朱紅軍，王春華，崔志強(qiáng)，陳澤弘，于慧鵬

（1. 遼寧石油化工大學(xué)，遼寧 撫順 113001； 2. 中國(guó)石油廣東石化分公司, 廣東 揭陽(yáng) 515200）

以熱平衡角度淺析注汽鍋爐富氧燃燒節(jié)能效率

朱紅軍1，王春華1，崔志強(qiáng)1，陳澤弘1，于慧鵬2

（1. 遼寧石油化工大學(xué)，遼寧 撫順 113001； 2. 中國(guó)石油廣東石化分公司, 廣東 揭陽(yáng) 515200）

簡(jiǎn)要介紹了富氧燃燒技術(shù)在油田注氣鍋爐上的應(yīng)用及其制取方法；根據(jù)已知鍋爐參數(shù)和燃料特性計(jì)算出正常空氣和富氧空氣燃燒兩種情況下的助燃劑量與煙氣量；從熱平衡角度對(duì)富氧燃燒節(jié)能效率和燃料節(jié)約率進(jìn)行了理論計(jì)算。由計(jì)算可知應(yīng)用富氧燃燒后助燃劑量、煙氣量、燃料消耗量、排煙熱損失均有不同程度的降低；排煙熱損失是影響富氧燃燒節(jié)能效率的主要因素，由此提出降低排煙熱損失進(jìn)而提高節(jié)能效率的措施，從而為富氧燃燒技術(shù)的應(yīng)用提供參考意見(jiàn)。

富氧燃燒技術(shù)；油田注汽鍋爐；節(jié)能效率；熱平衡

富氧燃燒技術(shù)又稱作空氣分離技術(shù)或煙氣再循環(huán)技術(shù)，簡(jiǎn)單地說(shuō)富氧燃燒技術(shù)就是用比通?？諝鉂舛却笥?1%的空氣或純氧氣來(lái)代替燃料燃燒所需要的氧化劑，它是一項(xiàng)高效節(jié)能的燃燒技術(shù)，此技術(shù)在冶金工業(yè)及熱能工程領(lǐng)域中都有很好的發(fā)展前景[1,2]。

富氧燃燒主要有以下三個(gè)特點(diǎn)：

（1）以純氧代替空氣作為燃燒的氧化劑來(lái)進(jìn)行燃料燃燒，以便獲得較高濃度的CO2。

（2）為了較好地控制爐內(nèi)火焰溫度和維持合適的火焰?zhèn)鳠崽匦裕枰糠譄煔膺M(jìn)入鍋爐中進(jìn)行再循環(huán)，以便獲得較為完全的燃燒產(chǎn)物。

（3）在富氧燃燒技術(shù)下有利于CO2的捕集和壓縮，以便對(duì)燃燒產(chǎn)物CO2的高效利用。

1　富氧燃燒技術(shù)在油田注汽鍋爐上的應(yīng)用

目前國(guó)內(nèi)油田行業(yè)最常用的是膜分離技術(shù)。簡(jiǎn)單說(shuō)就是指在分子水平上不同粒徑分子的混合物在通過(guò)半透膜時(shí)，實(shí)現(xiàn)選擇性分離的技術(shù)。各種不同氣體透過(guò)此膜速度不同，氧透過(guò)此膜的速度要比氮快2～5倍，這樣就可在單位時(shí)間內(nèi)得到更多的氧，同時(shí)氮的含量降低[3-5]。近年來(lái)，局部增氧助燃技術(shù)和膜分離進(jìn)行結(jié)合，形成新的節(jié)能環(huán)保技術(shù)——膜法富氧助燃技術(shù)。膜法分離法是指利用空氣中各組分透過(guò)高分子膜時(shí)的滲透速率不同，在壓力差驅(qū)動(dòng)下，將空氣中的氧氣富集來(lái)獲得富氧空氣的技術(shù)；局部增氧降低整體富氧的投資成本，通過(guò)富氧噴嘴將富氧噴射到合理的爐內(nèi)部位，使燃料快速著火燃燒，這樣所配富氧量很少，僅為所需助燃風(fēng)量的1%～5%，不但節(jié)約能源，還能提高鍋爐蒸發(fā)量，消除煙塵污染等[3-10]。

