煙氣與液體介質直接換熱技術研究及應用

何安群（大慶油田有限責任公司第一采油廠）

油田加熱爐是油田中轉站，聯合站必不可少的設備之一，主要用于熱洗、摻水、采暖、原油輸送等工藝加熱過程。常規加熱爐一般采用“火焰和高溫煙氣把熱量傳遞給換熱面，熱量再由換熱面傳遞給介質”的熱量傳遞過程。在生產運行中，換熱面結垢是不可避免的，導致運行熱效率降低、燃料消耗增加、除垢等生產運行費用增加。本文采用煙氣與水直接換熱的熱交換方式，研制了直接換熱式油田加熱爐，從而解決了其結垢所帶來的能源消耗大、除垢費用高等問題，運行熱效率較常規加熱爐提高了10個百分點，節氣量超過11.2%。此外，該加熱爐屬常壓加熱爐，爐內被加熱介質與大氣相通，使用安全可靠；并且由于其不承壓、無受熱面，因此降低了成本、縮小了占地面積。同時，因被加熱介質在換熱過程中對煙氣起到了凈化作用，該加熱爐還有利于環保。

1 直接換熱機理研究

1.1 高溫煙氣的形成及流動

在大慶油田，在用加熱爐所消耗的燃料以天然氣為主[1]，本文研究過程中相應地以天然氣燃料為研究對象。這里的高溫煙氣指的是天然氣與空氣燃燒后的產物，由于燃燒時放出來的熱量被其攜帶著，這些產物溫度很高并以氣態存在，所以稱之為高溫煙氣。

1.1.1 高溫煙氣的形成

由于加熱爐爐膛的出口溫度遠遠超過水蒸氣的凝結溫度，故有關高溫煙氣的計算均采用低發熱值。關于高溫煙氣，主要參數有理論空氣量、煙氣量、煙焓等。

天然氣中的可燃物質包括H2、CO、H2S和C1～C7烴類氣體等，其組成一般用體積分數表示。高溫煙氣的各項參數都可按各組分的體積分數和各組分的性質計算得到。

理論空氣量可由下式求得：

實際煙氣質量可由下式求得：

煙氣熱焓可由下式求得：

1.1.2 高溫煙氣的流動

為了實現煙氣與液體介質直接換熱，燃料燃燒化學反應全部在爐膛內進行，換熱全部在換熱室中進行，因此，爐膛內天然氣與空氣的混合要盡可能地好。天然氣氣流的速度及天然氣與空氣間的相對速度決定著混合的強弱。在氣流處于層流狀態時，混合速度與流速無關，流速越大則火焰越長；在湍流狀態下，混合很強烈，氣流速度加大則火焰長度縮短；氣、氣的相對速度越大，則混合越強烈。為縮短混合所需的時間，減少爐膛尺寸、降低爐膛耗鋼量，把大股的天然氣分成多股小氣流旋轉噴入空氣流中效果最佳[2-3]。

這樣，天然氣和空氣進入爐膛后很快混合，混合氣體一邊燃燒一邊以旋流的方式在爐膛內流動，旋流進氣方式不但縮短了火焰長度，而且其所產生的向心力對燃燒道中的高溫燃氣流產生回流運動，形成回焰燃燒。回焰燃燒不僅可以增強燃燒段熱強度，而且可對剛進入爐膛的氣體起到預熱和穩定點火源的作用。燃燒產生的高溫煙氣靠爐膛內壓頭作用流入換熱室與低溫液體直接接觸換熱，后經煙囪排入大氣。

1.1.3 高溫煙氣流對換熱的影響

高溫煙氣的壓力、速度、溫度等參數分布直接影響著后面與低溫液體介質之間的換熱效率，主要表現在以下幾個方面：

1）高溫煙氣的壓力要適當。如果過高，在接觸換熱過程中，一些細小的液滴會被煙氣帶出加熱爐，造成熱量損失，致使加熱爐熱效率下降。

2）速度和壓力是一致的，其數值也應適當。

3）溫度分布盡可能要均勻。

1.2 低溫液體的流動

煙氣與液體介質直接換熱主要是高溫煙氣與低溫液體接觸換熱，其換熱量的計算公式如下：

式中：A是換熱面積，在這里指的是低溫液體的表面積；h是換熱系數，其大小與換熱過程中的許多因素有關，不僅取決于流體的物性（λ、 μ、 ρ、cp等）以及換熱表面的形狀、大小與布置，而且還與流速有密切關系，在這里物性等因素已經是定值，所以主要取決于流速；Δt是溫差，在整個換熱過程中，高溫煙氣和低溫液體的溫度隨著換熱的進行不斷變化，因此溫差也變化，取對數平均溫差Δtm=(ΔTmax- ΔTmin)/ln(ΔTmax/ΔTmin)。

從上面分析可以看出：低溫液體的表面積和流速對換熱的影響是最大的，因此，從強化換熱的角度考慮，決定采取噴淋的形式（圖1）。在液體循環系統壓力允許的前提下，應盡可能地增大低溫液體的表面積和流速，即：低溫液體是以噴淋的形式進入換熱室的，依靠自身的初速度以及重力的作用在換熱室中向下流動，在流動過程中與向上流動的高溫煙氣進行接觸換熱，后落入緩沖罐中。

圖1 噴淋結構示意圖

大慶油田加熱爐所燒濕氣的理論空氣量在14 m3/m3左右，空氣系數取1.05～1.2。如果燃料氣進口溫度為35℃、冷空氣進口溫度為20℃，則-T接近21℃，換熱室的換熱效率可超過95.5%。

