周宏斌，周 磊，宋春燕，袁 新，劉 曉，秦 朔，張 偉

（1.中石化勝利油田分公司工程技術(shù)管理中心，山東東營 257000 2.勝利油田分公司技術(shù)檢測中心，山東東營 257000 3.中國石油大學(xué)（華東），山東青島 266580）

1 油田井口加熱爐概況

油田井口加熱爐用于加熱采出的油或氣，起到提升原油流動性及防止天然氣形成水合物等作用。從安全角度考慮，井口加熱爐多為水套式，主要由殼體、火筒、煙管、盤管及其他部件構(gòu)成，如圖1所示。我國各油田及長輸管道在用的水套加熱爐超過2萬臺，可見水套爐是油田正常生產(chǎn)開發(fā)的基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備。加熱爐在保障油田生產(chǎn)的同時(shí)，也消耗了大量的天然氣燃料。加熱爐燃用油井套管氣，不但能節(jié)約能源，也降低了溫室氣體排放，是一項(xiàng)節(jié)能環(huán)保的舉措。然而，井口加熱爐燃用套管氣出現(xiàn)了較為普遍的煙塵排放高的問題，煙塵排放高、不完全燃燒損失大，加熱爐效率低、環(huán)境污染嚴(yán)重。本文分析了超標(biāo)排放原因，進(jìn)而提出了改進(jìn)措施，最終實(shí)現(xiàn)了加熱爐達(dá)標(biāo)排放。

圖1 水套爐結(jié)構(gòu)[1]

2 排放超標(biāo)原因分析

根據(jù)400余臺油田井口加熱爐實(shí)測數(shù)據(jù)，煙塵超標(biāo)率在30%左右。選取井口加熱爐煙塵超標(biāo)較為嚴(yán)重的2個(gè)區(qū)塊共46臺加熱爐進(jìn)行煙塵超標(biāo)原因分析。加熱爐煙氣實(shí)測結(jié)果如圖2所示，根據(jù)DB37/2374—2018《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》要求，該區(qū)域煙塵排放濃度執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為10 mg/m，煙塵排放超標(biāo)率達(dá)到87%，平均超標(biāo)倍數(shù)5～6倍，此外CO排放濃度也非常高。由于煙氣排放超標(biāo)，導(dǎo)致罰款或停產(chǎn)等問題嚴(yán)重影響油田的正常生產(chǎn)運(yùn)行，亟待解決。

圖2 46臺加熱爐煙塵和CO排放狀況

為了明確排放超標(biāo)的影響因素，對46口井的套管氣進(jìn)行了成分分析；同時(shí)測試了對應(yīng)加熱爐的煙氣含氧量、負(fù)荷率、排放特性；最后以煙氣含氧量(%)、燃料甲烷含量(%)、燃料其他組分含量(%)、使用年限、負(fù)荷率(%)為比較數(shù)列，分別以煙塵和CO排放濃度作為參考量，進(jìn)行了灰色關(guān)聯(lián)分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3 灰色關(guān)聯(lián)分析結(jié)果

從圖3的兩個(gè)分析結(jié)果看，煙氣含氧量、燃料成分(甲烷含量、其他組分含量)是主要影響因素，這表明燃用套管氣和過量空氣系數(shù)不合理是造成排放超標(biāo)的根本原因。相較于常規(guī)天然氣，套管氣成分要復(fù)雜得多，表1所示的是46口井套管氣組分平均值，甲烷含量僅為68.2%，明顯低于常規(guī)天然氣(CH＞95%)，而C+以上的烷烴含量合計(jì)達(dá)16.5%。烴類燃料，碳含量越高、越難燒透，因而導(dǎo)致煙塵和CO生成量大。煙氣氧含量與過量空氣系數(shù)一一對應(yīng)，46臺加熱爐的實(shí)測煙氣氧含量均值為14.3%，折算過量空氣系數(shù)為3.1。一般燃?xì)鉅t，建議過量空氣系數(shù)1.3左右，實(shí)測過量空氣系數(shù)顯然太高了。過量空氣系數(shù)稍微偏大些，有利于燃燒進(jìn)行，但過量空氣系數(shù)過大，反而會大幅降低爐膽火焰溫度、進(jìn)而延緩燃燒，因此導(dǎo)致大量生成煙塵和CO。