目前已經(jīng)成功應(yīng)用于油田行業(yè)上各種燃油、燃?xì)夂腿济鹤⑵仩t，均具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。但目前對(duì)富氧燃燒注汽鍋爐節(jié)能率說(shuō)法不一，文章以富氧燃燒注汽鍋爐熱平衡為體系，用理論計(jì)算的方法探討富氧燃燒技術(shù)在注汽鍋爐上的節(jié)能率。

2　富氧燃燒技術(shù)的節(jié)能效率計(jì)算

2.1富氧燃燒燃料燃燒計(jì)算

2.1.1基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

（1）注汽鍋爐參數(shù)(表2)

表1　注汽鍋爐參數(shù)Table 1 Parameters of steam injection boiler

（2）燃料性質(zhì)

鍋爐用燃料如表2所示。

表2　鍋爐燃料Table 2 Boiler fuel

已知過(guò)量空氣系數(shù)為[11]：

采用富氧燃燒后，由于氧的濃度增加,煙氣中CO與H2的含量減少,從而使 CO2、H2O、SO2即RO2的含量比例增大, 則α可取較小的值。這里全空氣助燃時(shí)，過(guò)剩空氣系數(shù)為1.1，富氧空氣時(shí)，氧氣濃度為30%，過(guò)剩富氧空氣系數(shù)取1.05。

2.1.2燃料燃燒計(jì)算

每千克燃油燃燒所需純氧量、實(shí)際空氣量、實(shí)際富氧空氣量及燃燒產(chǎn)物量如表3所示。

表3　每千克燃油燃燒所需空氣量及燃燒產(chǎn)物量Table 3 Amount of air and flue gas (per kilogram of fuel)

2.2富氧燃燒節(jié)能效率計(jì)算

在鍋爐機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的熱力狀態(tài)下，1kg燃料帶入爐內(nèi)的熱量、鍋爐的有效利用熱量和熱損失之間有如下的關(guān)系[12]：

式中：Qf— 1kg燃料帶入爐內(nèi)的熱量，kJ/kg；

Q1— 鍋爐有效利用熱量，kJ/kg；

Q2— 排煙熱損失，kJ/kg；

Q3— 化學(xué)未完全燃燒熱損失，kJ/kg；

Q4— 機(jī)械未完全燃燒熱損失，kJ/kg；

Q5— 鍋爐散熱損失，kJ/kg；

Q6— 其他熱損失，kJ/kg。

對(duì)于燃油鍋爐，Q4和Q6均為零。

假設(shè)在全空氣燃燒和富氧空氣燃燒兩種情況下，燃油完全燃燒，且鍋爐無(wú)散熱損失，即Q3=Q5=0

由此上式可簡(jiǎn)化為：

對(duì)于燃?xì)饣蛉加湾仩t，每千克燃料帶入鍋爐的熱量為：

式中：Qar,net— 燃料收到基低位發(fā)熱量，kJ/kg；

Qph— 燃料的物理顯熱，kJ/kg；

Qex— 用鍋爐以外的熱量加熱空氣/富氧空氣時(shí)，空氣/富氧空氣帶入鍋爐的熱量，kJ/kg；

Qat— 用蒸汽霧化燃料油時(shí)，霧化蒸汽帶入鍋爐的熱量，kJ/kg。

本鍋爐采用轉(zhuǎn)杯式燃油燃燒器，則 Qat=0，取熱平衡計(jì)算基準(zhǔn)為20 ℃。

則燃料的物理熱為：

式中：cf—燃料20 ℃至tf的平均比熱容，其值為 kJ/(kg·℃)

