以热平衡角度浅析注汽锅炉富氧燃烧节能效率

朱红军，王春华，崔志强，陈泽弘，于慧鹏

（1. 辽宁石油化工大学，辽宁 抚顺 113001； 2. 中国石油广东石化分公司, 广东 揭阳 515200）

以热平衡角度浅析注汽锅炉富氧燃烧节能效率

朱红军1，王春华1，崔志强1，陈泽弘1，于慧鹏2

（1. 辽宁石油化工大学，辽宁 抚顺 113001； 2. 中国石油广东石化分公司, 广东 揭阳 515200）

简要介绍了富氧燃烧技术在油田注气锅炉上的应用及其制取方法；根据已知锅炉参数和燃料特性计算出正常空气和富氧空气燃烧两种情况下的助燃剂量与烟气量；从热平衡角度对富氧燃烧节能效率和燃料节约率进行了理论计算。由计算可知应用富氧燃烧后助燃剂量、烟气量、燃料消耗量、排烟热损失均有不同程度的降低；排烟热损失是影响富氧燃烧节能效率的主要因素，由此提出降低排烟热损失进而提高节能效率的措施，从而为富氧燃烧技术的应用提供参考意见。

富氧燃烧技术；油田注汽锅炉；节能效率；热平衡

富氧燃烧技术又称作空气分离技术或烟气再循环技术，简单地说富氧燃烧技术就是用比通常空气浓度大于21%的空气或纯氧气来代替燃料燃烧所需要的氧化剂，它是一项高效节能的燃烧技术，此技术在冶金工业及热能工程领域中都有很好的发展前景[1,2]。

富氧燃烧主要有以下三个特点：

（1）以纯氧代替空气作为燃烧的氧化剂来进行燃料燃烧，以便获得较高浓度的CO2。

（2）为了较好地控制炉内火焰温度和维持合适的火焰传热特性，需要部分烟气进入锅炉中进行再循环，以便获得较为完全的燃烧产物。

（3）在富氧燃烧技术下有利于CO2的捕集和压缩，以便对燃烧产物CO2的高效利用。

1　富氧燃烧技术在油田注汽锅炉上的应用

目前国内油田行业最常用的是膜分离技术。简单说就是指在分子水平上不同粒径分子的混合物在通过半透膜时，实现选择性分离的技术。各种不同气体透过此膜速度不同，氧透过此膜的速度要比氮快2～5倍，这样就可在单位时间内得到更多的氧，同时氮的含量降低[3-5]。近年来，局部增氧助燃技术和膜分离进行结合，形成新的节能环保技术——膜法富氧助燃技术。膜法分离法是指利用空气中各组分透过高分子膜时的渗透速率不同，在压力差驱动下，将空气中的氧气富集来获得富氧空气的技术；局部增氧降低整体富氧的投资成本，通过富氧喷嘴将富氧喷射到合理的炉内部位，使燃料快速着火燃烧，这样所配富氧量很少，仅为所需助燃风量的1%～5%，不但节约能源，还能提高锅炉蒸发量，消除烟尘污染等[3-10]。

目前已经成功应用于油田行业上各种燃油、燃气和燃煤注汽锅炉，均具有显著的经济效益和社会效益。但目前对富氧燃烧注汽锅炉节能率说法不一，文章以富氧燃烧注汽锅炉热平衡为体系，用理论计算的方法探讨富氧燃烧技术在注汽锅炉上的节能率。

2　富氧燃烧技术的节能效率计算

2.1富氧燃烧燃料燃烧计算

2.1.1基础数据

（1）注汽锅炉参数(表2)

表1　注汽锅炉参数Table 1 Parameters of steam injection boiler

（2）燃料性质

锅炉用燃料如表2所示。

表2　锅炉燃料Table 2 Boiler fuel

已知过量空气系数为[11]：

采用富氧燃烧后，由于氧的浓度增加,烟气中CO与H2的含量减少,从而使 CO2、H2O、SO2即RO2的含量比例增大, 则α可取较小的值。这里全空气助燃时，过剩空气系数为1.1，富氧空气时，氧气浓度为30%，过剩富氧空气系数取1.05。

2.1.2燃料燃烧计算

每千克燃油燃烧所需纯氧量、实际空气量、实际富氧空气量及燃烧产物量如表3所示。

表3　每千克燃油燃烧所需空气量及燃烧产物量Table 3 Amount of air and flue gas (per kilogram of fuel)

