热管换热器在注汽锅炉烟气余热回收中的应用

摘要：为了进一步降低高稠油热采能耗，提高油田注汽锅炉热效率，提出了采用热管换热技术以降低锅炉排烟温度。通过对热采注汽锅炉综合热效率分析，得出排烟温度过高为影响锅炉热效率的主要因素之一，利用热管换热技术对进入锅炉空气进行预热，在低锅炉排烟温度、有效的解决酸露点附近换热问题的同时，显著的提高了锅炉的热效率。

关键词：注汽锅炉；热效率；热管换热器；余热回收；

中图分类号： TK229文献标识码：A文章编号：

油田注汽锅炉是稠油开采的重要设备之一，也是开采过程中的主要耗能环节。根据目前油田注汽锅炉的热平衡数据及结果分析可知，注汽锅炉的主要热损失为排烟损失，可达到热量总损失的80%以上，其次为设备散热损失和燃料不完全燃烧损失[1]。为了防止锅炉尾部受热面的酸露点腐蚀，目前直流型高压蒸汽锅炉，工业燃油、燃气、燃煤注汽锅炉在设计制造时规定其排烟温度一般不低于180℃，而在实际运行中，由于锅炉结构特点缺陷、锅炉积灰等原因，其排烟温度往往高于设计值，较高时可达300℃。针对注汽锅炉余热回收问题，目前国内外许多专家学者对其进行了大量理论研究工作，取得了一些很有价值的成果[2～6]，本文针对注汽锅炉酸露点附近的余热回收问题，提出采用热管技术以降低排烟温度，对油田注汽锅炉具体实例进行了热效率计算，对热管换热技术的基本特征及热管换热设备用于锅炉烟气余热回收的经济效益进行了具体的分析。

1 注汽锅炉热效率分析

油田注汽锅炉在稠油开采当中承担产生过热蒸汽的任务，其按照我国规定的注汽锅炉设计排烟标准：燃气时排烟温度不超过180℃，燃油时排烟温度不超过240℃，而在油田实际开采中，大部分注汽锅炉排烟温度均大于设计值，所以由排烟造成的排烟热损失为锅炉主要热损失。以某一注汽锅炉为实例进行分析计算，锅炉参数如下：额定蒸发量为23t/h，蒸汽加热温度为310℃，额定压力为9.5 MPa，燃料为天然气，烟气体积流量为20000Nm3/h。取锅炉过余空气系数为=1.30，当锅炉具有不同排烟温度时，其热效率也不同，具体计算结果见表1。

表1 不同排烟温度下注汽锅炉热效率分析结果

图2 锅炉热效率与排烟温度的关系

由图2可知，注汽锅炉的热效率随锅炉排烟温度的降低而升高，当锅炉排烟温度降至170℃时，其热效率可达到88%以上，而由于排烟造成的热损失可降至8.09%，所以降低锅炉排烟温度可有效提高锅炉热效率。

2 热管换热技术的基本特征

热管技术充分利用了热传导原理与致冷介质的快速热传递性质，透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外，其导热能力超过任何已知金属的导热能力当量热导率可达金属的103-104倍。其结构示意图如图3所示。

图3 热管结构示意图

典型的热管换热器由管壳、吸液芯、端盖和内部工质组成，管壳一般为金属材料制成，管壳内壁附有一层由多孔性材料制成的吸液芯，以利用毛细力使工作液体在吸液芯内不受热管位置的限制而移动，管内抽成1.3×10-1―1.3×10-4 Pa的负压后，充入适量工质加以密封。热管的一段为蒸发段，另一端为冷凝段，工作时蒸发段的龚作业液被热管外的热流体加热，吸取显热蒸发，其蒸汽经过绝热段流向冷凝段放出潜热加热热管外的冷流体，工作液蒸汽凝结为液体，通过吸液芯毛细力的作用返回到蒸发段，完成工作循环。由于热管换热技术是依靠热管内部工质相变来实现传热的，所以相对于传统的换热设备，其具较强的导热性、热流密度可变性、恒温特性较好和抗积灰能力等明显优势。

3 热管换热技术实际应用方案与分析

针对辽河油田某注汽站4#注汽锅炉热效率分析情况，提出优化方案：采用气―气热管式空气换热器代替原有的管式空气预热器，该热管式空气换热器为重力热管，与常规热管相比，重力热管内无吸液芯，热管需倾斜一定角度或竖直布置，由管内工质自身重力完成循环。热管竖直布置在烟道内，上下两侧通道由中间隔板隔开，工作时高温烟气走下侧，被余热空气走上侧，烟气流经空预器烟道冲刷热管下端（即蒸发段），热管吸热，热管内部工质受热汽化而携带烟气热量传向上端（即冷凝段），此时空气冲刷热管上端，热管放热以达到余热进炉空气，改造后的工艺流程如图3所示。

图3 热管式空气预热器工艺流程

热管式空气预热器实际投入运用后，相同工况下注汽锅炉主风温度明显升高，锅炉排烟温度降低，锅炉热效率得到了很大程度的提高，表2为相同工况下热管式空预器与传统管式空预器的比较结果，平均空气温度为10℃，烟气平均流量为19600m3/h。

表2 热管式空预器与管式空预器比较结果

由分析结果可得出：锅炉改装后空预器余热主风温度升高了32.4℃，排烟温度降低了29.62℃，烟气压降降低49Pa，锅炉热效率提高3.11%。改造前锅炉在正常运行下每吨蒸汽消耗的天然气为87.64m3，改装完成后每吨蒸汽消耗的天然气为84.55m3，平均每吨蒸汽消耗的天然气降低3.09m3，按天然气价格为1.8元/m3,则改装后一台23t/h注汽锅炉每年(按180天计算)可节约成本为：3.09×23×24×180×1.8=55.26万元，预计投资回收期为7-9个月。

4 结论

（1）锅炉排烟温度为影响油田注汽锅炉热效率的主要原因，排烟热损失在8%-13%左右，当采取措施使锅炉排烟温度降低时，锅炉热效率随之提高，在锅炉过余空气系数取=1.30时，降低排烟温度使锅炉热效率达到88%是有可能的。

（2）作为新型的换热技术，热管式空气预热器在回收烟气余热、提高锅炉热效率方面有明显优点，能够很好的解决烟气酸露点附近换热问题，分析表明：较管式空预器而言，热管式空预器有更好的效果，相同工况下，使用热管式空预器可使锅炉热效率提高3.11%。

参考文献：

[1] 刘继和，孙素凤.注汽锅炉[M].北京：石油工业出版社，2007:11-47.

[2] 吴伟栋,孙运生等.稠油热采注汽锅炉烟气余热回收利用[J].节能,2009(5):40-41.

[3] 廖洪波.一种提高油田注汽锅炉热效率方法的可行性研究[J].特种油气藏,2006(6):98-100.

[4] 杨世铭,陶文铨.传热学[M].北京:高等教育出版社, 2006: 331-335.