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1從燃燒學角度出發的技術對策

從燃燒學角度而言，提高鍋爐熱效率的基本原則就是采取措施改善燃燒效果，如強化燃油霧化、合理配風，使燃料與空氣充分混合，避免或減少燃料在高溫條件下生成碳黑和重質碳氫化合物。

1.1優化燃料結構改燃油為燃氣

1997年陜甘寧天然氣歷經860多公里進京工程，標志著我國開始大力發展天然氣事業。限于當前我國能源結構和生產能力，工業生產用能源多是煤，石油石化企業用能源也以煤、石油為主。經濟性上，使用煤的成本比石油低，石油的成本比天然氣低，但是就節約性和低碳性而言，石油和天然氣遠比用煤節省。采用天然氣替代煤、石油作為工業能源具有美好前景。對原有注汽鍋爐進行系統結構改造，改燃煤、燃油為燃氣。注汽鍋爐使用不同燃料的能源消耗情況。采用燃氣裝置后，可大大提高鍋爐爐膛燃燒溫度，而且安全性能和自動化技術程度高、運行成本低、維修方便、易操作。最大優點是采用燃氣方式后，燃料不完全燃燒幾乎可以忽略，無污水排放，煙氣排放量相對燃油降低幅度可達25%。

1.2優化燃燒方式采用富氧燃燒

提高煤、石油燃料的燃燒效率通常需要考慮兩個方面因素，要有適當過量的空氣及燃料與空氣要充分混合，富氧燃燒技術（簡稱OEC）即是利用高氧含量空氣做助燃劑提高燃燒效率的。富氧燃燒技術主要特點如下：

（1）燃燒速率加快，火焰溫度、強度提高，優化了傳熱效果。富氧助燃火焰強度增加，燃燒劇烈，不僅增強傳熱，而且使燃燒更為完全，消除黑煙產生，同時減少了污染物排放；

（2）降低燃點的溫度：燃料的燃點不是一個常數，例如一氧化碳在空氣中燃點為609℃，氧濃度為100%時則為388℃；

（3）低空氣系數，減少燃燒后的煙氣量：普通空氣作為助燃劑，使得占79%的N2不僅不能助燃，而且還帶走了燃燒產生的大部分熱量，降低了熱效率，而氧濃度為27%與普通空氣比較，煙氣體積減少了20%，促進了熱效率的提高；

（4）提高氧濃度、空氣消耗減少：氧分布更加廣泛，因此缺氧“盲區”很少存在，促進了燃料的充分燃燒、合理燃燒。目前國內油田行業富氧制取方法最常用的是膜法富氧技術。不同粒徑分子的混合物在通過半透膜時，氧氣和氮氣的透過速度不同，氧氣透過膜的速度要比氮氣快2~5倍，這樣就可在單位時間內得到更多的氧，而氮的含量降低。隨著膜法富氧技術的發展，富氧技術日趨成熟，效益的提高及在生產中的廣泛應用，成本逐漸降低，推廣也更加廣泛可行。

1.3采用新型燃燒器

國內注汽鍋爐主要引進國外燃燒器，基本上使用北美燃燒器，其結構緊湊，成本低，便于管理與使用。采用壓力式蒸汽霧化燃燒。但隨著開采油質性質的改變，北美燃燒器已不能適應超稠油的性質，燃燒不完全，污染環境，熱效率大幅降低。由此，采用轉杯式霧化的扎克燃燒器被廣泛引進應用在稠油熱采的注汽鍋爐上。其霧化效果好，燃燒充分，熱效率高，對環境污染小等。

1.4強化燃油霧化

為減少油田注汽鍋爐燃料消耗，現引進莫爾節能技術。莫爾節能技術是采用莫爾液為催化劑，經過高度霧化與燃料氣體混合，在其金屬化合物有效催化下，燃料小顆粒間隙增大、變得松散，而且能增大燃料與助燃劑的接觸面積、提高燃料活性、促進燃料完全燃燒。在促進燃料完全燃燒同時可有效減少積碳和結焦化物的生成、增加鍋爐排管傳熱系數，實現鍋爐熱效率提高和燃料單耗的降低。從實驗結果分析可知，在達到最佳工況下工作，鍋爐注汽的單耗值隨使用時間呈逐漸下降趨勢，最大降幅6%。根據實際勘測結果分析發現，NOx排放指標下降幅度較大，均為20%以上，其他如SO2含量亦有不同程度降低。在實際測試中，平均節能熱效率可提高4%~5%。燃油鍋爐單耗上，由實驗數據測得鍋爐單耗可由61.40kg/m3降低為59.69kg/m3，達到了2.78%的節能率，按照3372.92t/（臺•a），計算可有93.77t/a，按照石油價格3000元/t，則每臺年節約成本28萬元以上。當前我國正在大力發展高效能源利用模式，莫爾技術能夠達到節能環保要求，并能提高經濟效益，具有廣闊的應用前景。