tf— 燃料的溫度，℃。

熱平衡計(jì)算基準(zhǔn)為20 ℃， 則空氣自身的物理熱為零。于是

假設(shè)在全空氣燃燒和富氧空氣燃燒兩種情況下，排煙溫度相同，均為180 ℃。

全空氣燃燒排煙熱損失：

富氧空氣燃燒排煙熱損失：

上述兩式中，Vy1、Vy2—分別為全空氣燃燒和富氧空氣燃燒兩種情況下相對(duì)應(yīng)的煙氣量，m3/kg；

cy1、cy2—分別為全空氣燃燒和富氧空氣燃燒兩種情況下相對(duì)應(yīng)的煙氣平均比熱，kJ/(m3·K)。

全空氣燃燒有效利用熱：

富氧空氣燃燒有效利用熱：

富氧燃燒時(shí)燃料節(jié)約率：

節(jié)能效率：

具體計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表4。

表4　節(jié)能計(jì)算結(jié)果Table 4 Results of energy-saving

3　經(jīng)濟(jì)性分析

上述計(jì)算未考慮化學(xué)不完全燃燒熱損失、散熱損失。采用富氧燃燒技術(shù)后，化學(xué)不完全燃燒熱損失、散熱損失都有所降低，節(jié)能率應(yīng)超過(guò)2.4%。對(duì)本鍋爐22.5 t/h生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，使用富氧燃燒后，每小時(shí)可節(jié)約用油35.3 kg，年節(jié)油量254.03 t（按300天計(jì)算），按目前渣油價(jià)格4 000元/t，每年節(jié)省油費(fèi)101.61萬(wàn)元人民幣。

另外配套的電機(jī)功率降低，節(jié)省了電費(fèi)。本鍋爐電機(jī)功率為30 kW，使用富氧燃燒后，空氣量減少了33%，則鼓風(fēng)機(jī)功率相應(yīng)減少33%，每年節(jié)約用電可達(dá)71 280 kW·h，目前按沈陽(yáng)標(biāo)準(zhǔn)收費(fèi)，每度電0.53元來(lái)計(jì)算，每年可省37 778.4元人民幣。

富氧裝置投資額約為33萬(wàn)元，投資收益遠(yuǎn)超過(guò)投資額，所以富氧燃燒技術(shù)節(jié)能效果顯著，值得推廣應(yīng)用。

4　提高節(jié)能效率的措施

由上述計(jì)算可知，影響節(jié)能效率的主要是排煙熱損失。影響排煙熱損失的主要因素是排煙量和排煙溫度。由此可提出以下降低排煙熱損失的措施，進(jìn)而提高節(jié)能效率：

（1）強(qiáng)化燃燒效果，合理配比一次風(fēng)、二次風(fēng)：對(duì)于轉(zhuǎn)杯式霧化燃燒器而言，一次風(fēng)量越大，油滴越小，霧化效果越好，但由于油霧著火點(diǎn)一般離噴口不遠(yuǎn)，過(guò)多的空氣供入火焰根部，會(huì)破壞著火條件。所以送入的一次風(fēng)量既要保證足夠大，有一定的限制，一般為15%～20%。二次風(fēng)也要及時(shí)、適量的送入，與燃油良好混合燃燒，當(dāng)燃燒不好時(shí)，出現(xiàn)冒黑煙現(xiàn)象時(shí)，會(huì)使受熱面掛灰，傳熱熱阻增加，導(dǎo)致排煙溫度升高。

（2）定期對(duì)受熱面進(jìn)行除灰。受熱面結(jié)渣、積灰因煙側(cè)的傳熱熱阻增大，傳熱惡化使煙氣的冷卻效果變差，導(dǎo)致排煙溫度升高。

（3）加強(qiáng)爐膛和煙道的密封性。避免鍋爐尾部密封破壞，大量冷風(fēng)進(jìn)入爐膛，漏風(fēng)嚴(yán)重，使排煙量增加，導(dǎo)致排煙熱損失增加。

5　結(jié)束語(yǔ)

