（深圳钰湖电力有限公司 广东省深圳市 518111）
摘要：介绍了蓄热式高温空气燃烧技术的原理，同等燃料、炉型等条件下计算了常规燃烧技术与蓄热燃烧技术的注汽锅炉燃料利用率、节能率及产气量。结果显示应用蓄热式燃烧技术不仅可以节约能源，提高燃料利用率，还能提高产汽量。同时还能够实现低热值燃料的利用。要达到炉温近似相等水平，使用低热值燃料时，消耗的燃料量要多。根据注汽锅炉的特点完全可以将蓄热燃烧技术应用到注汽锅炉上。
关键词：注汽锅炉；蓄热燃烧；节能；环保；余热利用
0 引言
自十一五以来，全国上下加强了节能减排工作，国务院制定了促进节能减排的一系列政策措施，重点针对高耗能企业采取节能减排措施。随着节能工作进一步开展，各种节能先进炉型日趋完善，且采用优质保温材料后使得炉窑散热损失明显下降。然而，在降低排烟热损失和回收烟气余热的技术方面仍进展不快。随着国民经济的可持续发展，国家节能环保意识的增强，根据国家政策“资源开发和节约并举，把节约放在首位”、“改善资源环境就是发展生产力”，蓄热式高温空气燃烧技术以其节能和低污染排放的独特优势快速发展起来。
随着国民经济的可持续发展，国家节能环保意识的增强，根据国家政策“资源开发和节约并举，把节约放在首位”、“改善资源环境就是发展生产力”，蓄热式高温空气燃烧技术以其节能和低污染排放的独特优势快速发展起来。
1、注汽锅炉特点
注汽锅炉又称为湿蒸汽发生器，是油田开采稠油的专用注汽设备。它是利用所生产的高温高压湿蒸汽注入油井，加热油层中的原油以降低稠油的粘度，从而增加稠油的流动性，能够大幅度地提高稠油的采收率。
传统的注汽锅炉是卧式直流水管锅炉，它的辐射段是单路或多路直管水平往复式布置，对流段为单路或多路直管往复错列排布结构，产生湿度大于20%的湿饱和蒸汽或过热蒸汽。与电站锅炉中的直流锅炉工作原理相同。
2、高温空气燃烧技术的工作原理及其优越性
高温空气燃烧技术（High Temperature Air Combustion——HTAC），亦称为无焰燃烧技术（Flameless Combustion），是90年代以来发达国家开始普遍推广应用的一种全新燃烧技术。它是将高温空气喷入炉膛，维持低氧状态，同时将燃料输送到气流中产生燃烧。
通常，单纯依靠提高预热空气温度来实现高温燃烧，必然导致大量的NOX生成。HTAC技术完全突破了几百年来人们对燃烧的传统认识，它的理论意义在于拓宽了人们对温度和氧气浓度关系的认识范围，并从技术上实现了高温条件下大幅度降低氧气浓度的燃烧过程，解决了高温燃烧与NOX生成的矛盾，通过“极限”回收烟气余热并高效预热燃烧空气，实现高温和低氧浓度条件下的燃烧，因而具有大幅度节能和显著降低烟气中NOX排放的双重优越性。
图1 蓄热式燃烧器工作原理图
HTAC技术的基本工作原理如图1所示。它采用蓄热体“极限”回收烟气余热。由于采取蓄热式自身预热方式，HTAC燃烧器只能间歇性工作，所以一般成对安装。当A烧嘴工作时，B烧嘴起排烟及蓄热作用；一段时间后进行切换，B烧嘴工作，A烧嘴起排烟及蓄热作用。在工作过程中，高温烟气通过辐射和对流传热的方式在相当短的时间内迅速将热量传给蓄热体，烟气释热后经换向阀排出；然后通过切换，室温下的空气由相反方向进入燃烧器，蓄热体再以对流换热为主的方式将热量迅速传给空气，蓄热体被冷却，空气被预热到1000℃以上。预热后的空气进入炉膛后，由于高速喷射，形成一低压区，抽引周围低速或静止的燃烧产物形成一股含氧体积浓度大大低于21%的贫氧高温气流。气体燃料(或雾化液体燃料)经喷嘴喷入炉内后，与此高温低氧气流扩散混合，发生与传统燃烧完全不同的高温低氧燃烧。工作温度不高的换向阀以一定的频率进行切换。
