CN101074770B - 用于蒸汽辅助重力排液(sagd)法的自然循环工业锅炉 - Google Patents
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Abstract
一种用于SAGD法的重力给水自然循环锅炉，所述SAGD法使用用于碳质材料回收的低质量给水，它具有包括一些下水管的大直径汽包。所述锅炉的加热炉具有独立的可替换的膜式壁组件，每个组件具有上集流管和下集流管、膜顶、膜壁和膜底这些部件，它们都与所述汽包相连并形成具有入口端和出口端的炉膛。所述加热炉具有连接于汽包的前膜壁，在此前膜壁的上游具有风箱。在炉膛入口端的一些燃烧器对炉膛进行加热。在汽包和上集流管之间连接着一些升汽管，用来在炉膛被加热后向汽包供应蒸汽，下水管连接至下集流管用来在重力作用下从汽包供应水，从而各个组件形成单一的回路。炉子出口的帘组和后面的蒸汽产生器组都与上集流管和下集流管以及相关的给水管和升气管一起构成锅炉。
Description
技术领域
本发明一般涉及锅炉设计，具体涉及一种新颖有用的蒸汽辅助重力排液(SteamAssisted Gravity Drainage)(“SAGD”)法自然循环锅炉，它使用来自油砂、重油和沥青回收的低于ASME质量的给水进行操作。
背景技术
本发明SAGD锅炉设计的基础是B&W汽包锅炉设计、知识和标准。使用了一般的锅炉设计标准，并在需要针对SAGD所特有的具体设计问题方面进行了扩充。
人们已经进行了改进来提高重油和沥青的回收率，以使得超过在常规的热技术。例如，一种这样的技术是1982年8月17日授给Butler的美国专利第4,344,485号所述的SAGD(蒸汽辅助重力排液)法。这种方法使用一对水平的井(well)，一个垂直地位于另一个的上方，它们藉一个垂直断口(fracture)相连。蒸汽室上升到上部壁上方，通过传导而升温的油沿着蒸汽室的外壁排到下部的生产井。
从加拿大北Alberta地方的油砂回收沥青以及随后处理成合成原油的技术在持续发展。大约80％已知的矿藏埋得很深，难以使用常规的表面开采技术。这些较深的矿藏就用现场的技术例如蒸汽辅助重力排液法进行回收，此方法是通过水平井(注射井)将蒸汽注入油砂矿床。蒸汽就将其中的沥青加热，沥青藉重力流至矿床中较低的另一个水平井(生产井)，沥青和水的混合物从该井被送到地面。水与沥青分离后，经过处理，返回到锅炉，供再次注射到井中之用。
水资源的重新使用是资源保护和环境调节的关键。
但是，锅炉给水即使在处理后仍含有一些挥发性和非挥发性有机组分以及高含量的二氧化硅。现行使用的一次通过的蒸汽发生器(OTSG)锅炉技术由于锅炉给水质量不佳而发生过管道故障。此外，OTSG技术在产生的蒸汽质量和操作成本方面都有限制，例如为满足由SAGD工厂的零液体排放要求，泵送能量和冷凝水处理的成本都较高。
发明内容
针对这些问题，Suncor(Suncor Energy Inc.，Alberta，Canada)开始了对各种锅炉技术的检视，以生产100％质量的饱和蒸汽，本发明的一个目的就是提供用于SAGD法的一种锅炉，该锅炉是自然循环的，旨在使用来自油砂、重油、沥青或其他碳质材料回收的低于ASME质量的给水进行操作。
