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摘 要:目前利用高干度蒸汽开采稠油资源是较为高效的一种开发方式。海上开采稠油采用燃油锅炉产生高干度蒸汽,由于锅炉采用平台生产的原油作为燃料,燃烧后产生的烟气组分大部分为N2、CO2,同时烟气也含有SOX、NOX、油污、粉尘等组分,其中烟气中的N2可以增加地层能量,CO2可以和原油混溶,降低原油黏度,这些气体组分对于稠油开采具有积极作用,因此如何高效利用烟道气回注工艺提高原油开采效果是当前海上稠油开采的一个重点研究课题。但是烟气中的SOX、NOX等酸性气体组分一方面会对大气造成污染,在烟气回注过程中SOX、NOX等酸性气体对烟气回注设备及井下管柱及工具造成腐蚀,另一方面粉尘、油污颗粒会对烟气增压装置造成磨损。因此研发一种适用于海上平台燃油锅炉烟气回注工艺及配套装备,须预先了解烟气成分,为之提供实验数据及参考依据。以研究原油燃烧排放特性为主要目的,通过实验得到了原油物性、排放特性等实验数据。结果表明:三种原油样品属于低硫油;样品1油品杂质最多,样品3油品黏温性质最好,所含正构烷烃含量较多;同一油品在相同燃烧条件下,在燃烧未稳定状态下,烟气中CO2含量较之正常燃烧状态低60%左右;样品3所含杂质较少,燃烧排放物SO2最多;三种原油燃烧排放二氧化硫和氮氧化物不达标,需加装脱硫脱硝及除尘装置。
关 键 词:原油燃烧;烟气;排放规律
中图分类号:TQ 116 文献标识码:A 文章编号: 1671-0460(2019)07-1417-04
Abstract: It is necessary to know the components of the flue gas in advance to provide reference for the design of the following flue gas treatment process in the large-scale thermal production engineering of multicomponent thermal fluid in offshore oil fields. The experimental data of physical property and combustion emission characteristics of crude oil were obtained through various experiments. The results show that three crude oil samples belong to low sulfur oil. Sample 1 contains the most impurities, sample 3 has the best viscosity-temperature property, which contains more n-alkanes.Under the same combustion condition, CO2 content in flue gas under the unsteady combustion state is about 60% lower than that under the normal combustion state. Sample 3 contains less impurities and SO2 of combustion emissions is the most. The sulfur dioxide and nitrogen oxides of three types crude oil combustion emissions are not up to the standard. The desulfurization and denitration devices are required.
Key words: Burning of crude oil; Flue gas; Emissions laws
对新开发的油田地层能量高,进行的是一次采油,进入油田开采后期,地层的天然能量降低,这时开发方式主要采用注水和注气[1-3]。在20世纪初期天然气的价格相对不高,采用天然气回注的方式保持地层能量,但是20世纪60年代至70年代天然气价格上涨,CO2驱、N2驱和烟道气驱成为人们的研究热点,以及人们对全球气候变暖和环境保护的重视,烟道气驱则更加受到重視。
烟道气主要含有N2和CO2,通常锅炉为了保证燃烧效率采用较大的过量空气系数和漏风,造成了烟道气中还含有一定量的氧气[4,5],如果燃料中含有S,烟道气中还会有SO2。渤海油田海上平台进行规模化多元热流体热采工程,烟道气由燃油锅炉产生,燃油锅炉不同于燃气锅炉,其烟气成分更为复杂,烟尘及有害气体含量更多,所以,必须预先了解烟气成分,为后续烟气处理工艺设计提供参考。本文利用原油燃烧装置和分析装置,对不同原油性质和燃烧排放物进行检测,研究燃料元素组分、黏度、密度、热值及燃烧工况等对排放物的影响规律,为注烟道气驱油工艺提供一定的理论依据。