2從傳熱學角度

提高注汽鍋爐熱效率的基本原則是延長煙氣在鍋爐內停留的時間，強化煙氣與工質之間的傳熱，減少爐墻外壁與環境之間的傳熱，降低散熱損失。

2.1采用新保溫材料、新砌筑技術

采用新保溫材料和新砌筑技術對爐體進行改造，增強傳熱效果，減少熱損失，可有效提高鍋爐熱效率。

（1）采用高溫紅外輻射涂料技術：眾多油田企業在鍋爐爐墻內壁采用高溫紅外輻射涂料技術用于提高爐墻輻射能力，強化爐內換熱。高溫紅外輻射涂料技術是將涂料涂在高溫側壁面，通過改善爐內的熱交換形式及高溫條件下涂層自身的紅外輻射，使爐膛內溫度場場強增大，提高燃料燃燒的充分性、均勻性，以達到提高鍋爐熱效率的技術。涂料涂層在高溫輻射下，自身釋放出極強穿透力的紅外線，激發燃燒室的分子發生能級躍遷，客觀上減少燃燒時間，提高熱效率。根據材料特點，產品具有耐高溫、耐腐蝕、高置換率、良好的輻射和強熱輻射性能等特點，同時安全環保、節能高效，符合節能性要求。試驗表明，該技術具有明顯的節能效果，鍋爐煙氣溫度排放由230℃降到219℃，鍋爐外壁面平均溫度由80℃降至55℃，排煙熱損失約10.1%，鍋爐散熱損失是1.6%，鍋爐運轉效率提升2.7%，節油可達4%。

（2）氣凝膠爐體降溫技術：氣凝膠又名干凝膠，當凝膠失去大部分溶劑時，此時凝膠的形狀體積內部充滿氣體，僅外表呈現為固體狀，稱之為氣凝膠。失去溶劑后的氣凝膠形成了其特有的納米多孔、空間網絡結構，具有良好的膨脹作用、觸變作用、離漿作用，在聲、光、熱、電各方面性質優異，可在這幾方面充分發揮其良好性能。氣凝膠納米多孔的固體狀性質，作為熱學性質應用在限制固態傳熱和氣態傳熱具有重要意義。當熱流體流過時，流體要穿過數以萬計的納米孔隙，在路線無規則變化的空隙中流動，類似于流體穿過無限長的路徑，大大提高了導熱熱阻，增強了絕緣效果。氣凝膠運用在注汽鍋爐爐墻絕熱時，鍋爐熱效率平均提高2.2％，假設鍋爐注汽量為50000m3/（臺•a），消耗天然氣按75m3/(m3石油)計算，采用該技術后可節省天然氣50000×75×2.2％=82500m3。天然氣以工業價格2.50元/m3計算，年節約天然氣支出30多萬元，相比于安裝氣凝膠設施成本，節約效果仍然可觀。

（3）高鋁纖維定型絕熱磚砌筑技術：它是把高鋁纖維經過一定處理，加工成高鋁纖維小塊，然后利用耐高溫膠等材料技術將高鋁纖維小塊附在爐膛內壁，形成一個牢固的絕熱層。其特點具有堅固、抗沖刷、密度大、保溫層薄，為爐膛內燃料燃燒的熱交換和熱輻射過程提供足夠的空間。實踐證明，高鋁纖維保溫層保溫效果好，耐用，能夠使鍋爐熱效率提高2%~3%。

2.2優化對流段結構，定期清灰

注汽鍋爐產能大，損耗比較嚴重，經過一定使用年限后，鍋爐必然會出現各方面的老化問題：鍋爐內表面物質性狀發生改變、對流段存在積灰，導致鍋爐注汽參數不穩定、可控性下降，而且不能達到保溫要求，不能保證內部輻射傳熱、對流傳熱的高效運行，最終降低了鍋爐熱效率。對鍋爐內部結構適當修復，提高內部對流換熱和熱輻射能力，減少透過鍋爐導熱引起的熱損失，可大大提高鍋爐熱效率。采用對流翅片管清洗除灰即是改變鍋爐對流段受熱面的結構，從而提高熱效率的。類似的還有針形管、光管的清洗除灰。以翅片管為例，為了提高換熱效率，在鍋爐的高溫煙氣工況下，利用套裝翅片的換熱元件，增大管道與煙氣高溫環境的接觸，以提高工質的吸熱效率。但是經過長久的使用，翅片表面積灰嚴重，有可能導致翅片管本身功能失效，且影響內部工質吸熱效果，反而成為降低熱效率的原因之一。因此及時有效的清洗翅片積灰，對于增強煙氣與工質的熱傳遞效果，保證熱量的有效利用起著重要作用。