因此，本发明的目的是提供一种用于SAGD法的重力给水自然循环的锅炉，所述SAGD法使用用于碳质材料回收的低质量给水，它包括一个内直径约3-9英尺的蒸汽包，多个连接至蒸汽包用来从排水的下水管(downcomer pipe)，具有多个独立的可替换的膜式壁组件(membrane wall module)的加热炉，每个组件包括上集流管(header)、与上集流管相连并由其倾斜向下的膜顶、与膜顶相连并从膜顶向下延伸的膜壁、与相连并由膜壁倾斜向下的膜底、以及与膜底相连的下集流管，膜顶、膜壁和膜底一起构成具有入口端和出口端的炉膛，加热炉还包括位于炉膛入口端的与上和下集流管相连的前膜壁、位于前膜壁上游形成风箱的装置、用来加热炉膛的位于炉膛入口端处的至少一个燃烧器、连接汽包和上集流管而且在炉膛被加热后向汽包供给蒸汽的多个升汽管(riser pipe)，下水管连接至下集流管，用来在重力作用下从汽包供应水，使得各个组件形成单一的回路，还有位于炉膛出口处连接下水管和升汽管的一个后壁帘(rear wall screen)、在后壁帘下游连接下水管和升汽管的至少一个蒸汽发生器组、在蒸汽发生器组下游的连接至炉膛的一个烟囱、以及置于烟囱之前或其中的一个节热器。
本发明另一个目的是提供上述的锅炉，在其炉膛出口和烟囱之间具有选择性催化还原(SCR)组件和/或在炉膛出口和烟囱之间具有截面积减小的过渡烟道。
表征本发明的各个特征将在所附的并成为本说明书一部分的权利要求书中具体指出。为了更好地理解本发明、其操作优点和其使用后达到的具体目的，可以参阅附图以及说明本发明一些优选实施方式的说明书叙述。
附图说明
图1是本发明用于SAGD法的锅炉的透视图；
图2是本发明锅炉汽包的给水管和升汽管的排列透视图；
图3是本发明锅炉的侧视图；
图4是本发明锅炉的另一实施方式类似于图3的视图。
具体实施方式
下面来看附图。这些图中相同的数字用来表示相同或相似的部件，这些图显示的是用于SAGD法的重力给水自然循环锅炉10，所述SAGD法使用用于碳质材料回收的低质量给水，该锅炉10包括一个内直径约3-9英尺的汽包14，与汽包相连用来由汽包排水的多个下水管12，具有多个独立的可替换的膜式壁组件的炉子16，每个组件包括上集流管21、与上集流量相连并由其倾斜向下的膜顶26、与膜顶相连并藉稍微弯曲的一些管子(例如曲率半径小于3英尺)从膜顶向下延伸的膜壁24、与膜壁相连(也是藉例如曲率半径小于3英尺的稍微弯曲的一些管子)并由膜壁倾斜向下的膜底22、与膜底相连的下集流管20，膜顶、膜壁和膜底一起构成具有入口端和出口端的炉膛。在图示的实施方式中，膜顶和膜底相对于其对应的集流管的优选倾斜度是与水平线成约2-30度，更好是约5-15度或约10度。
炉子16包括一个位于炉膛入口端并与上集流管和下集流管相连的前膜壁28。金属壁之类的装置在前膜壁上游构成了风箱31。在炉膛的入口端有一个或多个燃烧器30，用来对炉膛进行加热。在上集流管与汽包之间连接着多个升汽管，用来在炉膛加热时将产生的蒸汽供应给汽包，而下水管是与下集流管相连，用来在重力作用下从汽包供应给水，因而个个组件构成单独的回路。
在炉膛出口，在下水管18和升汽管36之间连接着一个后壁帘32，而在些后壁帘32下游具有至少一个蒸汽发生器组33，它也连接在下水管和升汽管之间。一个烟囱在蒸汽发生器组下游与炉膛出口连接，烟囱中具有节热器。在另一实施方式(未图示)中，节热器位于烟囱前面。
锅炉可以包括在炉膛出口和烟囱之间的SCR(选择性催化还原)组件46，在炉膛出口和烟囱之间还具有截面积减小的过渡烟道38。
为了解决用于SAGD法的合适锅炉的设计的问题，Suncor考察了另一些锅炉技术，结果其说明书SP100A-100-1在2004年2月17日获得授权。该说明书包括水分析，其中有些组分的浓度超过锅炉给水的ASME标准。考虑到现行的汽包锅炉适用的标准，在B&W Barberton进行了危险分析，指出在1000psig锅炉设计压力时各种组分的相对危险因素。下面是此分析的总结连同一些说明。
