以熱平衡角度淺析注汽鍋爐富氧燃燒節能效率

朱紅軍，王春華，崔志強，陳澤弘，于慧鵬

（1. 遼寧石油化工大學，遼寧 撫順 113001； 2. 中國石油廣東石化分公司, 廣東 揭陽 515200）

以熱平衡角度淺析注汽鍋爐富氧燃燒節能效率

朱紅軍1，王春華1，崔志強1，陳澤弘1，于慧鵬2

（1. 遼寧石油化工大學，遼寧 撫順 113001； 2. 中國石油廣東石化分公司, 廣東 揭陽 515200）

簡要介紹了富氧燃燒技術在油田注氣鍋爐上的應用及其制取方法；根據已知鍋爐參數和燃料特性計算出正常空氣和富氧空氣燃燒兩種情況下的助燃劑量與煙氣量；從熱平衡角度對富氧燃燒節能效率和燃料節約率進行了理論計算。由計算可知應用富氧燃燒后助燃劑量、煙氣量、燃料消耗量、排煙熱損失均有不同程度的降低；排煙熱損失是影響富氧燃燒節能效率的主要因素，由此提出降低排煙熱損失進而提高節能效率的措施，從而為富氧燃燒技術的應用提供參考意見。

富氧燃燒技術；油田注汽鍋爐；節能效率；熱平衡

富氧燃燒技術又稱作空氣分離技術或煙氣再循環技術，簡單地說富氧燃燒技術就是用比通常空氣濃度大于21%的空氣或純氧氣來代替燃料燃燒所需要的氧化劑，它是一項高效節能的燃燒技術，此技術在冶金工業及熱能工程領域中都有很好的發展前景[1,2]。

富氧燃燒主要有以下三個特點：

（1）以純氧代替空氣作為燃燒的氧化劑來進行燃料燃燒，以便獲得較高濃度的CO2。

（2）為了較好地控制爐內火焰溫度和維持合適的火焰傳熱特性，需要部分煙氣進入鍋爐中進行再循環，以便獲得較為完全的燃燒產物。

（3）在富氧燃燒技術下有利于CO2的捕集和壓縮，以便對燃燒產物CO2的高效利用。

1　富氧燃燒技術在油田注汽鍋爐上的應用

目前國內油田行業最常用的是膜分離技術。簡單說就是指在分子水平上不同粒徑分子的混合物在通過半透膜時，實現選擇性分離的技術。各種不同氣體透過此膜速度不同，氧透過此膜的速度要比氮快2～5倍，這樣就可在單位時間內得到更多的氧，同時氮的含量降低[3-5]。近年來，局部增氧助燃技術和膜分離進行結合，形成新的節能環保技術——膜法富氧助燃技術。膜法分離法是指利用空氣中各組分透過高分子膜時的滲透速率不同，在壓力差驅動下，將空氣中的氧氣富集來獲得富氧空氣的技術；局部增氧降低整體富氧的投資成本，通過富氧噴嘴將富氧噴射到合理的爐內部位，使燃料快速著火燃燒，這樣所配富氧量很少，僅為所需助燃風量的1%～5%，不但節約能源，還能提高鍋爐蒸發量，消除煙塵污染等[3-10]。

目前已經成功應用于油田行業上各種燃油、燃氣和燃煤注汽鍋爐，均具有顯著的經濟效益和社會效益。但目前對富氧燃燒注汽鍋爐節能率說法不一，文章以富氧燃燒注汽鍋爐熱平衡為體系，用理論計算的方法探討富氧燃燒技術在注汽鍋爐上的節能率。

2　富氧燃燒技術的節能效率計算

2.1富氧燃燒燃料燃燒計算

2.1.1基礎數據

（1）注汽鍋爐參數(表2)

表1　注汽鍋爐參數Table 1 Parameters of steam injection boiler

（2）燃料性質

鍋爐用燃料如表2所示。

表2　鍋爐燃料Table 2 Boiler fuel

已知過量空氣系數為[11]：

采用富氧燃燒后，由于氧的濃度增加,煙氣中CO與H2的含量減少,從而使 CO2、H2O、SO2即RO2的含量比例增大, 則α可取較小的值。這里全空氣助燃時，過剩空氣系數為1.1，富氧空氣時，氧氣濃度為30%，過剩富氧空氣系數取1.05。

2.1.2燃料燃燒計算

每千克燃油燃燒所需純氧量、實際空氣量、實際富氧空氣量及燃燒產物量如表3所示。

表3　每千克燃油燃燒所需空氣量及燃燒產物量Table 3 Amount of air and flue gas (per kilogram of fuel)

2.2富氧燃燒節能效率計算

在鍋爐機組穩定運行的熱力狀態下，1kg燃料帶入爐內的熱量、鍋爐的有效利用熱量和熱損失之間有如下的關系[12]：

式中：Qf— 1kg燃料帶入爐內的熱量，kJ/kg；

Q1— 鍋爐有效利用熱量，kJ/kg；

Q2— 排煙熱損失，kJ/kg；

Q3— 化學未完全燃燒熱損失，kJ/kg；

Q4— 機械未完全燃燒熱損失，kJ/kg；

Q5— 鍋爐散熱損失，kJ/kg；

Q6— 其他熱損失，kJ/kg。

對于燃油鍋爐，Q4和Q6均為零。

假設在全空氣燃燒和富氧空氣燃燒兩種情況下，燃油完全燃燒，且鍋爐無散熱損失，即Q3=Q5=0

由此上式可簡化為：

對于燃氣或燃油鍋爐，每千克燃料帶入鍋爐的熱量為：

式中：Qar,net— 燃料收到基低位發熱量，kJ/kg；

Qph— 燃料的物理顯熱，kJ/kg；

Qex— 用鍋爐以外的熱量加熱空氣/富氧空氣時，空氣/富氧空氣帶入鍋爐的熱量，kJ/kg；

Qat— 用蒸汽霧化燃料油時，霧化蒸汽帶入鍋爐的熱量，kJ/kg。

本鍋爐采用轉杯式燃油燃燒器，則 Qat=0，取熱平衡計算基準為20 ℃。

則燃料的物理熱為：

式中：cf—燃料20 ℃至tf的平均比熱容，其值為 kJ/(kg·℃)