1.3 高溫煙氣與低溫液體之間的接觸換熱機理

高溫煙氣與低溫液體直接接觸的換熱原理如下：

1）由于流體之間存在著宏觀運動，致使流體各部分之間發生相對位移、冷熱流體相互摻混所引起的對流換熱。由于兩種流體的流動都不是由于密度差所引起的，這里的對流屬于強制對流。

（2）由于兩種流體中的分子同時在進行著不規則的熱運動，因而在對流換熱的同時還伴隨著導熱換熱。

通過上述分析可以看出：高溫煙氣與低溫水混合換熱既包含有介質通過接觸而進行的熱傳導換熱方式，又包含有介質通過相互之間的運動而進行的對流熱量傳遞方式，它是一種混合型的熱量傳遞方式[4]。高溫煙氣與低溫液體直接接觸換熱的數學模型[5-7]由以下5個方程組成，具體如下：

煙氣和液體的豎直(x)方向的動量方程形式相同，即

煙氣和液體的徑向(r)的動量方程形式相同，即

煙氣的焓平衡方程為

液體的焓平衡方程為

煙氣含濕率方程為

式中： ρ在不同方程中分別代表煙氣或液體的密度，kg/m3；u、v在不同方程中分別代表煙氣或液體的 x、 r方向速度分量，m/s； P是壓力，Pa；g是重力加速度，m/s2；有效黏性系數 μeff=μ+μt，μ和 μt分別是層流和湍流黏性系數；內部流動阻力的垂直分量，Nv是流動阻力速度頭數；內部流動阻力的徑向分量iG、 il、ig分別是煙氣、液體、蒸汽的焓，J/kg；m″是每單位容積內蒸汽質量產生率，kg/(m3s)； fG是質量含濕率；ΓG、Γl分別是通用的煙氣或水的交換系數，對于方程（8），J/m2，對于方程（9），kg/m2。

1.4 高溫煙氣與低溫液體直接接觸換熱的特點

高溫煙氣與低溫液體直接接觸換熱的特點如下：

1）由于高溫煙氣與低溫液體介質之間混合換熱沒有傳熱面，所以該種熱量傳遞方式換熱效率高、熱阻小。

2）由于該種熱量傳遞方式不存在結垢問題，其工作熱效率能夠始終維持在一定程度上，減少了結垢現象帶來的大量能量損耗，所以實際運行熱效率高。

3）在液體介質與煙氣混合換熱的同時，煙氣中未完全燃燒的碳黑固體和有害氣體會隨著霧狀液體一同落至煙道底部，凈化了煙氣，有利于環保。

2 煙氣與液體介質直接換熱式油田加熱爐

在煙氣與液體介質直接換熱機理研究基礎上，研制了煙氣與液體介質直接換熱式加熱爐（圖2）。其主要由燃燒道、換熱室（內有兩個噴頭）、緩沖室等部分組成。來液介質由兩路進入加熱爐：一路是直接進入加熱爐煙道底部的換熱室，從上面位置的噴頭噴出，與高溫煙氣直接換熱；另一路是先進入緩沖室，由下面位置的噴頭噴出，與煙氣直接接觸換熱。被高溫煙氣加熱后的介質進入緩沖室緩沖后流出加熱爐。在此加熱爐中，有一個緩沖室，對加熱后的介質起到緩沖的作用。在緩沖室側面還有補液管和排污管。在液位過低時，補液管上的閥門自動開啟，對加熱爐補水。排污管定期開啟，把緩沖室內部沉淀下來的污物排出加熱爐。由于其不承壓、不在爐膛和煙道內加設許多管道，故降低了成本，縮小了體積；又因為煙道中被加熱的液體介質與大氣相通，因此運行安全可靠。在霧狀液體和煙氣混合換熱的同時，煙氣中未完全燃燒的碳黑固體、有害氣體會隨著霧狀液體一同落至煙道底部，凈化了煙氣，有利于環保。

圖2 煙氣與液體介質直接換熱式加熱爐示意圖與樣機照片

在確定煙氣與液體介質直接換熱式油田加熱爐結構后，完成了樣機設計，總長4.3m，高5m，重5.3t。其耗鋼量與其他在用加熱爐對比見表1。該樣機所需鋼材為在用0.58MW二合一加熱爐的37%。

表1 0.58MW油田加熱爐的耗鋼量對比

3 樣機現場試驗

3.1 試驗系統流程

煙氣與液體介質直接換熱式油田加熱爐試驗系統流程見圖3。冷水由站內冷水管線經截止閥4、流量計2和3、截止閥2和3分別進入加熱爐煙道和水套中；被加熱的熱水由加熱爐流出，經截止閥5進入站內熱水管線，完成站內供熱任務。當加熱爐內部液面低于規定液面，清水會自動由清水管線經截止閥1、流量計1、疏水閥進入加熱爐內，對加熱爐進行補水[8]。

圖3 煙氣與液體介質直接換熱式油田加熱爐試驗系統流程

3.2 試驗結果

樣機安裝調試好后，對其進行了測試，試驗數據見表2。樣機熱效率超過90%，較常規加熱爐提高了10個百分點，節氣量達到11.2%以上。

4 結論

基于高溫煙氣與低溫液體直接換熱的機理研究，研制出煙氣與液體介質直接換熱式油田加熱爐，其在現場試驗中取得了較好的應用效果。

表2 試驗數據

1）該加熱爐既具備加熱功能，又具有緩沖功能（緩沖時間為15min）。其耗鋼量為5.3t，與同負荷現有負壓加熱爐相比，節約鋼材63%以上。

2）完成煙氣與液體介質直接換熱式油田加熱爐樣機現場試驗以及現場監測，其熱效率較常規加熱爐超過90%。