表1锅炉给水浓度
| 显示的蒸馏液浓度 | 低危险ASME浓度 | 中等危险浓度<sup>**</sup> | 高危险浓度<sup>**</sup> | |
| 油和其它非挥发性有机物，ppmTOC | 高达10 | ＜0.2 | ＜0.5-1 | 2-4 |
| 挥发性有机物ppm TOC | 高达90 | 能用脱气器除去？ | 能用脱气器除去？ | 能用脱气器除去？ |
| 二氧化硅ppm | ＜1 | ＜0.4 | 0.5-1 | 1-2.5 |
| 钙+镁ppm | 0.015 | ＜0.02 | ＜0005 | *** |
| 钠+钾ppm | 3.8 | ＜15<sup>*</sup> | ＜20<sup>*</sup> | *** |
| 铁ppm | ＜0.02 | ＜0.02 | ＜0.05 | *** |
| 碳酸盐ppm TIL | ＜2 | ＜1<sup>*</sup> | ＜2<sup>*</sup> | *** |
| 氯化物ppm | 4.9 | ＜7 | 7-20 | *** |
| 硫酸盐ppm | ＜2 | ＜30<sup>*</sup> | ＜40<sup>*</sup> | *** |
| TDSppm | ＜10 | ＜40<sup>*</sup> | ＜60<sup>*</sup> | *** |
| pH | 8-10 | 8.8-9.6 | 8-10 | *** |
*假定排流速率是蒸汽产生速率的5％。
**需要保守的锅炉设计。
***未得到数据。
按照本发明，给水的除气有望将有机物的挥发部分吹去，所以在锅炉给水中不会存在这些挥发性有机物。在给水中只会留下残留的(达10ppm)油、脂和其他非挥发性有机物。检验表明，进入蒸发器的来源水中期望的(设计的)油和脂浓度约为10ppm，因此蒸馏液中最大的油和脂浓度是10ppm。蒸发器中蒸汽/水的分离会导致蒸馏液中非挥发性有机物的浓度有一定值，但小于(优选远小于小于)10ppm。这些有机物的化学性质决定着其在锅炉中的行为，因而决定其对锅炉耐用性的影响。
修正的二氧化硅浓度也相当高(超出对大多数锅炉所推荐的给水二氧化硅浓度极限)，但是它是容易处理的。其他组分的所示浓度都在大多数900psi锅炉的可接受范围内。但是，因为氯化物浓度相对于其他组分的浓度要高，所以应注意避免导致沉积物下腐蚀的条件。
危险与给水化学
上表1表示了与锅炉给水常见杂质不同浓度相关连的估计的危险水平。危险水平按(1)在具有高热通量和高浓度因子的锅炉和(2)在具有低热通量低浓度因子的较保守设计的锅炉中发生问题的可能性来确定。危险水平还按化学性质和必需用来防止过量沉淀和腐蚀的工艺来确定。
定义
低危险极限：对多数900-1000psi工业锅炉的工业广泛标准和常用操作范围。可接受的水的化学要求可以靠工业上常用的实施方式来维持。只是当污染杂质超过所示极限(例如，由于冷凝器泄漏、起动操作不良或净化器故障产生的)，当给水操作不良，锅炉水处理不良或锅炉操作不良(例如燃烧器未对准或汽包高度(drum level)低)之时，才会发生过量沉淀和腐蚀。
中等危险极限：杂质浓度较高，但仍在其他地方的保守设计和操作的900-1000psi锅炉的操作范围内。为避免过量沉淀和腐蚀，可能需要灵巧而有经验的水化学工作人员以及最新水平的处理化学试剂和操作。可能、甚至很有可能产生问题，但可以依靠合适的给水和锅炉水添加剂以及精密的控制来解决。
高危险极限：对大多数锅炉已超出操作范围。在保守的锅炉设计和特殊的水化学控制措施情况下可能是可行的，但其可行性不能保证。在此高危险范围进行操作需要将水处理经验和水处理工艺发挥到极致。