HTAC技术包含两项基本技术措施：一是采用高效蓄热式余热回收装置，通过切换使高温烟气和冷空气交替流经蓄热体并进行换热，从而把原来上千摄氏度的排烟温度降低到200℃甚至更低的水平，最大限度地回收燃烧产物中的高品质余热，用于预热助燃空气，以获得温度为800~1000℃甚至更高的高温助燃空气；另一项是采取燃料分级燃烧和高速气流卷吸炉内燃烧产物，稀释反应区的含氧体积浓度，获得浓度为1.5~2%（体积）的低氧气氛。燃料在这种高温低氧气氛中，获得与传统燃烧过程完全不同的热力学条件，不再存在传统燃烧过程中出现的局部高温高氧区，形成一种与传统发光火焰迥然不同的新火焰类型，这种燃烧是一种动态反应，不具有静态火焰，因此高温空气燃烧技术的主要特征表现在以下几方面：
（1）采用蓄热式烟气余热回收装置，交替切换空气与烟气，使之流经蓄热体，能够最大限度地回收高温烟气的物理热，从而达到大幅度节约能源（一般节能10％～70％），提高热工设备热效率的目的，同时减少对大气的温室气体排放（CO2 减少10％～70％）。
（2）通过组织贫氧燃烧，扩展了火焰燃烧区域，火焰边界几乎扩展到炉膛边界，使得炉内温度分布均匀。
（3）通过组织贫氧燃烧，大大降低了烟气中NOX的排放（NOX的排放减少40％以上）。
（4）炉内平均温度增加，加强了炉内的传热，导致相同尺寸的热工设备，其产量可以提高，降低了设备的造价。
（5）低热值的燃料（如高炉煤气、发生炉煤气、低热值的固体燃料、低热值的液体燃料等）借助高温预热的空气或高温预热的燃气可获得较高的炉温，扩展了低热值燃料的应用范围。
3、高温空气燃烧技术在油田注汽锅炉上的可行性分析
采用蓄热式烟气余热回收装置的高温空气燃烧技术自上世纪90年代开始，在钢铁、玻璃、熔铝等行业开始应用，技术也比较成熟。但在油田注汽锅炉上的应用却鲜有报道。此技术的应用几乎是空白。可能是因为注汽锅炉的容量较少，使用的燃油都是自产，对节能的意识不是太强，但随着国家节能政策的出台，对注汽锅炉的节能技术的研究逐渐增多，比如：采用富氧燃烧，采用比空气中含氧量高的空气来助燃；对锅炉排放烟气的余热回收采用复合相变换热装置加热给水；通过对炉膛内耐火层喷涂高温红外辐射涂料，增强炉膛内的辐射换热，提高炉膛内温度等。
3.1 高温空气燃烧热利用率与节能率分析
3.1.1 燃料热利用率计算
对于不同的燃料介质，采用不用的蓄热方式，其所利用的烟气占燃烧总烟气的量是不同。比如对于低热值的燃料可以采用双预热，对于高热值的燃料可以采用单预热。因此不同的燃料情况蓄热燃烧系统采取的方式不同。这里以气体燃料为例，对高温空气燃烧进行燃料热利用率进行计算与分析。
以某一注汽锅炉为例：燃料为天然气，热值为36357 kJ/m3，空气消耗系数1.2，空气预热温度150℃；采用两种蓄热燃烧系统，一种是不改变燃料，将空气预热温度预热至600~1000℃甚至更高。一种是采用低热值燃料，如发生炉煤气，将煤气和空气均进行预热。改造前后炉膛结构不变，炉温水平不变，炉膛出口烟气温度1000℃。以20℃为计算基准则。计算结果如表1所示。
燃料热利用率定义：
由上述计算结果可知，应用蓄热式高温空气燃烧技术不仅可以节约能源，提高燃料利用率，还能提高产汽量。
4、结论
综上，蓄热式高温空气燃烧技术既可大量节约能源，提高燃料利用率，又可以大幅度提高产汽量，而且还能大幅度减少污染物的产生，降低对环境的污染，完全可以将其应用到注汽锅炉上，相信此项技术一定会在油田行业得到快速应用与发展。
参考文献
[1] 跨时代的高效节能环保设备——锅炉富氧燃烧装置[J];黑龙江环境通报;1994年02期
[2] 尚殿英;;富氧燃烧节能新技术 富氧膜[J];大众用电;1990年01期
[3] 姚燕强;;电站锅炉采用富氧燃烧技术的研究分析[J];电气技术;2009年08期
论文作者:朱红军,王洺善,祁文
论文发表刊物:《电力设备》2017年第35期
论文发表时间:2018/8/13
标签：蓄热论文; 高温论文; 燃料论文; 汽锅论文; 空气论文; 烟气论文; 技术论文; 《电力设备》2017年第35期论文;