本发明涉及一种稠油开采用高温烟气掺氧式富氧燃烧注汽锅炉。
背景技术：
油田注汽锅炉是稠油开采的关键设备之一。目前运行的注汽锅炉为了提高锅炉热效率，节约燃料，采取各种措施，如采用高效保温材料，加装烟气余热回收装置，燃油改烧燃气，改变燃烧方式等，其中节能效果显著的是采用富氧燃烧技术，节能率在4%以上。在富氧燃烧条件下，火焰温度升高，燃烧速度加快，燃烧完全程度提高，燃料的燃点温度降低，燃烬时间缩短，过量空气系数降低，烟气量减少；但其存在的最大问题是NOx排放浓度较高。这主要是因为：助燃剂中N2浓度降低，致使热力型NOx的生成量降低，但火焰温度的提高和氧气浓度的提高却能增加热力型NOx的生成量，且NOx的增加速度要高于NOx的降低速度，最终NOx排放量还是增加。
设想将烟气循环技术和富氧燃烧技术结合应用于注汽锅炉中，必将改善燃烧效果，节约燃料消耗量，降低NOx排放，达到油田企业提高经济效益与节能环保的双重目的。因此，成为本领域一直渴望解决的技术难题。
技术实现要素：
本发明解决的技术问题是提供一种稠油开采用高温烟气掺氧式富氧燃烧注汽锅炉，该注汽锅炉能够大幅提高锅炉热效率，节约能源，降低NOx排放浓度。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
高温烟气掺氧式富氧燃烧注汽锅炉，包括富氧发生装置、助燃剂配比与预热装置、炉体、辐射段、对流段、给水泵、混水器、汽水分离器、集联箱和燃烧器；所述的富氧发生装置和助燃剂配比与预热装置相连；辐射段设置在炉体内腔；对流段设置在炉体外侧；混水器连通给水泵、对流段及集联箱，汽水分离器连通辐射段及集联箱，燃烧器连通炉体和混气罐。
所述的富氧发生装置由鼓风机、膜式富氧发生器和纯氧储罐依次连接构成。
所述的助燃剂配比与预热装置由烟气循环管道、混气罐、循环风机组成，混气罐通过烟气循环管道连通循环风机。
所述的助燃剂配比与预热装置内的助燃剂为高温烟气与氧气的混合气。
所述的助燃剂中的氧气浓度控制在25%-40%。
所述的对流段、汽水分离器和集联箱布置在炉体外侧。
所述的集联箱连接有排污阀。
所述的集联箱与混水器之间饱和水管道Ⅵ上设置有止回阀。
本发明的优点在于：抽取注汽锅炉尾部一部分高温烟气（烟气温度可达1000℃）与纯氧混合形成高温富氧助燃剂，形成高温富氧燃烧技术，将其应用在注汽锅炉上。高温烟气多次循环后，形成富含CO2高温烟气。引用富含CO2高温烟气循环技术克服了富氧燃烧方式带来的高NOx排放浓度的问题，燃料利用率比常规注汽锅炉提高15%以上，产汽率提高10%以上，烟气中NOx的排放浓度减少50％以上。同时燃料使用可以多样化，不论是高热值燃料还是低热值燃料，不论是液体燃料、气体燃料还是固体燃料均可应用此装置。
附图说明
图1为高温烟气掺氧式富氧燃烧注汽锅炉的示意图。
图中：1为鼓风机，2为膜式富氧发生器，3为储氧罐，4为混气罐，5为燃烧器，6为辐射段，7为循环风机，8为对流段，9为混水器，10为给水泵，11为汽水分离器，12为集联箱，13为排污阀，14为止回阀，15为管道I，16为管道II，17为管道III，18为燃料入口管道，19为烟气循环管道，20为低温烟气排出管道，21为经过处理的带压软化除氧水，22为管道Ⅳ，23为管道Ⅴ，24为饱和蒸汽出口，25为管道Ⅵ。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述。
实施例