保守的设计：对在水化学方面保守设计的锅炉具有较低的最大局部热通量和在蒸汽发生领域中的较低浓度因子。因此，最大沉淀形成速率会较低，且可以容许较厚沉淀，此时沉淀之下的腐蚀和过热故障发生的趋势也较小。
保守设计的特征包括以下4个因子：
(1)中等的最大局部热通量
(2)在水平和倾斜的管子中尽可能小的蒸汽/水的分层，伴随着向这些管子流量的增大和/或肋片管的应用。
(3)在可能的浓度范围内所有回路中保证流动稳定性。
(4)提供便于酸清洗的措施，包括提供便于装满、排液和排气的措施。
基本设计规则：
根据已知的锅炉实践限制加热炉的发热量(约小于120,000英国热量单位/小时/英尺2)；
尽量降低局部热通量(燃烧器间隙和热输入/燃烧器(＜约166兆英国热量单位/小时))；
降低FEGT(蒸汽发生器组的入口温度)(约2400°F)；
尽量增大循环速度和湍流度；
限制顶部质量(top quality)(降低蒸汽/水的分层现象)；
短的水冷壁和蒸汽发生器组回路；
增加管子、集流管和汽包的尺寸；
避免过紧的弯管；
在蒸汽产量范围由保证所有回路中的流动稳定性
保证能便于酸洗或机械清洗；
部件结构适合于用长途卡车运输至偏远地区；
安装简便以尽可能减少现场劳力；
可拆除的蒸汽发生器组组件，以便减少停工时间，便于修理/更换；
底部支持的设备；
在操作压力为600-1600psig条件下的饱和蒸汽产生量为75,000-1,000,000磅/小时。
在本发明的所有锅炉中，并非要遵守所有上述设计规则，因为有些规则可以优化用来补偿而放宽其他规则。但是尽可能多地遵循这些规则，就可以使本发明的每个锅炉提高使用性能，能用作设计用来使用来自油砂石、重油和沥青回收等的低于ASME质量的给水进行操作的自然循环的SAGD法锅炉。对现有的B&W工业锅炉技术，具体是PFI或PFT锅炉设计，这些设计规则无法满足。
优选实施方式：
本发明的锅炉是一种新颖的自然循环锅炉类型，可使用例如来自在Alberta的油砂的沥青回收SAGD法的低于ASME质量的给水进行操作，而且例如是每台锅炉的蒸汽发生量为75,000-1,000,000Lb/hr。本发明意在能满足市场对这种锅炉的需要。
参见图1和图2，锅炉10是使用一些不加热的下导管或下水管12和单个较大直径的汽包14的自然循环设计。汽包内部具有已知设计的蒸汽分离结构，以便将干燥的饱和蒸汽供给SAGD法过程。例如，可参见B&W出版物，Steam：its generation and use(蒸汽：其产生和用途)，第41版，The Babcock & WilcoxCompany，a McDermott Company，2005，第5-14页和5-15页。
汽包14的直径比通常工业用锅炉的汽包大，为的是适应可能因给水中含有有机污染物引起的起泡现象，例如，本发明锅炉汽包的内直径为6英尺，在3-9英尺范围，较好4-8英尺范围，更好5-7英尺范围。
下水管12将从汽包14，经过连接下水管和下集流管20的给水管向加热炉16给水。加热炉16是水冷却膜板式结构。使用集成的结构使得加热炉的底22、壁24和顶22形成单一的水回路。这就减少了回路的长度，减小了内部发生沉淀的机会。加热炉的构形要能避免采用弯角小的倾斜管子。此外，倾斜管子的长度要尽量短，以免在管内产生汽/水的分层现象。前炉壁28是个垂直的膜板式结构，容纳着燃烧器30和风箱31。顶26、壁24和底22一起构成炉膛，炉膛的入口端在前壁28处，还具有出口端。燃烧器在炉膛的入口端，用来对炉膛进行加热。
下集流管20具有例如在50的位置与至少一个但较好多个排水装置相联通，用于水回路的排水和清洗。
