CN101545677B - 稠油加热炉 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种稠油加热炉，包括燃烧炉具，所述燃烧炉具设有出烟口，所述出烟口与一拉法尔喷口调温器相连通，所述拉法尔喷口调温器设有进风接口、加热接口和位于进风接口、加热接口之间的喉部，所述进风接口和送风机相连通，加热接口和加热装置相连通。根据上述方案，本发明相对于现有技术的效果是显著的：本发明通过拉法尔喷口调温器，将燃烧炉具防止烟气倒流所需的真空度的需求与掺混冷空气降低加热装置管壁温度的需求有机地结合在一起，仅使用一台送风机即能达到要求，可以节约一台引风机，设备运行维护简单、操作方便快捷，节电节能，降低生产成本，提高了经济效益。

Description

稠油加热炉

技术领域

本发明有关一种工业加热锅炉，特别有关一种稠油加热炉。 

背景技术

随着不可再生的石油资源的日益枯竭和经济高速发展对石油产品需求的迅猛增加，以热驱为主的稠油开采技术应用得越来越广泛。开采出来的稠油在正常环境温度下，运动粘度很大，不利于后续石化工艺技术的实施。为此石化部门设计了各种工业加热锅炉对稠油进行加热，以降低稠油运动粘度，从而降低稠油运动阻力，使后续石化工艺技术得以实施。目前油田广泛使用的稠油加热炉有三种形式： 

第一种是以油田伴生天然气为燃料的稠油加热炉。这种加热炉以油田伴生天然气燃烧产生的热烟气为加热介质，加热稠油。这种加热炉包括炉体、与炉体的炉膛相连通的加热装置、送风机和引风机，其中送风机用来给伴生天然气燃烧供给所需的空气，引风机用来给燃烧产生的热烟气混入大量冷空气达到预定加热温度并将混和后的加热烟气抽送至加热装置，以对稠油进行加热。这种稠加热炉的优点是燃料直接取自其所服务的油井，没有燃料供应环节，运行方便，控制简易；燃烧污染物排放少。缺点之一是：为了控制燃烧产生的热烟气的温度低于加热装置材料的许用温度，在燃烧时需要保证大的空气过量系数，这就需要送风机和引风机都要大功率运转，耗电严重，生产成本高；而为了保证油田的不间断连续生产，需要对送风机和引风机两台设备进行维护，维护工作繁复。缺点之二是：燃料是优质的且价格昂贵的油田伴生天然气，不利于能源消费结构优化，也不利于油田企业提高经济效益， 所以油田企业迫切需要寻找一种可以替代以油田伴生天然气为燃料的稠油加热炉的稠油加热方式。缺点之三是：并不是所有的油井都副产油田伴生天然气，例如内蒙古科尔沁草原上的数以百计的油井就都不能产生伴生天然气，所以这种稠油加热炉应用有很大局限性。缺点之四是：油井的油田伴生天然气的产量具有不稳定性，天然气的产量超过了稠油加热炉的需要时，为了油田生产安全，只能将其直接燃尽，造成浪费；而伴生天然气的产量不能满足稠油加热炉的需要时，往往还需要备用电加热炉，造成设备初投资增加和优质能源浪费。 

第二种是以煤为燃料的稠油加热炉。这种稠油加热炉以煤燃烧产生的热烟气加热工业循环水，升温后的工业循环水加热稠油。这种加热炉同样包括炉体、与炉体的炉膛相连通的加热装置、送风机和引风机，其中送风机为煤燃烧供给所需的空气，引风机用来给燃烧产生的热烟气混入大量冷空气达到预定加热温度并将混和后的加热烟气抽送至加热装置，以对稠油进行加热。这种稠油加热炉与以油田伴生天然气为燃料的稠油加热炉相比较，具有节约宝贵的油田伴生天然气资源，优化能源消费结构，提高企业经济效益；可广泛应用于没有油田伴生天然气的油井，提高了可用范围等优点。缺点之一是：为了控制煤燃烧产生的热烟气的温度，在燃烧时仍然需要保证大的空气过量系数，仍需要送风机和引风机都要大功率运转，耗电严重，生产成本高；而为了保证油田的不间断连续生产，同样需要对送风机和引风机两台设备进行维护，维护工作繁复。缺点之二是：煤燃烧产生的烟气具有腐蚀性气体SO₂，不能直接通过管道加热稠油，需要以一定纯度的工业循环水为中介介质，工业循环水在运行过程中，不断散失，给分布于广袤大地上的稠油加热炉的运行管理与维护带来很大困扰。缺点之三是：煤燃烧产生的SO₂污染控制、粉尘污染控制、重金属污染控制、放射性元素富集控制和灰渣处理，对于分布广泛而又数量众多的稠油加热炉而言，是无法实现的；所以随着环保法规的实施和油田企业环保意识的增强，这类稠油加热炉纷纷被电加热炉 所取代。 