1 燃油特性
烟气污染物主要包括烟气中气态污染物和烟尘,气态污染物如CO2、NOx和SO2等。燃料成分对燃油燃烧污染物组成有主要影响。石油类液体燃料主要由碳氢化合物和非碳氢化合物(胶状物质)组成[6]。燃烧排放物相对燃煤烟尘含量小,水分含量高,但燃烧容易局部高温,因此氮氧化物排放较高。此外燃油含水量对烟气水蒸气含量影响较大也需要格外关注。
除此之外,燃油燃烧过程尤其是雾化方式和过量空气系数对燃烧过程有直接影响[7-9],雾化影响因素有燃烧器类型、原油黏度、密度等。采用表1所列仪器和方法对原油的元素组成、黏度和密度等参数进行了检测。测试三种燃料原油来自中海油田渤海某区块。
元素分析结果如表2所示。可以看出三种原油试样都以C含量为主,H元素次之,S和N含量相差不大。原油按照硫含量分类可以分为低硫原油、含硫原油、高硫原油,指标分别为<0.5%,0.5%~2%,>2%。三种油品S含量均低于0.5%,都属于低硫油。样品1相比其他两种油品,燃料中氧含量较高,C元素较低,可能是该油品氧化物杂质较多,但具体杂质元素种类及含量需要进一步的分析。
三种原油样品相对密度分别为0.924、0.941、0.956,黏温曲线见图1。
从相对密度及黏温曲线可以看出三种油品均属于重油,常温下黏度较大,黏度随温度升高迅速减小,温度超过50 ℃后,黏度随温度升高减小速度降低。超过50 ℃之后,同温度下样品3黏度最大,同时其相对密度也最大,说明样品3油品黏温性质最好,所含正构烷烃含量较多,芳香烃含量较少。
2 燃烧实验
2.1 燃烧实验设计
实验所用燃油燃烧器型号为ZXOQM-80Q- 30R,空气雾化,电子点火,发热量范围6.3×105~12.6×105 kJ,燃料消耗量为20~30 kg/h。雾化压力:0.35 MPa左右,原油预热温度:90~120 ℃(根据不同原油调节),冷空气温度:20 ℃,过量空气系数:1.1~1.2。
污染物的检测主要包括烟气中气态污染物和烟尘检测,气态污染物如CO2、NOx和SO2等。按采样方式可以分为在线法、直接取样法和稀释取样法3种[10,11]。本次实验燃油在热水锅炉中进行燃烧,烟气在烟道垂直位置打孔取样。烟气检测采用直接取样法。直接取样法检测示意图见图2。
烟气从主烟道流入采集管线,经烟尘过滤装置进入烟气分析仪进行分析。
烟尘浓度测定采用等速采样过滤称重法。烟尘浓度按式(1)计算。
本次检测烟气成分采用定点位电解法与红外光谱法结合,实验仪器为Testo350pro烟气分析仪。该烟气分析仪为自吸式,气体流量1 L/min,可检测气体O2、NO、NO2、SO2和CO2。
2.2 燃烧排放物分析
表3汇总了不同过量空气系数和不同原油燃烧启动阶段和稳定阶段排放参数。
从表3中可以看出:三种油品在预热至一定温度后雾化燃烧,同一油品在相同燃烧条件下,在燃烧未稳定状态下,烟气中CO2含量较之正常燃烧状态低60%左右,说明燃烧不充分;增大燃烧初期过量空气系数,一定程度可以促进燃烧,相应的CO2含量也会随之升高。随着燃烧进行,炉膛温度上升,烟气中NOx增多,主要是温度控制型的NO增加,增加10%~15%;過量空气系数越大,NOx含量越低,这是因为过量空气系数增大到一定值之后,继续增加,炉膛燃烧温度下降,温度型NOx迅速减小,温度型NOx理论最高值发生在α=1的情况下,本实验中NOx最大值发生在α≈1.1的区域里。
三种原油燃烧,样品3产生的SO2最多,比最少的样品1多100 mg/m3左右,从元素分析角度看三类原油S含量相差不多,但样品1和2所含杂质较多,杂质中Ca,Ca和Mg的氧化物和盐类是很好的固硫剂,在燃烧中会大大降低SO2的生成。
国标《GB 13271-2014锅炉大气污染物排放标准》规定,2014年7月1日起,新建锅炉大气污染物排放浓度限值按表4要求执行。
对比表3和4,燃油锅炉排放二氧化硫和氮氧化物不达标,颗粒物满足要求,因此烟气外排时需加装脱硫脱硝设备。
3 结 论
(1)渤海油田三种原油样品C元素含量80%左右,H元素11%。三种原油S含量均低于0.5%,为低硫油。样品1油品杂质最多,样品3油品黏温性质最好,所含正构烷烃含量较多,芳香烃含量较少。
(2)同一油品在相同燃烧条件下,在燃烧未
稳定状态下,烟气中CO2含量较之正常燃烧状态低60%左右,说明燃烧不充分;随着燃烧进行,炉膛温度上升,温度控制型的NO增加10%~15%;过量空气系数增大到一定值之后,继续增加,炉膛燃烧温度下降,温度型NOx迅速减小。
(3)样品3产生的SO2最多,主要是因为样品1和2所含杂质作为固硫剂,降低SO2的生成;样品3产生烟尘量较大,说明燃烧不完全度较高;三种原油燃烧排放二氧化硫和氮氧化物不达标,需加装脱硫脱硝装置。
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