tf— 燃料的溫度，℃。

熱平衡計算基準為20 ℃， 則空氣自身的物理熱為零。于是

假設在全空氣燃燒和富氧空氣燃燒兩種情況下，排煙溫度相同，均為180 ℃。

全空氣燃燒排煙熱損失：

富氧空氣燃燒排煙熱損失：

上述兩式中，Vy1、Vy2—分別為全空氣燃燒和富氧空氣燃燒兩種情況下相對應的煙氣量，m3/kg；

cy1、cy2—分別為全空氣燃燒和富氧空氣燃燒兩種情況下相對應的煙氣平均比熱，kJ/(m3·K)。

全空氣燃燒有效利用熱：

富氧空氣燃燒有效利用熱：

富氧燃燒時燃料節約率：

節能效率：

具體計算結果詳見表4。

表4　節能計算結果Table 4 Results of energy-saving

3　經濟性分析

上述計算未考慮化學不完全燃燒熱損失、散熱損失。采用富氧燃燒技術后，化學不完全燃燒熱損失、散熱損失都有所降低，節能率應超過2.4%。對本鍋爐22.5 t/h生產來說，使用富氧燃燒后，每小時可節約用油35.3 kg，年節油量254.03 t（按300天計算），按目前渣油價格4 000元/t，每年節省油費101.61萬元人民幣。

另外配套的電機功率降低，節省了電費。本鍋爐電機功率為30 kW，使用富氧燃燒后，空氣量減少了33%，則鼓風機功率相應減少33%，每年節約用電可達71 280 kW·h，目前按沈陽標準收費，每度電0.53元來計算，每年可省37 778.4元人民幣。

富氧裝置投資額約為33萬元，投資收益遠超過投資額，所以富氧燃燒技術節能效果顯著，值得推廣應用。

4　提高節能效率的措施

由上述計算可知，影響節能效率的主要是排煙熱損失。影響排煙熱損失的主要因素是排煙量和排煙溫度。由此可提出以下降低排煙熱損失的措施，進而提高節能效率：

（1）強化燃燒效果，合理配比一次風、二次風：對于轉杯式霧化燃燒器而言，一次風量越大，油滴越小，霧化效果越好，但由于油霧著火點一般離噴口不遠，過多的空氣供入火焰根部，會破壞著火條件。所以送入的一次風量既要保證足夠大，有一定的限制，一般為15%～20%。二次風也要及時、適量的送入，與燃油良好混合燃燒，當燃燒不好時，出現冒黑煙現象時，會使受熱面掛灰，傳熱熱阻增加，導致排煙溫度升高。

（2）定期對受熱面進行除灰。受熱面結渣、積灰因煙側的傳熱熱阻增大，傳熱惡化使煙氣的冷卻效果變差，導致排煙溫度升高。

（3）加強爐膛和煙道的密封性。避免鍋爐尾部密封破壞，大量冷風進入爐膛，漏風嚴重，使排煙量增加，導致排煙熱損失增加。

5　結束語

由以上計算數據結果表明，在富氧燃燒技術下注汽鍋爐的效率得到了較大的提高，同時燃料的消耗與經濟成本得到了較大的削減，在當今時代，面對能源日趨減少，新型能源開發難度大，投資成本高以及使用效率低等諸多問題，富氧燃燒技術在能源工業領域得到了充分的發展，與此同時在富氧燃燒技術下，燃燒溫度得到了提高，燃燒產物得到高效的利用，增加了可觀的經濟收益。此外富氧燃燒技術不僅僅在能源利用方面有著巨大的突破，同時還符合當今時代發展綠色環保的理念，就目前的能源發展方向來看，富氧燃燒技術在各行各業具有很好的發展前景。

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Energy-saving Efficiency Analysis of Steam Injection Boiler With Oxygen-enriched Combustion Process in the View of Thermal Balance

ZHU Hong-jun1, WANG Chun-hua1, CUI Zhi-qiang1, CHEN Ze-hong1, YU Hui-peng2
（1. Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China；2. PetroChina Guangdong Petrochemical Company, Guangdong Jieyang 515200, China）

Application of oxygen-enriched combustion technology in oil field steam injection boilers and its preparation method were introduced. According to the known parameters of boiler and fuel properties, amounts of combustion improver and flue gas were calculated for two cases of normal air combustion and oxygen-enriched combustion. Energy-saving efficiency was also calculated in the view of thermal balance. The results show that amounts of combustion improver, flue gas, fuel and the heat loss of flue gas all reduce; The heat loss of flue gas is the main factor to affect the efficiency of energy saving. Thus the measures to improve the efficiency are put forward, which can provide the reference for application of oxygen-enriched combustion technology in future.

Oxygen-enriched combustion technology; Steam injection boiler; Energy-saving efficiency; Thermal balance

TK 11

A

1671-0460（2014）12-2652-03

2014-05-25

朱紅軍（1992-），男，遼寧凌源人。E-mail：782182975@qq.com。

王春華（1980-），女，講師，博士，研究方向：從事工業窯爐及石油化工加熱爐的燃燒、傳熱技術研究與優化設計。E-mail：chunhua07@163.com。