复合相变换热技术在注汽锅炉上的应用及效果分析

1复合相变换热技术在注汽锅炉上的应用及效果分析摘要本文针对油田稠油开采注汽锅炉高温烟气直接外排，排烟损失严重现象，分析了注汽锅炉应用复合相变换热器进行余热回收的可行性，并通过改造后运行数据的分析，达到了节能降耗的目的，显示了其显著技术和经济效益。关键词相变换热器烟气酸露点金属壁面温度可调、可控余热利用引言我厂目前用于稠油开采的注汽锅炉有25台，注汽锅炉由于受其自身结构和工艺系统的制约，为了防止锅炉尾部对流段的腐蚀，注汽锅炉在燃油时，其排烟温度高达210℃-270℃，在燃气时，其排烟温度也高达210℃，造成注汽锅炉排烟损失较大，排烟热损失约为11%--17%左右，排烟热损失占注汽锅炉总热损失的75%-83%，直接影响注汽锅炉的热效率，仅为80%--85%，增加注汽锅炉的燃料油（气）的耗量和蒸汽成本费用，因此烟气余热利用技术研究与应用对注汽锅炉的节能降耗、降低生产成本有重要意义。1现状分析1.1锅炉烟气余热利用现状目前，我国国内应用锅炉的行业中，由于煤、石油、天然气等燃料中均含有硫，燃烧时通常会产生硫氧化物及二氧化碳，其与水蒸气结合后即形成酸蒸汽。当锅炉尾部受热面的金属壁面温度低于酸蒸汽的凝结点（称为酸露点），就会在其表面形成液态酸（称为结露）。长期以来，用来余热利用的各种预热器受热面由于结露而引起的腐蚀经常发生。以至于目前在锅炉设计时不得不通过提高排烟温度来缓解结露和腐蚀发生，而提高排烟温度又势必造成大量低温能源的浪费。尽管如此，预热器往往在运行一到两年后依旧会出现腐蚀，直至穿孔。这是一个世界性难题。锅炉常用的余热利用装置多为管式换热器，其金属受热面最低壁面温度与热流体温度之间大致处于一种倍数关系，即排烟温度为140℃时相应的最低壁温仅为70℃左右。对于热管换热器，“如果金属受热面壁面温度要求不低于77.8℃时，其排烟温度通常不得低于155℃，否则必然引起低温结露腐蚀”（参见顾维藻等著《强化传热》，科学出版社）；上述换热器的壁面温度只能作为校核温度，也就是说，当运行工况因运行需要必须进行调整时，即便知道必然会发生低温腐蚀也无法避免，因为没有办法对壁温进行调整和控制。1.2相变换热新技术分析复合相变换热器可以视作通常“热管技术”的有效延伸和深化发展。该技术通过“相变段”以及不同“强化传热技术”的合理配置，首次提出将换热器最低金属壁面温度定义为“第一设计要素”以及对产生低温腐蚀具有关键性影响的最低壁面温度置于“可控可调状态”的概念，同时彻底改变包括热管技术在内的一般换热器壁面的“温度函数”特征，从而在保证金属壁面温度处于酸露点以2上解决低温腐蚀难题的同时，为大幅度回收烟气低温余热提供可能。复合相变换热器中的“相变段”是整个技术的核心部件之一。它将原热管换热器中相互独立的部分，通过优化设计构造成一个相互关联的整体，并充分利用“烟气横掠管束”使“相变换热”的换热能力具有“量级性（102以上）提高”的传热学特性，达到“相变段”金属壁面温度与烟气温度只有“较小梯度温降（温差10－20℃）”以及壁面温度原则上“独立于被加热工质温度”的特殊功能。同时通过“相变段”换热量的调节，还可以实现对受热面最低壁温面度的闭环控制，使壁面温度恒定或可调节，以适应燃料种类以及工况的变化。这样，在保证设备安全运行的前提下，实现大幅度回收烟气余热的节能目的。其核心内涵为：●能够在锅炉的设计和改造中，大幅度降低烟气的排放温度，使大量的中低温热能被有效回收，产生十分可观的经济效益；●在降低排烟温度的同时，保持金属受热面壁面温度处于较高的温度水平，远离酸露点的腐蚀区域，从根本上避免了结露腐蚀和由此发生的堵灰，大幅度降低设备的维护成本；●实现了换热器金属受热面最低壁面温度处于可控可调状态，使复合相变换热器具有相当幅度的调节能力，使排烟温度和壁面温度保持相对稳定，并能适应锅炉的燃料品种以及负荷的变化；●保留了热管换热器所具有的高效传热特性的同时，可通过设备上的排气阀排放产生的不凝气体H2等，避免其聚集上部影响换热，从而失效的致命弱点，大大延长了设备的使用寿命。相变段烟气120℃68℃30℃23t/h自控装置220℃水平烟道进除氧器复合相变换热器工艺流程图其工作过程如上图所示：相变换热器内置的螺旋翅片管通过吸收流经的高温烟气的热量，将其内部的液态水加热为气态蒸汽，升入其上部的汽包，再与流过汽包的除氧器用水进行热交换，降温冷凝为液态水后沉入螺旋翅片管底部再加热，周而复始，起到回用余热、提高除氧器给水温度的作用；并根据受热壁面温度，自动控制进入汽包换热的冷水量，从而控制排烟温度使其高于酸露点，防止受热面低温产生酸性腐蚀1.3设计主要技术经济指标计算分析单台23t/h注汽锅炉排烟温度由220℃降至120℃，运行时率80%、每年运行时间7200h。