3從熱力學角度

提高注汽鍋爐熱效率的基本原則就是盡量減少鍋爐的熱損失。

3.1對鍋爐尾部煙氣實現自動控制

燃料燃燒中，可能因為空氣系數較大，鍋爐燃燒狀況不佳，甚至出現黑煙情況，排煙熱損失嚴重影響到鍋爐熱效率，此時就需要將空氣系數控制在一定范圍內，采用煙氣自動控制技術，可以有效控制排煙損失問題。注汽鍋爐的工況調整主要靠工作人員肉眼觀察火焰形態、顏色，實際生產中，為避免出現冒黑煙的情況，人們常采用加大通風量的辦法以彌補，但是造成了空氣系數過大的情況，影響了鍋爐熱效率，實際測得煙氣含氧量約為5%，空氣系數約為1.31。在不同工作狀況下，鍋爐空氣系數需要控制在一定范圍內，將排煙損失降到該狀況下最小值，以達到環保節能的目的。煙氣含氧量自動控制技術需要在鍋爐中安裝煙氣氧含量控制分析儀，分析空氣系數，通過調節空氣量提高鍋爐熱效率。根據實驗測試數據報告表明，運用煙氣含氧量自動控制技術鍋爐熱效率平均可提高0.95%。

3.2充分利用空氣預熱器等附屬裝置

注汽鍋爐的排煙溫度一般在200℃左右。以往油田主要利用煙氣余熱預熱注汽鍋爐給水，取得了較好的節能效果。但近年來某些油田企業為有效利用油田污水，將污水回注鍋爐，受柱塞泵給水溫度（≤65℃）要求的限制，這種余熱利用方式無法得到更好的節能效果。在此情況下將排煙預熱助燃空氣，既降低了排煙熱損失，又提高了鍋爐熱效率。目前注汽鍋爐尾部增設的空氣預熱器一般采用熱管傳熱技術，即利用由管殼、端盤和吸液芯組成的熱管在煙氣中吸熱，內部工質蒸發吸熱，到熱管冷側凝結散熱。由于傳熱性能好，且熱管中相變傳熱的特殊性，可高效回收熱量，提高熱量回收率，進而提高鍋爐熱效率。工業應用中，考慮到成本問題，常常采用重力熱管，即在熱端工質吸熱蒸發到冷端，在冷端蒸汽凝結沿多孔材料靠毛細力的作用回到熱端，如此往復，在實際生產中，這一過程可瞬時完成，效率極高。熱管空氣預熱器在應用試驗中達到預定效果，按照排煙熱損失對鍋爐熱效率影響，煙氣溫度每升高20~25℃，鍋爐熱效率即降低1%，應用煙氣余熱回收裝置后，一臺23t/h的油田注汽鍋爐年減少消耗19.2萬m3天然氣，兩年可節約資金將近40萬元，減少廢氣排放量500多萬m3。

4結語

圍繞目前油田注汽鍋爐常用節能技術，從燃燒學、熱力學、傳熱學三方面進行探討。從燃燒學角度，注汽鍋爐使用燃料由燃油轉向燃氣，燃燒方式由常規燃燒方式轉向富氧燃燒，燃燒器依據燃油性質進行改變，由北美燃燒器轉用扎克燃燒器；從傳熱學角度，采用高溫紅外輻射涂料技術、氣凝膠爐體降溫技術、高鋁纖維定型絕熱磚砌筑技術等新型保溫材料、新砌筑技術降低爐墻外壁的傳熱，降低散熱損失，提高鍋爐熱效率；從熱力學角度，鍋爐尾部增設煙氣回收裝置有效利用煙氣余熱，降低排煙熱損失，進而提高鍋爐熱效率。同時結合工業生產實踐探討了各種節能技術帶來的實際效益。另外，我國在燃燒器方面存在不足，目前國內使用的大都是國外燃燒器，國產化燃燒器的研究與應用較少，缺少成熟的技術成果，這是急需解決的問題。

作者:崔志強王春華陳澤弘單位:遼寧石油化工大學