表1 套管氣組分 %

下面結(jié)合現(xiàn)場燃燒裝置型式及工作原理，進(jìn)一步分析超標(biāo)排放機(jī)理?，F(xiàn)場所有加熱爐采用的是擴(kuò)散式燃燒器，燃燒前燃?xì)夂涂諝獠换旌?，由一根燃燒管向爐膽內(nèi)供燃?xì)?，靠煙囪的抽力吸入空氣，燃?xì)饪諝庠跔t膽內(nèi)呈現(xiàn)擴(kuò)散式燃燒，即燃料分子由燃料射流向空氣中擴(kuò)散、空氣中的氧氣分子向燃料射流擴(kuò)散，在某一界面上，它們的濃度達(dá)到化學(xué)計(jì)量比，便形成火焰鋒面。

對于擴(kuò)散式燃燒，靠近燃料側(cè)的火焰前鋒，燃料濃度比氧氣濃度高得多，在高溫缺氧的情況下燃料產(chǎn)生熱分解，生成固體碳(即炭黑)。熱分解程度視燃料與溫度而不同，甲烷在683℃時(shí)開始分解，乙烷為485℃、丙烷為400℃。一般來說，碳?xì)浠衔锏姆肿恿吭酱螅浞€(wěn)定性也越差。套管氣恰恰含有大量的C+以上的烷烴成分，所以火焰中存有更多的炭黑。在擴(kuò)散火焰中的固體碳粒(炭黑)，一旦接觸到氧氣，便出現(xiàn)固體和氣體之間的燃燒過程，如果碳粒來不及燃盡而被煙氣帶走，就形成所謂的煙塵，其影響加熱爐的經(jīng)濟(jì)性和安全性。由此可見，擴(kuò)散燃燒方式和重碳烷烴成分是井口加熱爐排放超標(biāo)的根本原因。

3 減排方案及裝置設(shè)計(jì)

套管氣中含有重碳烷烴成分，是導(dǎo)致煙塵排放超標(biāo)的一個(gè)根本原因，所以將C+組分從套管氣中脫除，是實(shí)現(xiàn)煙塵排放達(dá)標(biāo)的一個(gè)方案。在天然氣處理行業(yè)，脫除C+的工藝稱為凝液回收或者輕烴回收。把需要凝析的組分液化與C為主的氣體分離，其方法有：油吸收、固定床吸附、冷凝法等。顯然，在每口井都安裝一套輕烴回收裝置，處理套管氣在經(jīng)濟(jì)上是不可行的。

由此看來，改變擴(kuò)散燃燒方式為預(yù)混燃燒方式，是治理煙塵排放超標(biāo)的較好選擇。于曉亮等研制出了新型加熱爐引射式多噴頭預(yù)混燃?xì)馊紵?，替代原有的平流配風(fēng)燃?xì)鈹U(kuò)散燃燒器，解決了某企業(yè)天然氣加熱爐溫度場分布不合理、熱效率低、能耗大、污染高等問題。朱建賓等進(jìn)行了天然氣多孔介質(zhì)預(yù)混燃燒器污染物排放實(shí)驗(yàn)研究，與傳統(tǒng)擴(kuò)散燃燒方式相比，多孔介質(zhì)預(yù)混燃燒NOx、CO生成量少。預(yù)混燃燒方式能降低煙塵排放的原因有：無燃?xì)夂脱趸瘎┗旌蠒r(shí)間，將更多時(shí)間留給化學(xué)反應(yīng)；預(yù)混燃燒需氧量少、火焰短、火力強(qiáng)、燃燒溫度高。

在確定了減排方案后，根據(jù)預(yù)混燃燒理論及現(xiàn)場運(yùn)行參數(shù)(燃?xì)鈮毫?、流量、熱值?，設(shè)計(jì)了一種雙調(diào)風(fēng)預(yù)混火管燃燒裝置，結(jié)構(gòu)示意于圖4中，此裝置將引射器與火管連接一體，通過調(diào)節(jié)一二次風(fēng)門來實(shí)現(xiàn)混合燃燒，提升燃燒的效率。

圖4 雙調(diào)風(fēng)預(yù)混燃燒裝置

燃燒裝置的主要設(shè)計(jì)參數(shù)是噴嘴直徑、引射器喉部直徑和燃燒頭部尺寸。噴嘴直徑的計(jì)算式為：

式中：

d

——噴嘴直徑，mm；

L

——燃?xì)饬髁?，m/h；

μ

——噴嘴的流量系數(shù)；

s

——燃?xì)庀鄬γ芏龋?p>H

——燃?xì)獗韷?，Pa。

引射器喉部直徑的計(jì)算式為：

式中：

A

、

X

——分別為判別參數(shù)；

K

、

K

——能量損失系數(shù)；

u

——質(zhì)量引射系數(shù)；

F

——噴嘴面積，mm；

F

——火孔總面積(由火孔直徑和數(shù)目確定)，mm；

d

——引射器喉部直徑，mm。

在燃燒裝置設(shè)計(jì)中，最為重要的參數(shù)是燃燒頭部的尺寸，包括火孔數(shù)量和火孔直徑，兩者之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系為：

