高壓蒸汽鍋爐煙氣排放控制研究

閻崎

（中國石油新疆油田公司百口泉采油廠，新疆 克拉瑪依 834000）

克拉瑪依油田是我國重要的稠油生產基地，稠油和特超稠油的產量占該公司總產量的1/3 左右。眾所周知，稠油開采能耗高，風險大，效益較低。據(jù)統(tǒng)計，克拉瑪依油田稠油開采的能耗占到該油田總能耗的75%～80%左右，而稠油產量為總產量的1/3 左右。稠油開采過程中，能源消耗主要是天然氣、煤、輕質原油、電以及清水。能耗主要由蒸汽的生產、油層吸收以及管網(wǎng)的輸送等環(huán)節(jié)構成。其中有用的能耗為油層吸收部分。根據(jù)測試：蒸汽驅使和蒸汽吞吐的能源利用率為85.4%，有14.6%的能源在生產過程中損失了。這14.6%的損失中，蒸汽鍋爐損失占72.9%，供汽管道損失占25.4%，采油井筒散損失1.7%。因此，研究解決鍋爐生產中的熱損失，余熱利用，提高鍋爐熱效率，是降低稠油開采能耗的重點工作。

1 高壓蒸汽鍋爐效率分析

對于1 臺燃燒天然氣的高壓蒸汽鍋爐，其熱效率公式為：

式中， q2為排煙熱損失， q3為不完全燃燒熱損失， q5為鍋爐本體及附件熱損失。

稠油開采中蒸汽鍋爐的熱損失：最主要是排煙熱損失，占總熱損失的90%左右，鍋爐及其附件的熱損失占8%左右、燃燒不充分造成的熱損失占2%左右。行業(yè)規(guī)定，高壓蒸汽鍋爐如果燃料為天然氣時，煙氣排放溫度應該≤180℃，克拉瑪依油田的蒸汽鍋爐的煙氣排放溫度大都超過180℃，有的達到300℃。如何降低煙氣排放溫度，煙氣余熱利用，是提高鍋爐熱效率的重要途徑。影響煙氣排放熱損失的主要因素是煙氣的溫度過高和過剩空氣系數(shù)。

我們假定鍋爐本體以及附件的沒有熱損失，則鍋爐效率與煙氣排放溫度以及過剩空氣系數(shù)的關系是：

式中，η 為未考慮本體以及附件熱損失的鍋爐熱效率%；α 為過剩空氣系數(shù)；未考慮燃料特性：；t 為煙氣排放溫度℃；O2為氧氣。

鍋爐熱效率、過剩空氣系數(shù)、煙氣排放溫度關系（圖1）。

圖1

由以上公式可得：煙氣排放溫度每升高23℃左右，鍋爐熱效率就會減少1%。煙氣中氧含量每增加1%，鍋爐熱效率就降低0.7%。

2 蒸汽鍋爐煙氣排放溫度控制研究

研究分析得知，合理的煙氣排放溫度控制，是提高蒸汽鍋爐熱效率的最有效手段。克拉瑪依油田針對使用較普遍的高壓蒸汽鍋爐SF-52.8/17.2-YQ 進行了煙氣排放溫度、煙氣排放量等方面進行了大量的研究和實踐。該型鍋爐燃料為天然氣，額定蒸發(fā)量52.8 噸/小時，出口蒸汽溫度為310℃，出口額定壓力9.5MPa，效率85%。

2.1 煙氣溫度控制

針對室內布置式和移動撬裝式蒸汽鍋爐的煙氣余熱利用研究，通過降低鍋爐煙氣排放溫度，利用煙氣余熱加鍋爐進水、燃燒空氣以及天然氣，提高鍋爐的熱效率。

（1）室內布置式蒸汽鍋爐。室內布置式高壓蒸汽鍋爐，利用300℃左右的煙氣余熱，提高鍋爐的進水溫度。這種余熱利用方式與工藝簡單，改造難度小，效果明顯。將針型管換熱器安裝在鍋爐的對流段上部，通過換熱降溫，有效控制了煙氣的排放溫度，通過近2 年的運行發(fā)現(xiàn)針型管換熱器出現(xiàn)低溫腐蝕穿孔現(xiàn)象。針對換熱器低溫腐蝕問題，應用SGR型304 不銹鋼熱管換熱器，將高溫端和低溫端用不同材質分不同區(qū)間換熱，解決了換熱器低溫腐蝕的問題。該換熱器具有傳熱效果好、壽命長、水流阻力小等優(yōu)點，能克服換熱器低溫腐蝕問題。采用SGR 型304 不銹鋼換熱器進行煙氣余熱加熱鍋爐進水，可將水溫度從12℃提高到30℃，排放的煙氣溫度降低68℃；鍋爐熱效率提高到86.5%，超過了設計要求1.5%。