第三种就是电加热炉。电加热炉不需要配备送风机和引风机，也不必通过空气过量系数来控制加热温度，只需控制加热功率即可控制加热温度，运行控制与维护相对简单，也无污染物排放，节约了宝贵的油田伴生天然气，也不需要补充一定纯度的工业循环水；但电加热炉需要使用更宝贵的电能，耗电量非常可观，不利于能源消费结构的优化，也提高了石化企业运行成本。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有稠油加热炉的缺点和不足而提供一种稠油加热炉，能够节约一台引风机，设备运行维护简单、操作方便快捷，节电节能，降低生产成本，提高经济效益。 

本发明所要解决的技术问题是提供一种稠油加热炉，采用生物质作为燃料，燃料成本低，可优化能源消费结构，燃烧无污染，减轻石油开采与冶炼对周边地区的环境压力，进一步降低石化企业的生产成本，提高经济效益。 

本发明提供一种稠油加热炉，包括燃烧炉具，所述燃烧炉具设有出烟口，所述出烟口与一拉法尔喷口调温器相连通，所述拉法尔喷口调温器设有进风接口、加热接口和位于进风接口、加热接口之间的喉部，所述进风接口和送风机相连通，加热接口和加热装置相连通。 

根据上述方案，本发明相对于现有技术的效果是显著的：本发明通过拉法尔喷口调温器，将燃烧炉具防止烟气倒流所需的真空度的需求与掺混冷空气降低加热装置管壁温度的需求有机地结合在一起，仅使用一台送风机即能达到要求，可以节约一台引风机，设备运行维护简单、操作方便快捷，节电节能，降低生产成本，提高了经济效益。 

优选使送风机还与燃烧炉具的炉膛连通。从而燃料在燃料炉具的炉膛内能与送风机输送的部分空气燃烧产生高温热烟气，高温热烟气由出烟口排出以后进入拉法尔喷口调温器内，与送风机从进风接口送入的另一部分冷空气 在拉法尔喷口调温器内混和降温，混和气体再经加热接口输送给加热装置以加热稠油。在送风机不连通炉膛的情况下，可以通过自然进风助燃。 

在本发明中燃烧炉具优选是生物质燃烧炉具，所述燃烧炉具内部设有生物质燃烧器。采用生物质作为燃料，燃料成本低，可优化能源消费结构，且由于生物质颗粒燃料燃烧后形成的灰很少，而且富含钾肥，所以燃烧产生的灰在炉膛底部经过燃尽和冷却后，自然扬析于野外环境中，不需要特殊的处理，燃烧无污染，减轻石油开采与冶炼对周边地区的环境压力，进一步降低石化企业的生产成本，提高经济效益。 

附图说明

图1为本发明的稠油加热炉的结构示意图。 

图2为本发明的稠油加热炉的拉法尔喷口调温器的结构示意图。 

图3为本发明的稠油加热炉的炉膛结构示意图。 

图4为本发明的稠油加热炉以生物质颗粒为燃料的燃烧器结构示意图。 

具体实施方式

如图1所示，本发明提供一种稠油加热炉，包括燃烧炉具1，燃烧炉具1设有出烟口11，出烟口11与一拉法尔喷口调温器2相连通，拉法尔喷口调温器2设有进风接口21、加热接口22及位于进风接口21、加热接口22之间的喉部20，进风接口21可以通过管道8与一送风机3相连通，加热接口22和一加热装置4相连通。其中优选使送风机3还与燃烧炉具1的炉膛12连通。从而燃料在燃料炉具1的炉膛12内可与送风机3输送的部分空气燃烧产生高温热烟气，高温热烟气由出烟口11排出以后进入拉法尔喷口调温器2内，与送风机3从进风接口21送入的另一部分冷空气在拉法尔喷口调温器2内混和降温，混和气体再经加热接口22输送给加热装置4以加热稠油。在送风机3不连通炉膛12的情况下，可以通过自然进风助燃，或者额外采用一个小功率的送风机31送入助燃空气。本发明通过拉法尔喷口调温器2，将燃烧炉具1防止烟气倒流所需的真空度的需求与掺混冷空气降低加热装置4管壁温度的需求有机地结合在一起，仅使用一台送风机即能达到要求，可以节约一台引风机，设备运行维护简单、操作方便快捷，节电节能，降低生产成本，提高了经济效益。

