應用氣凝膠技術提高注汽鍋爐熱效率

楊立華 張偉 馬向波

【摘 ?要】稠油蒸汽吞吐熱采，蒸汽驅以及SAGD開采項目是一種高投入、高成本的開發工藝，其核心設備是注汽鍋爐，由于大多數注汽鍋爐投產運行時間長，造成爐內保溫老化、保溫效果差，熱損失加大，鍋爐保溫性能下降，爐體外表面溫度升高，進一步增大了熱損失。氣凝膠具有導熱系數低、密度小、柔韌性高、綠色環保、防水、不燃等優越性能，同時兼具優越的隔聲減震性能。在保證注汽質量的同時，加強節能新技術、新產品推廣應用，對降低稠油開采成本，提高熱采效益，具有非常重要的意義。

【關鍵詞】注汽鍋爐;氣凝膠爐體降溫技術;節能效果;熱效率

引 言

稠油蒸汽吞吐熱采，蒸汽驅以及SAGD開采項目是一種高投入、高成本的開發工藝，其核心設備是注汽鍋爐，在保證注汽質量的同時，應加強節能新技術、新產品推廣應用，降低稠油開采成本，提高熱采效益。

1.現狀概述：

注汽鍋爐在正常運行的條件下，其熱損耗主要表現在三個方面：一是排煙熱損失，二是爐體散熱損失，三是未完全燃燒熱損失。

目前，曙光采油廠熱注作業一區共有27座注汽站，38臺注汽鍋爐，其中2000年以前投產的注汽鍋爐28臺，最早投產的一臺鍋爐是1992年。大部分鍋爐使用時間已達10年左右，由于各鍋爐投產運行時間長，造成爐內保溫層老化，保溫效果差，熱損失加大，鍋爐保溫性能下降，爐體外表面溫度升高，進一步增大了熱損失。

為解決上述問題，作業一區配合油公司節能部門，積極尋求先進節能技術和節能產品，主要從氣凝膠爐體降溫技術降低鍋爐表面溫度入手。

2.提高注汽鍋爐熱效率采用的新技術：

2.1 氣凝膠爐體降溫技術原理

對于保溫材料而言，熱傳導主要由保溫材料中的固體部分來完成，熱對流則主要由保溫材料中的氣體來完成。熱輻射的傳遞不需要任何介質。因此要實現超級絕熱材料所要求達到的保溫隔熱目的，一是在保證足夠機械強度的同時，大幅降低材料的體積密度;二是要將空氣的對流減弱到極限;三是要通過近于無窮多的界面和通過材料的改性熱輻射，經反射、散射和吸收而降到最低。

氣凝膠是一種無規、多孔、連續的固體空間三維結構，具有比表面積大、隔熱性能好、吸附性強及優越的光學性等。目前解決氣凝膠材料性能和降低其生產成本，使其能夠更加廣泛應用于各個領域是不可避免的發展潮流。當氣凝膠材料中的氣孔直徑小于70nm時，氣孔內的空氣分子就失去自由流動的能力，相對地附著在氣孔壁上，這時材料處于近似真空狀態，即產生“零對流效應”。

2.2 降低爐體表面溫度提高爐內溫度

從成分構成分類是氣凝膠最普遍的區分方式，分為單一組分和復合組分兩大類。單一組分氣凝膠包括氧化物氣凝膠（二氧化硅和非二氧化硅），有機氣凝膠（樹脂基和纖維基），碳氣凝膠（碳化塑料、碳納米管和石墨烯），硫化物氣凝膠和其他種類的氣凝膠（單一元素、碳化物）;復合組分氣凝膠包括多組分氣凝膠、梯度氣凝膠以及微/納氣凝膠復合物。其中硅氣凝膠、碳氣凝膠和二氧化硅氣凝膠最常見。