如图1所示，本发明高温烟气掺氧式富氧燃烧注汽锅炉包括富氧发生装置、助燃剂配比与预热装置、炉体、辐射段、对流段、给水泵10、混水器9、汽水分离器11、集联箱12和燃烧器5。富氧发生装置由鼓风机1、膜式富氧发生器2、纯氧储罐3依次连接构成；助燃剂配比与预热装置由烟气循环管道19、混气罐4、循环风机7组成，混气罐通过烟气循环管道连通循环风机；辐射段6设置在炉体内腔；对流段8设置在炉体外侧；混水器9分别与给水泵10、对流段8及集联箱12连通，汽水分离器11分别与辐射段6及集联箱12连通，燃烧器5分别与炉体和混气罐4连通。
所述的助燃剂配比与预热装置内的助燃剂为高温烟气与氧气的混合气；氧气浓度控制在25%-40%。
所述的对流段8、汽水分离器11和集联箱12布置在炉体外侧；所述的集联箱连接有排污阀13；所述的集联箱与混水器之间饱和水管道Ⅵ上设置有止回阀14。
锅炉的水流程为：经过处理的带压软化除氧水21经过给水泵10升压后，进入混水器9，后经管道Ⅳ22进入所述锅炉的对流段8，被加热为高温水，再进入辐射段6被加热成为饱和湿蒸汽，饱和湿蒸汽通过管道Ⅴ23经汽水分离器11进行汽水分离，饱和蒸汽由汽水分离器11顶部的饱和蒸汽出口24流出，通过相应管道注入地下采油；由汽水分离器11分离出的饱和水由汽水分离器11底部饱和水出口端流出，由集联箱12顶部饱和水入口端进入集联箱12，饱和水由集联箱12饱和水出口端流出，至混水器9饱和水入口端进入混水器9，与锅炉给水混合，提高锅炉给水温度；集联箱12底部排污口设置排污阀13，当无机盐类达到一定浓度时进行排污；在集联箱12与混水器9之间饱和水管道Ⅵ25上设置止回阀14，防止饱和水倒流。
锅炉的烟气流程为：烟气依次通过所述锅炉的辐射段6后，一部分高温烟气经由循环风机7增压后通过烟气循环管道19由混气罐4烟气入口端流入混气罐4；剩余部分高温烟气经由锅炉对流段8由低温烟气排出管道20排出进行烟气处理后排入大气；烟气循环量由可调式循环风机调节，根据助燃剂中氧气浓度进行调节。
锅炉的助燃剂流程：外界空气通过鼓风机1增压后，由膜式富氧发生器2入口端进入膜式富氧发生器2制取纯氧，纯氧由膜式富氧发生器2出口端流入管道II16进入纯氧储罐3，与烟气循环管道19流入的高温烟气进行混合形成高温富氧助燃剂，氧气浓度在25%-40%，最后通过燃烧器5与燃料在炉体内混合燃烧。
本发明将烟气循环技术和富氧燃烧技术结合在一起，形成高温富氧燃烧，纯氧由膜式富氧发生器产生，利用高温烟气与纯氧直接混合成高于常规空气中氧气浓度（>21%）的高温富氧助燃剂后送入燃烧器，与燃料进行混合燃烧，实现高温富氧燃烧。该技术可实现对注汽锅炉内的连续供应高温富氧助燃剂，保证了炉内火焰的稳定性，烟气多次循环后形成富含CO2的高温烟气，解决了高温富氧燃烧技术带来的高NOx排放浓度问题。同时，混水器实现由汽水分离器分离出的饱和水与锅炉给水的直接混合，提高锅炉给水的温度。
本发明以截面为正方形，边长为230 mm，高1000 mm的立式炉膛为实验炉，燃料为天然气进行研究表明：在常规烟气循环过程中，炉内流通烟气中的CO2和水蒸气份额增加，N2份额降低；在初始循环为纯CO2时，炉内CO2份额降低，水蒸气和N2份额增加；烟气循环10次以上时，两者烟气中各种组分份额趋于一稳定值，且两者相同组分的份额基本相等，只有氮气含量存在偏差；这也导致两者在NOx浓度上的差别。以氧气浓度25%时为例，采用两种烟气循环后，前者NOx浓度比后者少降低10%左右。由此可知，无论采用哪种循环方式，烟气均将成为富含CO2的高温烟气，最终将大幅降低NOx排放浓度。因此可运用烟气循环技术解决富氧燃烧带来的高NOx排放问题。
以上所述是本发明的具体实施例及所运用的技术原理，任何基于本发明技术方案基础上的等效变换，均属于本发明的保护范围之内。