如图2、3所示，拉法尔喷口调温器2由喉部20至加热接口22形成口径渐扩的扩压段23，由进风接口21至喉部20形成口径渐缩的加速段24，一个烟气引出管25的一端穿过喉部20而伸入至拉法尔喷口调温器2内并向加热接口22的方向弯折，烟气引出管25另一端的炉膛接口251伸入炉膛12的出烟口11内而与出烟口11连通，烟气引出管25插入喉部20后也可以不弯折而呈竖直状，烟气引出管25伸入喉部20，可以从加速段24伸入，也可以从扩压段23伸入。冷空气依箭头F1在加速段24内加速降压，从而在喉部20形成150～250Pa左右的真空度，利用喉部20真空引吸并掺混高温热烟气(见箭头F2)，将冷空气与热烟气混和物的温度降低达到加热装置4和稠油所能耐受的温度，一般对碳钢材料而言这个温度为600～700℃，降温后的混和物经过扩压段23减速增压，经过加热接口22依箭头F3进入加热装置4后对稠油进行加热，从而能节约一台引风机。喉部20所形成的真空度也能防止炉膛12内的高温烟气向燃烧炉具1外部串出而引起火灾。 

该烟气引出管25深入炉膛12的出烟口11内的炉膛接口251部分可以用耐火保温材料灌注围成，不需要采用耐高温合金钢。同时为了防止高温热烟气烧毁烟气引出管25，烟气引出管25伸入至拉法尔喷口调温器2的喉部20内的管壳部分均匀分布多个直径介于1～3mm的冷却孔，这些冷却孔的密度为1.5～2.5个/cm²。当冷空气穿过冷却孔而进入烟气引出管25的内部时，会在管壳内表面形成冷空气保护膜，保护烟气引出管25不被烧毁。该拉法尔喷口调温器2的具体设计尺寸，可根据送风机3的压力和流量、加热装置4的阻力与炉膛12的出烟口11的烟气流量，依据普通拉法尔喷口设计原则进行设计，不再详述。 

在本发明中的一个实施方式中，燃烧炉具1可以是燃气炉具，由公用燃气网管向炉膛12内连续送入燃气而与空气燃烧产生热烟气，从而保证稠油加热实现不停井连续生产。燃烧炉具1也可以是燃煤炉具，需要保证煤不间断的连续加入至炉膛12内进行燃烧以产生热烟气。当然燃烧炉具还可以采用燃油炉具等等，不论燃料是燃气、煤还是油等任何燃料，凡是能够燃烧并产生热烟气的燃烧炉具，都可以采用本发明的拉法尔喷口调温器来抽吸高温热烟气并掺混冷空气，以节约一台引风机。 

在本发明的最优选实施例中，燃烧炉具1采用生物质燃烧炉具，燃料成本低，可优化能源消费结构，且燃烧无污染，减轻石油开采与冶炼对周边地区的环境压力，进一步降低石化企业的生产成本，提高经济效益。生物质燃料优选颗粒类型的生物质，例如谷壳、稻壳、锯末等，也可以使水稻、小麦、黄豆、玉米、高粱等农作物秸杆、柴薪、野草、树枝树叶、林场废弃物、甘蔗渣等经粉碎后成为颗粒状，不作限制。 

如图3、4所示，该燃烧生物质颗粒的燃烧炉具1，其炉壁由外向内依次包括炉膛外壳13、保温层14、耐火层15，保温层14位于炉膛外壳13和耐火层15中间。炉膛12的内径与炉膛12高度(生物质燃烧器5的内壳54上沿541与烟气引出管25的入口即炉膛接口251之间的距离)分别由截面热负荷和容积热负荷决定。燃烧生物质颗粒的稠油加热炉的燃烧炉具的炉膛12的截面热负荷范围为44～64KW/m²，容积热负荷范围为50～70KW/m³。炉膛外壳13由镀锌钢板或者喷漆钢板等具有一定防腐功能的材料制作，炉膛外壳13的厚度在3～5mm之间，以保证炉膛12刚度的前提下，不浪费金属材料为宜。保温层14的典型厚度为200mm。耐火层15的典型厚度为100mm。伸入炉膛12内的烟气引出管25的炉膛接口251的内径确保烟气当地速度在8～10m/s之间。 