2.3 氣凝膠特性及其應用

（1）特性：本產品以氣凝膠為主體材料，通過特殊工藝復合而成。具有導熱系數低、密度小、柔韌性高、綠色環保、防水、不燃等優越性能，同時兼具優越的隔聲減震性能。

（2）保溫絕熱：導熱系數僅為傳統材料的1/3～1/5，保溫后熱損失小，空間利用率高，高溫下性能優勢更加明顯。

（3）持久耐熱：氣凝膠獨有的三維網絡結構避免了其他保溫材在長期高溫或受到振動而產生燒結變形、顆粒堆積保溫性能急劇下降的現象。

（4）抗拉抗裂：有較好的柔性與抗拉強度，可抵抗施工時的拉伸和冷熱交替時線性收縮帶來的內應力。

氣凝膠的性能就是由其結構決定的。因此如何制備結構顯得尤為關鍵，主要過程有三步。一、溶液到溶膠過程：納米尺度的膠體粒子通過縮聚和水解反應在均勻的前驅物溶液中形成，或是通過催化劑來催化加速。二、溶膠到凝膠的過程（凝膠）：溶膠粒子之間手拉手連接，分層裝配進一個具有連續網狀結構的濕凝膠。三、凝膠到氣凝膠的過程（干燥）：這個過程中濕凝膠中的溶劑被空氣所替代，同時不會有嚴重的微結構破壞。

氣凝膠的生產主要有兩個關鍵技術：溶膠-凝膠技術和干燥技術，前者主要是為了獲得具有一定空間網絡的結構，后者則是將醇凝膠網絡骨架中的溶劑去除，得到氣凝膠材料。前者主要有：無機氣凝膠、有機氣凝膠、碳氣凝膠的溶膠-凝膠技術，后者主要有：超臨界干燥、亞臨界干燥、冷凍干燥和常壓干燥技術。

3.氣凝膠爐體降溫技術現場實施情況

應用該技術施工方案如下：

（1）爐體表面敷設氣凝膠，搭接處應用氣凝膠膠帶粘接。

（2）爐體表面槽鋼應用金屬氟碳漆0.5mm鋼板四面搭接型材。

（3）氣凝膠表面采用金屬氟碳漆0.5mm鋼板鉚接。

4.節能效果分析：

注汽鍋爐應用氣凝膠爐體降溫技術

（1）輻射段降溫40℃。

（2）過渡段及過橋降溫40—80℃。

（3）爐后端板及后爐門可降低80—120℃。

爐體表面溫度降低、爐內溫度升高，可提高鍋爐熱效率，節能率2%。

5.經濟效益及總結

5.1 經濟效益計算

由測試數據可得：通過上述各個項目的實施，鍋爐熱效率平均提高2個百分點，同時一臺23t/h鍋爐的注汽量以10萬方/年，單耗按63.8公斤/噸汽計算，故一年一臺23t/h注汽鍋爐安裝該裝置后可節省燃油量為：100000×63.8×2% ÷1000 = 127.6（噸）

注汽鍋爐燃用的混配油以市場價2800元/噸計算，一年一臺23t/h注汽鍋爐安裝該裝置后可創經濟效益為：127.6× 2800 = 35.73（萬元）。遼河油田公司注汽鍋爐現有316臺，經濟效益可觀。

5.2總結

在如今全國重視“節能減排”能源利用政策的大環境下，進行推廣應用節能新技術新工藝具有非常重要的現實意義。

結束語：

從目前的使用技術狀況來看，因為考慮到設備老化、大多數鍋爐爐體表面溫度都比較高。在這種情況下，推廣應用節能新技術新工藝，可以避免上述問題且切實可行。隨著國家“節能減排”政策的進一步實施，上述項目技術必然會越來越成熟，應用也會越來越廣泛。

參考文獻：

[1].鹿道智 ?工業鍋爐司爐教程 ? 北京 ? 航空工業出版社 ?2007

[2].徐 ?東 ?注汽系統熱效率 ?遼寧 ?石油鉆采工藝 ?2012

作者簡介：

楊立華，出生年：1972年10月，男，籍貫：安徽省銅陵市，本科學歷，熱注運行工高級技師，技能專家

張偉，男，1975年出生，籍貫：遼寧省臺安縣，本科學歷，熱注運行工高級技師，技能專家

馬向波，男，出生年：1975年10月，籍貫：遼寧省大盤山縣，本科學歷，熱注運行工高級技師，技能專家

（作者單位：中油遼河油田公司曙光采油廠）