2.2富氧燃烧节能效率计算

在锅炉机组稳定运行的热力状态下，1kg燃料带入炉内的热量、锅炉的有效利用热量和热损失之间有如下的关系[12]：

式中：Qf— 1kg燃料带入炉内的热量，kJ/kg；

Q1— 锅炉有效利用热量，kJ/kg；

Q2— 排烟热损失，kJ/kg；

Q3— 化学未完全燃烧热损失，kJ/kg；

Q4— 机械未完全燃烧热损失，kJ/kg；

Q5— 锅炉散热损失，kJ/kg；

Q6— 其他热损失，kJ/kg。

对于燃油锅炉，Q4和Q6均为零。

假设在全空气燃烧和富氧空气燃烧两种情况下，燃油完全燃烧，且锅炉无散热损失，即Q3=Q5=0

由此上式可简化为：

对于燃气或燃油锅炉，每千克燃料带入锅炉的热量为：

式中：Qar,net— 燃料收到基低位发热量，kJ/kg；

Qph— 燃料的物理显热，kJ/kg；

Qex— 用锅炉以外的热量加热空气/富氧空气时，空气/富氧空气带入锅炉的热量，kJ/kg；

Qat— 用蒸汽雾化燃料油时，雾化蒸汽带入锅炉的热量，kJ/kg。

本锅炉采用转杯式燃油燃烧器，则 Qat=0，取热平衡计算基准为20 ℃。

则燃料的物理热为：

式中：cf—燃料20 ℃至tf的平均比热容，其值为 kJ/(kg·℃)

tf— 燃料的温度，℃。

热平衡计算基准为20 ℃， 则空气自身的物理热为零。于是

假设在全空气燃烧和富氧空气燃烧两种情况下，排烟温度相同，均为180 ℃。

全空气燃烧排烟热损失：

富氧空气燃烧排烟热损失：

上述两式中，Vy1、Vy2—分别为全空气燃烧和富氧空气燃烧两种情况下相对应的烟气量，m3/kg；

cy1、cy2—分别为全空气燃烧和富氧空气燃烧两种情况下相对应的烟气平均比热，kJ/(m3·K)。

全空气燃烧有效利用热：

富氧空气燃烧有效利用热：

富氧燃烧时燃料节约率：

节能效率：

具体计算结果详见表4。

表4　节能计算结果Table 4 Results of energy-saving

3　经济性分析

上述计算未考虑化学不完全燃烧热损失、散热损失。采用富氧燃烧技术后，化学不完全燃烧热损失、散热损失都有所降低，节能率应超过2.4%。对本锅炉22.5 t/h生产来说，使用富氧燃烧后，每小时可节约用油35.3 kg，年节油量254.03 t（按300天计算），按目前渣油价格4 000元/t，每年节省油费101.61万元人民币。

另外配套的电机功率降低，节省了电费。本锅炉电机功率为30 kW，使用富氧燃烧后，空气量减少了33%，则鼓风机功率相应减少33%，每年节约用电可达71 280 kW·h，目前按沈阳标准收费，每度电0.53元来计算，每年可省37 778.4元人民币。

富氧装置投资额约为33万元，投资收益远超过投资额，所以富氧燃烧技术节能效果显著，值得推广应用。

4　提高节能效率的措施

由上述计算可知，影响节能效率的主要是排烟热损失。影响排烟热损失的主要因素是排烟量和排烟温度。由此可提出以下降低排烟热损失的措施，进而提高节能效率：

（1）强化燃烧效果，合理配比一次风、二次风：对于转杯式雾化燃烧器而言，一次风量越大，油滴越小，雾化效果越好，但由于油雾着火点一般离喷口不远，过多的空气供入火焰根部，会破坏着火条件。所以送入的一次风量既要保证足够大，有一定的限制，一般为15%～20%。二次风也要及时、适量的送入，与燃油良好混合燃烧，当燃烧不好时，出现冒黑烟现象时，会使受热面挂灰，传热热阻增加，导致排烟温度升高。

（2）定期对受热面进行除灰。受热面结渣、积灰因烟侧的传热热阻增大，传热恶化使烟气的冷却效果变差，导致排烟温度升高。

（3）加强炉膛和烟道的密封性。避免锅炉尾部密封破坏，大量冷风进入炉膛，漏风严重，使排烟量增加，导致排烟热损失增加。

5　结束语

由以上计算数据结果表明，在富氧燃烧技术下注汽锅炉的效率得到了较大的提高，同时燃料的消耗与经济成本得到了较大的削减，在当今时代，面对能源日趋减少，新型能源开发难度大，投资成本高以及使用效率低等诸多问题，富氧燃烧技术在能源工业领域得到了充分的发展，与此同时在富氧燃烧技术下，燃烧温度得到了提高，燃烧产物得到高效的利用，增加了可观的经济收益。此外富氧燃烧技术不仅仅在能源利用方面有着巨大的突破，同时还符合当今时代发展绿色环保的理念，就目前的能源发展方向来看，富氧燃烧技术在各行各业具有很好的发展前景。

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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

朱红军（1992-），男，辽宁凌源人。E-mail：782182975@qq.com。

王春华（1980-），女，讲师，博士，研究方向：从事工业窑炉及石油化工加热炉的燃烧、传热技术研究与优化设计。E-mail：chunhua07@163.com。