如图1、4所示，该燃烧生物质颗粒的燃烧炉具1内部设有生物质燃烧 器5，生物质燃烧器5连通一进料通道51，进料通道51内设有螺旋进给器6，进料通道51设有进料口52，进料口52连通有一进料仓7，进料仓7的出料口70与进料通道51的进料口52对应，进料仓7下部的出料口70在远离燃烧炉具1的一侧设有进料斜面71，进料斜面71与垂直方向之间具有小于90度的进料夹角。 

如图4所示，生物质燃烧器5包括上端敞口的燃烧容器和位于燃烧容器内的点火装置53，燃烧容器包括相互套置的内壳54和外壳55，内壳54上设有一次进风口56，外壳55设有辅助进风口。内壳54上的一次进风口56分上下两排，沿燃烧容器为中心均匀分布，上排的一次进风口56与内壳54上沿的距离大于生物质颗粒平均通过直径的2.5倍。一次风通过一次进风口56的当地速度为6～12m/s，一次进风口56的直径介于5～8mm。一次风量根据生物质颗粒燃料工业分析与元素分析结果，按照公式(1)计算： 

$Q_1=\{0.0889(C_{\mathrm{ar}}+0.375S_{\mathrm{ar}})+0.265H_{\mathrm{ar}}-0.0333O_{\mathrm{ar}}\}\frac{V_{\mathrm{ar}}}{2(V_{\mathrm{ar}}+{\mathrm{CF}}_{\mathrm{ar}})}---\left(1\right)$

其中，C_ar——生物质颗粒燃料收到基碳元素含量，％ 

S_ar——生物质颗粒燃料收到基硫元素含量，％ 

H_ar——生物质颗粒燃料收到基氢元素含量，％ 

O_ar——生物质颗粒燃料收到基氧元素含量，％ 

V_ar——生物质颗粒燃料收到基挥发份含量，％ 

CF_ar——生物质颗粒燃料收到基可燃碳含量，％ 

螺旋进给器6的设计原则与普通螺旋给料器的设计原则相同，生物质颗粒的填充密度取为530～570Kg/m³。 

进料仓7的容积V(m³)等于日均燃料消耗量Q(Kg/d)、燃料的补充时间间隔T(d)、燃料的堆积密度q(Kg/m³)和安全系数K的乘积。对于生物质颗粒燃料，其堆积密度取为580～620Kg/m³，即可具有足够的精确度。安全系数取1.2～1.5既可保证燃料供应意外中断不致影响油田生产，又避免巨大的料仓 造成投资浪费。对于承装块状燃料的进料仓7，其下部出料口70的进料斜面71与垂直方向的进料夹角在40～45°之间，对于承装棒状燃料的料料仓，其下部的出料口70的进料斜面71与垂直方向的进料夹角在45～50°之间。如果不设置进料仓7，可以考虑由人工不间断的向进料通道51内给料。 

生物质颗粒燃料通过螺旋给料器6从进料仓7输送到生物质燃烧器5的底部，被后续的生物质颗粒顶托，沿生物质燃烧器5的内壳54上升。在启动阶段，生物质颗粒燃料被点火装置53加热点燃，在正常运行阶段，生物质颗粒燃料被位于生物质燃烧器5上部的高温烟气点燃。生物质颗粒燃料在加热燃烧的初始阶段，会释放挥发份。一次进风口56提供挥发份燃烧所需要空气量的1/3～1/2，并利用这些空气冷却处于燃烧高温区域的部分生物质燃烧器5的燃烧容器的内壳54，同时具有防止热烟气经过螺旋给料器6渗透进入进料仓7，引起火灾事故的作用，其他助燃空气从燃烧容器的外壳55外侧送入。 

为了燃尽生物质颗粒燃料的挥发份和焦炭，炉膛12内需要维持很高的温度，然而加热装置4的钢管通常会为了降低制造成本，不采用昂贵的耐高温合金钢，而由普通碳钢制成。加热装置4根据被加热稠油的初始温度、加热速率、容量和最终目标温度四个参数，根据普通换热器设计方法，进行设计，此为现有技术，不再详述。 