锅炉的余下部分包括：炉子的蒸汽产生表面，其排成3(或更多)个组件16a，16b，16c(图1)。按烟道气流动方向(图1中是自左至右)，这些组件依序排列；在图3和图4中所示的后壁帘32和3个蒸汽产生器组(bank)(一个在33，2个在34)。各个蒸汽产生器组是整体制成的，便于运输和更换。壁帘和第一个蒸汽产生器组包括一些壁管和顶管，它们形成气体边界。
产生蒸汽的部件(加热炉和对流表面)通过位于上集流管21和汽包之间的升汽管36与汽包14互相连接。这就完成了循环回路。加热炉的膜外壁较好用绝缘物例如约3-6英寸的最小的纤维板覆盖，例如图中的44。
像标准工业锅炉一样，气体从对流表面经过过渡烟道38流动到节热器40和烟囱装置42。图3的锅炉在炉膛出口和烟囱42之间具有SCRC(选择性催化还原)组件46，过渡烟道38在炉膛出口和烟囱42之间截面积缩小。
虽然为说明本发明的应用和原理，已经图示和详述了本发明的一些具体实施方式，但应理解，本发明可以在不背离这些原理的情况下以另外的方式实施。
Claims (22)
1.用于蒸汽辅助重力排液法的重力给水自然循环锅炉，所述方法使用用于碳质材料回收的低质量给水，该锅炉包括：
具有一定内径的单一汽包；
与所述汽包连接、用来从汽包排水的多个下水管；
具有多个独立的可替换的膜式壁组件的单个加热炉，所述各个组件包括至少一个上集流管、与所述上集流管相连并首先由其倾斜向下的膜顶、与所述膜顶相连并从膜顶向下延伸的膜壁、与所述膜壁相连并由膜壁倾斜向下并接着接入至少一个下集流管的膜底，所述膜顶、膜壁和膜底一起构成具有入口端和出口端的炉膛，所述加热炉还包括位于炉膛入口端的与上集流管和下集流管相连的前膜壁；
在前膜壁的上游形成风箱的装置；
位于炉膛入口端用来加热炉膛的至少一个燃烧器；
在所述汽包和上集流管之间进行连接的多个升汽管，其用来在炉膛被加热后向汽包供应蒸汽，下水管则连接至下集流管，用来在重力作用下从汽包输送水，使得各个组件形成单一的回路；
位于炉膛出口并连接在下水管和升汽管之间的后壁帘；
在后壁帘的下游，并连接在下水管和升汽管之间的至少一个蒸汽发生器组；
在蒸汽发生器组下游连接至炉膛出口的烟囱；
节热器。
2.如权利要求1所述的锅炉，其特征在于，所述锅炉包括在炉膛出口和烟囱之间的选择性催化还原组件。
3.如权利要求1所述的锅炉，其特征在于，所述锅炉包括位于炉膛出口和烟囱之间的截面积减小的过渡烟道。
4.如权利要求1所述的锅炉，其特征在于，所述汽包具有3-9英尺的内径。
5.如权利要求1所述的锅炉，其特征在于，膜顶和膜底相对于其所连接的对应集流管的倾斜角度是相对于水平线呈2-30度倾斜。
6.如权利要求1所述的锅炉，其特征在于，膜顶和膜底相对于其所连接的对应集流管的倾斜角度是相对于水平线呈5-15度倾斜。
7.如权利要求1所述的锅炉，其特征在于，膜顶和膜底相对于其所连接的对应集流管的倾斜角度是相对于水平线呈10度倾斜。
8.如权利要求1所述的锅炉，其特征在于，所述锅炉包括位于至少一个蒸汽发生器组下游的另一个蒸汽发生器组，它连接在下水管和升汽管之间。
9.如权利要求1所述的锅炉，其特征在于，所述锅炉包括用于至少一个下集流管的排液口，用于排水和清洗回路。
10.如权利要求1所述的锅炉，其特征在于，所述至少一个蒸汽发生器组是可拆卸的。
11.如权利要求1所述的锅炉，其特征在于，所述锅炉在操作压力600-1600psig情况下的饱和蒸汽产生量为75,000-1,000,000磅/小时。
12.如权利要求1所述的锅炉，其特征在于，所述锅炉的极限加热炉发热量为120,000英国热量单位/小时/英尺2，每个燃烧器的热输入为165兆英国热量单位/小时。