3●理论回收烟气热量Q)(1027360092.010012.1295.1277003600kwTCVQpggg式中Vg＝27700Nm3/h，为烟气流量；ρg＝1.295kg/Nm3，为烟气密度；Cpg＝1.12kJ/(kg℃)，为烟气比热；ΔT＝100℃表示前、后的排烟温度温差；取0.92为设备保热系数；即为：每小时回收热量1027KJ/s×3600s＝3697200KJ混配燃油的低位发热值为：41000KJ/Kg，考虑锅炉热效率80%每小时节约燃油：3697200KJ÷41000KJ/Kg÷80%＝112.72Kg则全年节约燃油：112.72Kg×7200÷1000＝811.58T●除氧器给水温度的提高ΔT℃＝3.382.42310276.36.3pwwCGQT式中Gw为除氧器给水流量Cpw为水比热；即为：锅炉23吨水量满负荷运行,全部流过复合相变换热器时水温可提高38.3℃通过以上计算分析可以预期相变换热新技术在注汽锅炉上使用后，在注汽锅炉本体不动，保证注汽锅炉尾部对流段不发生腐蚀的前提下，充分利用注汽锅炉排烟余热，可达到如下主要技术经济指标：●注汽锅炉的排烟温度降至120±5℃；●锅炉23吨水量满负荷运行,全部流过复合相变换热器时水温可提高38.3℃●全年节约燃油811.58T●注汽锅炉的效率将提高5%（燃油）、3%（燃气）；3复合相变换热器主要技术和经济设计参数复合相变换热器主要技术和经济设计参数表序号名称单位数据备注一技术参数1注汽锅炉年运行时间(全年80%运行)h720042注汽锅炉运行水量%80323t/h注汽锅炉年产高压蒸汽量t/a13.25×104蒸汽干度75%4注汽锅炉目前的排烟温度℃210-2705注汽锅炉目前的热效率%80-856注汽锅炉余热利用后的排烟温度℃1207注汽锅炉余热利用后的热效率%85-9011注汽锅炉余热利用热量（S）kW930-1027二经济参数1燃料油价格（原油22%、渣油78%）元/t310041000KJ/kg2电价元/kW.h0.733总投资万元804复合相变换热器使用效果分析4.1使用效果计算年运行时间：7884小时（运行时率为90%）。平均每小时通过复合相变换热器的软化水量为18.4吨，平均入口水温72℃、出口水温94℃，计算有效吸收热量:年回收余热：Q＝Cm△t＝4.2×18.4×1000(94-72)×7884＝1.34×1010KJ混配燃油低位发热量：41000KJ/Kg锅炉热效率：85%则年节约燃油：1.34×1010KJ÷41000KJ/Kg÷1000÷0.85＝384.5(T)4.2成本节约分析注汽站单台23t/h注汽锅炉采用余热利用装置后，年节约成本费用为104.6万元，不含建设期（建设期两个月）的投资回收年限约为80/104.6≈0.76（年）（10个月）。具体见下表年节约成本费用表序号名称单位数据备注1注汽锅炉的热效率提高量%52年节约燃料油量t/a384.53年增加耗电量kW.h/a788404年节约燃料油费用万元119.23100元/t55年增加电力消耗费用万元5.760.73元/kW.h6年增加投资折旧费用万元6.4投资的8%7年增加维护费用万元2.4投资的3%8年节约成本费用万元104.64.3存在问题●设计相变换热装置的烟气流量为27700Nm3/h，但实际注汽锅炉不能保持满负荷运行，实际通过烟气量减少，造成相变换热器吸热不足，年实际节油由设计计算的811吨下降为384.5吨。●由于当初设计烟气流量过大，造成引风机配用电机过大为55Kw，实际应用中采用变频降低为20HZ,实际耗电量仅为10Kw，造成设备投资浪费和电能浪费。5、结论相变换热技术在注汽锅炉使用，锅炉本体，给水、燃烧系统，控制系统均维持不变。其大幅度地降低锅炉排烟温度，提高锅炉热效率，并有效避免复合相变换热结露、腐蚀和堵灰，年节约燃油384.5吨，价值119.2万元，扣除一切费用及损耗，年节约104.6万元，大约10个月就可收回投资成本。对于存在的问题，通过选用小功率的引风机电机够用即可，或以注汽站为单位2台或多台锅炉排烟并联，共用一套相变换热装置，降低设备投资和电机无效功耗，实现规模效益，若在全厂其他20余台注汽锅炉上推广使用，将会年节约2000万左右。使注汽锅炉由耗能大户转为节能大户迈出坚实的一大步，为实现我厂可持续发展奠定基础。