由以上計(jì)算數(shù)據(jù)結(jié)果表明，在富氧燃燒技術(shù)下注汽鍋爐的效率得到了較大的提高，同時(shí)燃料的消耗與經(jīng)濟(jì)成本得到了較大的削減，在當(dāng)今時(shí)代，面對(duì)能源日趨減少，新型能源開(kāi)發(fā)難度大，投資成本高以及使用效率低等諸多問(wèn)題，富氧燃燒技術(shù)在能源工業(yè)領(lǐng)域得到了充分的發(fā)展，與此同時(shí)在富氧燃燒技術(shù)下，燃燒溫度得到了提高，燃燒產(chǎn)物得到高效的利用，增加了可觀的經(jīng)濟(jì)收益。此外富氧燃燒技術(shù)不僅僅在能源利用方面有著巨大的突破，同時(shí)還符合當(dāng)今時(shí)代發(fā)展綠色環(huán)保的理念，就目前的能源發(fā)展方向來(lái)看，富氧燃燒技術(shù)在各行各業(yè)具有很好的發(fā)展前景。

［1］曹 陽(yáng), 林鵬云, 羅永浩,等. 燃煤電站鍋爐富氧燃燒技術(shù)研究進(jìn)展綜述[J]. 鍋爐技術(shù), 2012, 43(1):45-48.

［2］張霞, 童莉葛, 王立,等. 富氧燃燒技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀分析[J]. 冶金能源, 2007,26(6):41-44; 60.

［3］宋圓圓. 富氧燃燒方式下燃油鍋爐燃燒特性的研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2009．

［4］陳勇, 王從厚, 吳鳴. 氣體膜分離技術(shù)與應(yīng)用[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2004: 144-273.

［5］沈光林, 于軒. 膜法富氧助燃技術(shù)在油田中的應(yīng)用[J]. 石油工程建設(shè), 2006, 32(3):19-22.

［6］沈光林, 牛正東, 陳勇, 等. 國(guó)內(nèi)局部增氧助燃技術(shù)研究及應(yīng)用進(jìn)展[J]. 應(yīng)用科技, 2003, 30(1): 51-54.

［7］潘亮. 富氧燃燒火焰特性與熱工特性的試驗(yàn)研究[D]. 長(zhǎng)春：吉林大學(xué), 2007.

［8］王賁. 富氧燃燒方式下典型煤種的 NO 釋放特性及其化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模擬[D].武漢：華中科技大學(xué), 2012.

［9］Hayashi J I, Hirama T, Okawa R, et al. Kinetic relationship between N0/N20 reduction and O2 consumption during flue-gas recycling coal combustion in a bubbling fluidized-bed [J]. Fuel.,2002, 81 (9): 1179-1188.

［10］Hao Liu, Ramlan Zailani, M. G. Bernard. Comparisons of pulverized coal combustion in air and in mixtures of O2/CO2. Fuel., 2005,84(7/8): 833-840.

［11］汪軍, 馬其良. 工程燃燒學(xué)[M].北京: 中國(guó)電力出版社，2008.

［12］周強(qiáng)泰. 鍋爐原理[M].北京: 中國(guó)電力出版社，2009.

Energy-saving Efficiency Analysis of Steam Injection Boiler With Oxygen-enriched Combustion Process in the View of Thermal Balance

ZHU Hong-jun1, WANG Chun-hua1, CUI Zhi-qiang1, CHEN Ze-hong1, YU Hui-peng2
（1. Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China；2. PetroChina Guangdong Petrochemical Company, Guangdong Jieyang 515200, China）

Application of oxygen-enriched combustion technology in oil field steam injection boilers and its preparation method were introduced. According to the known parameters of boiler and fuel properties, amounts of combustion improver and flue gas were calculated for two cases of normal air combustion and oxygen-enriched combustion. Energy-saving efficiency was also calculated in the view of thermal balance. The results show that amounts of combustion improver, flue gas, fuel and the heat loss of flue gas all reduce; The heat loss of flue gas is the main factor to affect the efficiency of energy saving. Thus the measures to improve the efficiency are put forward, which can provide the reference for application of oxygen-enriched combustion technology in future.

Oxygen-enriched combustion technology; Steam injection boiler; Energy-saving efficiency; Thermal balance

TK 11

A

1671-0460（2014）12-2652-03

2014-05-25

朱紅軍（1992-），男，遼寧凌源人。E-mail：782182975@qq.com。

王春華（1980-），女，講師，博士，研究方向：從事工業(yè)窯爐及石油化工加熱爐的燃燒、傳熱技術(shù)研究與優(yōu)化設(shè)計(jì)。E-mail：chunhua07@163.com。