式中：

n

——火孔數(shù)目；

Q

——燃燒負(fù)荷，kW；

α

——一次過量空氣系數(shù)，設(shè)計(jì)中選用0.6(通過引射器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn))；

V

——理論空氣量，m/m；

d

——火孔直徑，mm；

H

——燃?xì)鉄嶂?，kJ/m；

v

——火孔出流速度，m/s。

由式(3)可知，要確定火孔數(shù)目，必須選定火孔直徑和出流速度，而這兩個(gè)參數(shù)是確保燃燒裝置穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。出流速度大，燃燒裝置易脫火；出流速度小，燃燒裝置易回火。火孔直徑小，火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷酌摶?；火孔直徑大，火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤欤谆鼗?。鑒于套管氣成分復(fù)雜，無脫火和回火極限數(shù)據(jù)可查，只能通過試驗(yàn)測定。最終結(jié)合后續(xù)的現(xiàn)場試驗(yàn)，確定了表2所示的3套燃燒裝置，涵蓋了現(xiàn)場負(fù)荷范圍、且可穩(wěn)定運(yùn)行。

4 現(xiàn)場試驗(yàn)及效果評估

為了驗(yàn)證預(yù)混燃燒裝置的減排效果，于2020年5-6月進(jìn)行了現(xiàn)場測試(圖5)，試驗(yàn)中選用了3口油井，燃?xì)饬髁糠秶?6～53 m/d，燃?xì)饨M分中甲烷含量59.3%～80.3%、乙烷含量5.9%～6.7%、丙烷含量3.4%～9.1%，使用了3個(gè)型號的預(yù)混燃燒裝置(表2)。

表2 3套燃燒裝置燃燒頭數(shù)據(jù)

圖5 燃燒裝置現(xiàn)場試驗(yàn)

結(jié)果如表3所示，可以計(jì)算出，改用預(yù)混燃燒裝置后，煙塵平均排放濃度為5.1 mg/m，較原始排放濃度(42.0 mg/m)降低了87.8%?？梢?，設(shè)計(jì)的預(yù)混燃燒裝置燃燒效果良好，能在燃料成分和流量很大的變化范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)煙塵達(dá)標(biāo)排放。與此同時(shí)，NOx的排放濃度也降低了58.6%，這是因?yàn)轭A(yù)混燃燒裝置火管端部都設(shè)計(jì)了200多個(gè)燃燒孔，將火焰切割成為小火焰，散熱面積大，燃燒溫度低，故而抑制了NOx生成。另外，加熱爐熱效率也提高了8.2%。

表3 實(shí)施效果對比

5 結(jié)論

井口加熱爐燃用套管氣，雖然解決了套管氣放空問題，但伴隨而來了煙塵排放超標(biāo)現(xiàn)象。如果不能解決這個(gè)問題，加熱爐將面臨被關(guān)停的境遇。為此開展了本文的研究工作，得出的結(jié)論如下。

a)套管氣含有大量的重碳烷烴成分，這些成分熱分解溫度低，采用擴(kuò)散燃燒方式時(shí)，燃料氣不能及時(shí)地與氧氣接觸，在一定溫度下，發(fā)生熱分解反應(yīng)形成了炭黑。炭黑顆粒來不及燃盡而被煙氣帶走，因而導(dǎo)致了煙塵排放超標(biāo)問題。

b)采用預(yù)混燃燒方式，燃燒前燃料氣與空氣充分混合，與擴(kuò)散燃燒方式相比，省卻了燃料氣和氧化劑混合時(shí)間，將更多時(shí)間留給化學(xué)反應(yīng)，燃燒效果會更好，可以解決煙塵排放濃度高的問題。

c)基于預(yù)混燃燒理論，設(shè)計(jì)了一種雙調(diào)風(fēng)預(yù)混火管燃燒裝置，現(xiàn)場試驗(yàn)表明，改造后煙塵排放平均濃度僅為5.1 mg/m，降低了87.8%，同時(shí)，NOx排放濃度降低了58.6%，熱效率提升了8.2%。實(shí)踐證明，實(shí)施預(yù)混燃燒是解決井口加熱爐煙塵達(dá)標(biāo)排放的有效方法。