅炉炉墙绝热时，锅炉热效率平均提高2.2％，假设锅炉注汽量为50000m3/（台•a），消耗天然气按75m3/(m3石油)计算，采用该技术后可节省天然气50000×75×2.2％=82500m3。天然气以工业价格2.50元/m3计算，年节约天然气支出30多万元，相比于安装气凝胶设施成本，节约效果仍然可观。

（3）高铝纤维定型绝热砖砌筑技术：它是把高铝纤维经过一定处理，加工成高铝纤维小块，然后利用耐高温胶等材料技术将高铝纤维小块附在炉膛内壁，形成一个牢固的绝热层。其特点具有坚固、抗冲刷、密度大、保温层薄，为炉膛内燃料燃烧的热交换和热辐射过程提供足够的空间。实践证明，高铝纤维保温层保温效果好，耐用，能够使锅炉热效率提高2%~3%。

2.2优化对流段结构，定期清灰

注汽锅炉产能大，损耗比较严重，经过一定使用年限后，锅炉必然会出现各方面的老化问题：锅炉内表面物质性状发生改变、对流段存在积灰，导致锅炉注汽参数不稳定、可控性下降，而且不能达到保温要求，不能保证内部辐射传热、对流传热的高效运行，最终降低了锅炉热效率。对锅炉内部结构适当修复，提高内部对流换热和热辐射能力，减少透过锅炉导热引起的热损失，可大大提高锅炉热效率。采用对流翅片管清洗除灰即是改变锅炉对流段受热面的结构，从而提高热效率的。类似的还有针形管、光管的清洗除灰。以翅片管为例，为了提高换热效率，在锅炉的高温烟气工况下，利用套装翅片的换热元件，增大管道与烟气高温环境的接触，以提高工质的吸热效率。但是经过长久的使用，翅片表面积灰严重，有可能导致翅片管本身功能失效，且影响内部工质吸热效果，反而成为降低热效率的原因之一。因此及时有效的清洗翅片积灰，对于增强烟气与工质的热传递效果，保证热量的有效利用起着重要作用。

3从热力学角度

提高注汽锅炉热效率的基本原则就是尽量减少锅炉的热损失。

3.1对锅炉尾部烟气实现自动控制

燃料燃烧中，可能因为空气系数较大，锅炉燃烧状况不佳，甚至出现黑烟情况，排烟热损失严重影响到锅炉热效率，此时就需要将空气系数控制在一定范围内，采用烟气自动控制技术，可以有效控制排烟损失问题。注汽锅炉的工况调整主要靠工作人员肉眼观察火焰形态、颜色，实际生产中，为避免出现冒黑烟的情况，人们常采用加大通风量的办法以弥补，但是造成了空气系数过大的情况，影响了锅炉热效率，实际测得烟气含氧量约为5%，空气系数约为1.31。在不同工作状况下，锅炉空气系数需要控制在一定范围内，将排烟损失降到该状况下最小值，以达到环保节能的目的。烟气含氧量自动控制技术需要在锅炉中安装烟气氧含量控制分析仪，分析空气系数，通过调节空气量提高锅炉热效率。根据实验测试数据报告表明，运用烟气含氧量自动控制技术锅炉热效率平均可提高0.95%。

3.2充分利用空气预热器等附属装置

注汽锅炉的排烟温度一般在200℃左右。以往油田主要利用烟气余热预热注汽锅炉给水，取得了较好的节能效果。但近年来某些油田企业为有效利用油田污水，将污水回注锅炉，受柱塞泵给水温度（≤65℃）要求的限制，这种余热利用方式无法得到更好的节能效果。在此情况下将排烟预热助燃空气，既降低了排烟热损失，又提高了锅炉热效率。目前注汽锅炉尾部增设的空气预热器一般采用热管传热技术，即利用由管壳、端盘和吸液芯组成的热管在烟气中吸热，内部工质蒸发吸热，到热管冷侧凝结散热。由于传热性能好，且热管中相变传热的特殊性，可高效回收热量，提高热量回收率，进而提高锅炉热效率。工业应用中，考虑到成本问题，常常采用重力热管，即在热端工质吸热蒸发到冷端，在冷端蒸汽凝结沿多孔材料靠毛细力的作用回到热端，如此往复，在实际生产中，这一过程可瞬时完成，效率极高。热管空气预热器在应用试验中达到预定效果，按照排烟热损失对锅炉热效率影响，烟气温度每升高20~25℃，锅炉热效率即降低1%，应用烟气余热回收装置后，一台23t/h的油田注汽锅炉年减少消耗19.2万m3天然气，两年可节约资金将近40万元，减少废气排放量500多万m3。

4结语

围绕目前油田注汽锅炉常用节能技术，从燃烧学、热力学、传热学三方面进行探讨。从燃烧学角度，注汽锅炉使用燃料由燃油转向燃气，燃烧方式由常规燃烧方式转向富氧燃烧，燃烧器依据燃油性质进行改变，由北美燃烧器转用扎克燃烧器；从传热学角度，采用高温红外辐射涂料技术、气凝胶炉体降温技术、高铝纤维定型绝热砖砌筑技术等新型保温材料、新砌筑技术降低炉墙外壁的传热，降低散热损失，提高锅炉热效率；从热力学角度，锅炉尾部增设烟气回收装置有效利用烟气余热，降低排烟热损失，进而提高锅炉热效率。同时结合工业生产实践探讨了各种节能技术带来的实际效益。另外，我国在燃烧器方面存在不足，目前国内使用的大都是国外燃烧器，国产化燃烧器的研究与应用较少，缺少成熟的技术成果，这是急需解决的问题。

作者:崔志强王春华陈泽弘单位:辽宁石油化工大学