烟气与液体介质直接换热技术研究及应用

何安群（大庆油田有限责任公司第一采油厂）

油田加热炉是油田中转站，联合站必不可少的设备之一，主要用于热洗、掺水、采暖、原油输送等工艺加热过程。常规加热炉一般采用“火焰和高温烟气把热量传递给换热面，热量再由换热面传递给介质”的热量传递过程。在生产运行中，换热面结垢是不可避免的，导致运行热效率降低、燃料消耗增加、除垢等生产运行费用增加。本文采用烟气与水直接换热的热交换方式，研制了直接换热式油田加热炉，从而解决了其结垢所带来的能源消耗大、除垢费用高等问题，运行热效率较常规加热炉提高了10个百分点，节气量超过11.2%。此外，该加热炉属常压加热炉，炉内被加热介质与大气相通，使用安全可靠；并且由于其不承压、无受热面，因此降低了成本、缩小了占地面积。同时，因被加热介质在换热过程中对烟气起到了净化作用，该加热炉还有利于环保。

1 直接换热机理研究

1.1 高温烟气的形成及流动

在大庆油田，在用加热炉所消耗的燃料以天然气为主[1]，本文研究过程中相应地以天然气燃料为研究对象。这里的高温烟气指的是天然气与空气燃烧后的产物，由于燃烧时放出来的热量被其携带着，这些产物温度很高并以气态存在，所以称之为高温烟气。

1.1.1 高温烟气的形成

由于加热炉炉膛的出口温度远远超过水蒸气的凝结温度，故有关高温烟气的计算均采用低发热值。关于高温烟气，主要参数有理论空气量、烟气量、烟焓等。

天然气中的可燃物质包括H2、CO、H2S和C1～C7烃类气体等，其组成一般用体积分数表示。高温烟气的各项参数都可按各组分的体积分数和各组分的性质计算得到。

理论空气量可由下式求得：

实际烟气质量可由下式求得：

烟气热焓可由下式求得：

1.1.2 高温烟气的流动

为了实现烟气与液体介质直接换热，燃料燃烧化学反应全部在炉膛内进行，换热全部在换热室中进行，因此，炉膛内天然气与空气的混合要尽可能地好。天然气气流的速度及天然气与空气间的相对速度决定着混合的强弱。在气流处于层流状态时，混合速度与流速无关，流速越大则火焰越长；在湍流状态下，混合很强烈，气流速度加大则火焰长度缩短；气、气的相对速度越大，则混合越强烈。为缩短混合所需的时间，减少炉膛尺寸、降低炉膛耗钢量，把大股的天然气分成多股小气流旋转喷入空气流中效果最佳[2-3]。

这样，天然气和空气进入炉膛后很快混合，混合气体一边燃烧一边以旋流的方式在炉膛内流动，旋流进气方式不但缩短了火焰长度，而且其所产生的向心力对燃烧道中的高温燃气流产生回流运动，形成回焰燃烧。回焰燃烧不仅可以增强燃烧段热强度，而且可对刚进入炉膛的气体起到预热和稳定点火源的作用。燃烧产生的高温烟气靠炉膛内压头作用流入换热室与低温液体直接接触换热，后经烟囱排入大气。

1.1.3 高温烟气流对换热的影响

高温烟气的压力、速度、温度等参数分布直接影响着后面与低温液体介质之间的换热效率，主要表现在以下几个方面：

1）高温烟气的压力要适当。如果过高，在接触换热过程中，一些细小的液滴会被烟气带出加热炉，造成热量损失，致使加热炉热效率下降。

2）速度和压力是一致的，其数值也应适当。

3）温度分布尽可能要均匀。

1.2 低温液体的流动

烟气与液体介质直接换热主要是高温烟气与低温液体接触换热，其换热量的计算公式如下：

式中：A是换热面积，在这里指的是低温液体的表面积；h是换热系数，其大小与换热过程中的许多因素有关，不仅取决于流体的物性（λ、 μ、 ρ、cp等）以及换热表面的形状、大小与布置，而且还与流速有密切关系，在这里物性等因素已经是定值，所以主要取决于流速；Δt是温差，在整个换热过程中，高温烟气和低温液体的温度随着换热的进行不断变化，因此温差也变化，取对数平均温差Δtm=(ΔTmax- ΔTmin)/ln(ΔTmax/ΔTmin)。

从上面分析可以看出：低温液体的表面积和流速对换热的影响是最大的，因此，从强化换热的角度考虑，决定采取喷淋的形式（图1）。在液体循环系统压力允许的前提下，应尽可能地增大低温液体的表面积和流速，即：低温液体是以喷淋的形式进入换热室的，依靠自身的初速度以及重力的作用在换热室中向下流动，在流动过程中与向上流动的高温烟气进行接触换热，后落入缓冲罐中。

图1 喷淋结构示意图

大庆油田加热炉所烧湿气的理论空气量在14 m3/m3左右，空气系数取1.05～1.2。如果燃料气进口温度为35℃、冷空气进口温度为20℃，则-T接近21℃，换热室的换热效率可超过95.5%。