13.用于蒸汽辅助重力排液法的重力给水自然循环锅炉，所述方法使用用于碳质材料回收的低质量给水，所述锅炉包括：
内径3-9英尺的单一汽包；
与所述汽包连接用来从汽包排水的多个下水管；
具有多个单独的可替换的膜式壁组件的单个炉子，所述各个组件包括至少一个上集流管、与所述上集流管相连并首先由其倾斜向下的膜顶、通过一段弯曲管子与所述膜顶相连并从膜顶向下延伸的膜壁、通过一段弯曲管子与所述膜壁相连并由膜壁倾斜向下的膜底、至少一个与膜底相连的下集流管，膜顶、膜壁和膜底一起构成具有入口端和出口端的炉膛，所述加热炉中还包括位于炉膛入口端的与上集流管和下集流管相连的前膜壁；
在前膜壁上游形成风箱的装置；
位于炉膛入口端用来加热炉膛的至少一个燃烧器；
在所述汽包和上集流管之间进行连接的多个升汽管，用来在炉膛被加热时向汽包供应蒸汽，下水管则连接至下集流管，用来在重力作用下从汽包输送水，使得各个组件形成单一的回路；
位于炉膛出口并连接在下水管和升汽管之间的后壁帘；
在所述后壁帘的下游、并连接在下水管和升汽管之间的至少一个蒸汽发生器组；
在所述蒸汽发生器组下游连接至炉膛出口的烟囱；
节热器；
在所述炉膛出口和烟囱之间的选择性催化还原组件。
14.如权利要求13所述的锅炉，其特征在于，所述锅炉包括位于炉膛出口和烟囱之间的截面积减小的过渡烟道。
15.如权利要求13所述的锅炉，其特征在于，所述膜顶和膜底相对于其所连接的对应集流管的倾斜角度是相对于水平线呈2-30度倾斜。
16.如权利要求13所述的锅炉，其中每段所述弯曲管子的曲率半径小于3英尺。
17.用于蒸汽辅助重力排液法的重力给水自然循环锅炉，所述方法使用用于碳质材料回收的低质量给水，所述锅炉包括：
内径3-9英尺的单一汽包；
与所述汽包连接的用来从汽包排水的多个下水管；
具有多个独立的可替换的膜式壁组件的单一的加热炉，所述各个组件包括至少一个上集流管、与所述上集流管相连并首先由其倾斜向下的膜顶、与所述膜顶相连并从膜顶向下延伸的膜壁、首先由膜壁倾斜向下并在所述膜壁和至少一个下集流管之间连接的膜底，所述膜顶、膜壁和膜底一起构成具有入口端和出口端的炉膛，所述加热炉还包括位于炉膛入口端的与上集流管和下集流管相连的前膜壁；
在前膜壁的上游形成风箱的装置；
位于所述炉膛入口端，用来加热炉膛的至少一个燃烧器；
在所述汽包和上集流管之间进行连接的多个升汽管，用来在炉膛被加热时向汽包供应蒸汽，所述下水管则连接至下集流管，用来在重力作用下从汽包输送水，使得各个组件形成单一的回路；
位于炉膛出口并连接在下水管和升汽管之间的后壁帘；
在所述后壁帘的下游，并连接在所述下水管和升汽管之间的两个串联的蒸汽发生器组；
在蒸汽发生器组下游连接至炉膛出口的烟囱；
节热器；
在炉膛出口和烟囱之间的选择性催化还原组件。
18.如权利要求17所述的锅炉，其特征在于，所述锅炉包括用于至少一个下集流管的排水口，用于排水和清洗回路的用途。
19.如权利要求17所述的锅炉，其特征在于，所述蒸汽发生器组是可拆卸的。
20.如权利要求17所述的锅炉，其特征在于，所述锅炉在操作压力600-1600psig情况下的饱和蒸汽产生量为75,000-1,000,000磅/小时。
21.如权利要求17所述的锅炉，其特征在于，所述锅炉的极限加热炉发热量小于120,000英国热量单位/小时/英尺2，每个燃烧器的热输入为165兆英国热量单位/小时。
22.如权利要求17所述的锅炉，其特征在于，所述膜顶和膜底借助曲率半径小于3英尺的一段弯曲管子各自与膜壁连接。
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