（2）移動撬裝式高壓蒸汽鍋爐。采用移動撬裝式蒸汽鍋爐，縮短供汽線路到注汽井口的距離，減少供汽線路的熱損失。移動撬裝式蒸汽鍋爐的布置方式，存在兩個問題：①采用熱管供水換熱器，冬季事故停爐，會造成凍堵凍裂等；②冷空氣進入爐膛會影響燃燒和降低爐膛溫度。為了解決以上兩個問題，我們增加了蒸汽預熱空氣設備，將高品質蒸汽低端使用，非常的不經(jīng)濟。利用煙氣余熱來加熱助燃空氣，用空氣換熱器替代水換熱器（見圖3），經(jīng)過現(xiàn)場研究和試驗，將空氣換熱器設置在高壓蒸汽鍋爐的對流段中部偏上，用引風機來平衡空氣換熱器和風道風阻，助燃空氣經(jīng)換熱器升溫加熱后送至送風機進口，助燃空氣溫度得到了較大的提升，爐膛溫度也相應得到了提升，煙氣排放溫度也得到了有效的降低。目前，此空氣換熱器已廣泛應用于移動撬裝式蒸汽鍋爐。據(jù)現(xiàn)場檢測，在鍋爐對流段上安裝空氣換熱器后，進入爐膛的助燃空氣溫度提高到了53℃，煙氣排放溫度降低了42℃，熱效率提高了1.8%。

圖2 煙氣余熱利用工藝流程圖（空氣換熱器）

2.2 煙氣排放量控制

克拉瑪依油田高壓蒸汽鍋爐燃燒空氣與天然氣的比例由司爐工憑經(jīng)驗調節(jié)，過程中會造成燃燒不充分。過剩空氣系數(shù)如果在1.3 ～1.4，過剩氧含量在4%～6%，會造成煙氣排放量增加，熱損失增加，鍋爐熱效率降低。經(jīng)測試，過剩空氣系數(shù)在1.05%～1.2%，煙氣中的氧含量在2%～4%較合適。煙氣排放量控制的核心是準確檢測鍋爐煙氣含氧，并進行有效的控制，實現(xiàn)鍋爐合適助燃空氣和天然氣的比例。

（1）室內布置式高壓蒸汽鍋爐。送風機由變頻器控制轉速，也就控制空氣送入量；在鍋爐煙氣排出口設置氧含量監(jiān)測儀，監(jiān)測鍋爐排放煙氣中的氧含量，將監(jiān)測到的氧含量信號（0 ～5V）經(jīng)D/A 轉換后輸入到PLC 控制器中，通過PLC 閉環(huán)控制送風機變頻器，達到動態(tài)調整空氣量，使進爐膛空氣量與煙氣含氧量形成合理的比例，使鍋爐處在最佳燃燒狀態(tài)，煙氣排放熱損失最低。

表1 某臺高壓蒸汽鍋爐煙氣排放量控制改造前后鍋爐熱效率與氧含量測試數(shù)據(jù)表

從表1 中可看出，通過煙氣排放量的控制，鍋爐熱效率可以提高1%～3%。

（2）移動撬裝式高壓蒸汽鍋爐。針對移動撬裝式高壓蒸汽鍋爐煙氣余熱利用方式，優(yōu)化煙氣排放量控制，將爐膛空氣量的控制由送風機來完成，通過控制過剩空氣量達到對排煙量的控制。

排煙道中過剩氧量和監(jiān)測由氧化鋯分析儀動態(tài)測量，并動態(tài)輸出0 ～5V 標準信號到PLC 控制器，與設定值比較，調節(jié)送風機變頻器，控制送風機變轉速，使送風機送入燃燒器入口風量隨排煙道中的氧含量動態(tài)調整，從而使進入爐膛內參與燃燒的空氣保持在最佳狀態(tài)。

旋流風機直接安裝在高壓注汽鍋爐輻射段頂部，對燃燒器進風量爐膛燃燒需氧量進行動態(tài)控制，不影響燃燒送風壓力，也不會對鍋爐燃燒的運行造成影響，既提高了高爐的效率，又提高了鍋爐的安全性。

高壓注汽鍋爐煙氣排放量和煙氣溫度的控制可二者統(tǒng)一優(yōu)化設計，統(tǒng)一實施，能有效提高鍋爐熱效率，減小煙氣外排量。

3 結語

不論是室內布置式還是移動撬裝式蒸汽鍋爐，對煙氣排放量和溫度進行適度的控制，會極大地提高鍋爐熱效率。依據(jù)鍋爐布置方式的不同，需要采用不同的煙氣排放量控制技術和控制方式。克拉瑪依油田高壓蒸汽鍋爐燃料以天然氣為主，燃煤為輔，因此，適合在煙氣排放系統(tǒng)中加裝冷凝熱能回收裝置，回收煙氣余熱，提高鍋爐熱效率。