现例举一个包括具体设计参数的实施例。燃料为沈阳汇丰生物能源有限公司生产的以稻壳为原料的生物质颗粒。颗粒堆积密度610Kg/m³，收到基低位发热量15.583KJ/kg，收到基碳、氢、氧、氮、硫、水分和灰分含量分别为41.01％、4.89％、32.61％、1.88％、0.21％、6.21％和13.19％。燃烧生物质燃料的稠油加热炉加热功率120KW，加热炉热效率70％。炉膛12的内直径1000mm，高1400mm，生物质燃烧器5的内壳54上沿541与烟气引出管25的入口(炉膛接口251)之间的距离为1100mm。炉膛外壳13为3mm厚的彩色喷漆钢板，耐火层15为100mm厚的硅酸盐水泥，保温层14为200mm厚的 硅酸铝纤维。炉膛出烟口11的烟气温度1100℃，加热装置4的入口烟气温度600℃。烟气引出管25的直径250mm，拉法尔喷口调温器2的扩压段23长度750mm，加热接口22直径400mm，加速段24长度450mm，进风接口21直径200mm。拉法尔喷口调温器2由厚度3mm的1Cr18Ni9T耐热合金钢制造，外保温层为100mm厚的硅酸铝纤维。送风机3的流量870m³/h，送风机压头2KPa，拖动电机功率700W。给料系统拖动电机功率650W，远程自动控制系统电源功率25W。锅炉燃料消耗量42Kg/h。以沈阳汇丰生物能源有限公司生产的稻壳为原料的生物质颗粒的销售价格为650元/吨，电费为0.55元/(KW·h)计算，每小时可节约电费38元人民币左右。以年运行3000小时计算，每台燃烧生物质颗粒的稠油加热炉可以为石化企业节约电费11400元人民币。同时燃烧产生的灰渣不会对野外环境造成任何负担。排放的SO₂浓度，在不考虑生物质颗粒燃料碱性灰渣的自固硫作用的情况下为567mg/Nm³(过量空气系数1.8)，低于国家标准SO₂排放浓度限制的900mg/Nm³。 

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，当不能以此限定本发明实施的范围，凡依本发明所作的等同变化与修饰，都应属于本发明的保护范围。 

Claims (10)

1.一种稠油加热炉，包括燃烧炉具，所述燃烧炉具设有出烟口，其特征在于，所述出烟口与一拉法尔喷口调温器相连通，所述拉法尔喷口调温器设有进风接口、加热接口和位于进风接口、加热接口之间的喉部，所述进风接口和送风机相连通，加热接口和加热装置相连通。

2.根据权利要求1所述的稠油加热炉，其特征在于，所述送风机还通过管道与燃烧炉具的炉膛连通。

3.根据权利要求1所述的稠油加热炉，其特征在于，所述拉法尔喷口调温器由所述喉部至加热接口形成口径渐扩的扩压段，由进风接口至所述喉部形成口径渐缩的加速段，一个烟气引出管的一端伸入至拉法尔喷口调温器的喉部，另一端与燃烧炉具的出烟口连通。

4.根据权利要求3所述的稠油加热炉，其特征在于，所述进风接口通过管道与所述送风机相连通。

5.根据权利要求3所述的稠油加热炉，其特征在于，所述烟气引出管伸入至拉法尔喷口调温器的喉部内的部分向加热接口的方向弯折，或者呈竖直状。

6.根据权利要求3所述的稠油加热炉，其特征在于，所述烟气引出管伸入至拉法尔喷口调温器的喉部内的部分均匀布置多个冷却孔，冷却孔直径介于1～3mm之间，冷却孔的个数密度范围为1.5～2.5个/cm²。

7.根据权利要求3所述的稠油加热炉，其特征在于，所述燃烧炉具为生物质燃烧炉具，所述燃烧炉具内部设有生物质燃烧器。

8.根据权利要求7所述的稠油加热炉，其特征在于，所述生物质燃烧器包括上端敞口的燃烧容器和位于燃烧容器内的点火装置，所述燃烧容器包括相互套置的内壳和外壳，所述内壳上设有一次进风口，外壳上设有辅助进风口，一次风通过一次进风口的当地速度为6～12m/s，一次进风口提供生物质燃料挥发份燃烧所需空气量的1/3～1/2，其余助燃空气从外壳的辅助进风口送入。

9.根据权利要求8所述的稠油加热炉，其特征在于，所述内壳上的一次进风口分为上下两排，每排一次进风口沿燃烧容器为中心均匀分布，上排的一次进风口与内壳上沿的距离大于生物质颗粒平均通过直径的2.5倍，一次进风口的直径为5～8mm。

10.根据权利要求7所述的稠油加热炉，其特征在于，所述燃烧炉具的炉膛的截面热负荷范围为44～64KW/m²，容积热负荷范围为50～70KW/m³

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