1.3 高温烟气与低温液体之间的接触换热机理

高温烟气与低温液体直接接触的换热原理如下：

1）由于流体之间存在着宏观运动，致使流体各部分之间发生相对位移、冷热流体相互掺混所引起的对流换热。由于两种流体的流动都不是由于密度差所引起的，这里的对流属于强制对流。

（2）由于两种流体中的分子同时在进行着不规则的热运动，因而在对流换热的同时还伴随着导热换热。

通过上述分析可以看出：高温烟气与低温水混合换热既包含有介质通过接触而进行的热传导换热方式，又包含有介质通过相互之间的运动而进行的对流热量传递方式，它是一种混合型的热量传递方式[4]。高温烟气与低温液体直接接触换热的数学模型[5-7]由以下5个方程组成，具体如下：

烟气和液体的竖直(x)方向的动量方程形式相同，即

烟气和液体的径向(r)的动量方程形式相同，即

烟气的焓平衡方程为

液体的焓平衡方程为

烟气含湿率方程为

式中： ρ在不同方程中分别代表烟气或液体的密度，kg/m3；u、v在不同方程中分别代表烟气或液体的 x、 r方向速度分量，m/s； P是压力，Pa；g是重力加速度，m/s2；有效黏性系数 μeff=μ+μt，μ和 μt分别是层流和湍流黏性系数；内部流动阻力的垂直分量，Nv是流动阻力速度头数；内部流动阻力的径向分量iG、 il、ig分别是烟气、液体、蒸汽的焓，J/kg；m″是每单位容积内蒸汽质量产生率，kg/(m3s)； fG是质量含湿率；ΓG、Γl分别是通用的烟气或水的交换系数，对于方程（8），J/m2，对于方程（9），kg/m2。

1.4 高温烟气与低温液体直接接触换热的特点

高温烟气与低温液体直接接触换热的特点如下：

1）由于高温烟气与低温液体介质之间混合换热没有传热面，所以该种热量传递方式换热效率高、热阻小。

2）由于该种热量传递方式不存在结垢问题，其工作热效率能够始终维持在一定程度上，减少了结垢现象带来的大量能量损耗，所以实际运行热效率高。

3）在液体介质与烟气混合换热的同时，烟气中未完全燃烧的碳黑固体和有害气体会随着雾状液体一同落至烟道底部，净化了烟气，有利于环保。

2 烟气与液体介质直接换热式油田加热炉

在烟气与液体介质直接换热机理研究基础上，研制了烟气与液体介质直接换热式加热炉（图2）。其主要由燃烧道、换热室（内有两个喷头）、缓冲室等部分组成。来液介质由两路进入加热炉：一路是直接进入加热炉烟道底部的换热室，从上面位置的喷头喷出，与高温烟气直接换热；另一路是先进入缓冲室，由下面位置的喷头喷出，与烟气直接接触换热。被高温烟气加热后的介质进入缓冲室缓冲后流出加热炉。在此加热炉中，有一个缓冲室，对加热后的介质起到缓冲的作用。在缓冲室侧面还有补液管和排污管。在液位过低时，补液管上的阀门自动开启，对加热炉补水。排污管定期开启，把缓冲室内部沉淀下来的污物排出加热炉。由于其不承压、不在炉膛和烟道内加设许多管道，故降低了成本，缩小了体积；又因为烟道中被加热的液体介质与大气相通，因此运行安全可靠。在雾状液体和烟气混合换热的同时，烟气中未完全燃烧的碳黑固体、有害气体会随着雾状液体一同落至烟道底部，净化了烟气，有利于环保。

图2 烟气与液体介质直接换热式加热炉示意图与样机照片

在确定烟气与液体介质直接换热式油田加热炉结构后，完成了样机设计，总长4.3m，高5m，重5.3t。其耗钢量与其他在用加热炉对比见表1。该样机所需钢材为在用0.58MW二合一加热炉的37%。

表1 0.58MW油田加热炉的耗钢量对比

3 样机现场试验

3.1 试验系统流程

烟气与液体介质直接换热式油田加热炉试验系统流程见图3。冷水由站内冷水管线经截止阀4、流量计2和3、截止阀2和3分别进入加热炉烟道和水套中；被加热的热水由加热炉流出，经截止阀5进入站内热水管线，完成站内供热任务。当加热炉内部液面低于规定液面，清水会自动由清水管线经截止阀1、流量计1、疏水阀进入加热炉内，对加热炉进行补水[8]。

图3 烟气与液体介质直接换热式油田加热炉试验系统流程

3.2 试验结果

样机安装调试好后，对其进行了测试，试验数据见表2。样机热效率超过90%，较常规加热炉提高了10个百分点，节气量达到11.2%以上。

4 结论

基于高温烟气与低温液体直接换热的机理研究，研制出烟气与液体介质直接换热式油田加热炉，其在现场试验中取得了较好的应用效果。

表2 试验数据

1）该加热炉既具备加热功能，又具有缓冲功能（缓冲时间为15min）。其耗钢量为5.3t，与同负荷现有负压加热炉相比，节约钢材63%以上。

2）完成烟气与液体介质直接换热式油田加热炉样机现场试验以及现场监测，其热效率较常规加热炉超过90%。