放空火炬冒黑煙問題原因深度剖析

隋先富 王玉 張嶺

摘 要：海上平臺(tái)放空火炬有時(shí)發(fā)現(xiàn)有冒黑煙現(xiàn)象，帶來(lái)了環(huán)保隱患。如何治理黑煙成為很多油田面臨的重要課題。該文從天然氣組分和燃燒機(jī)理分析出發(fā)，深度剖析了天然氣不完全燃燒的原因，并結(jié)合海上油田現(xiàn)狀給出了改善建議。

關(guān)鍵詞：黑煙 火炬 乙炔 天然氣組分

中圖分類號(hào)：TE96 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）04（a）-0057-03

黑煙是燃料燃燒不充分時(shí)產(chǎn)生的固態(tài)碳顆粒的宏觀表現(xiàn)形式[1]。

天然氣由于燃燒不充分引起冒黑煙問題是人們的一個(gè)共識(shí)，但是為什么會(huì)燃燒不充分？產(chǎn)生黑煙的一般條件是什么？如何解決？仍然存在一些認(rèn)識(shí)上的分歧，進(jìn)而給油田現(xiàn)場(chǎng)治理黑煙現(xiàn)象帶來(lái)了困惑。該文嘗試梳理清楚黑煙問題的真實(shí)原因，從而為現(xiàn)場(chǎng)治理黑煙問題提供有用的參考。

1 黑煙成因概述

通常理解燃燒不充分的原因是供氧不足或者重組分含量偏高[2-8]；也有學(xué)者認(rèn)為，炔烴的存在才是引起黑煙現(xiàn)象的根本原因[9]，其他解釋報(bào)道較少。具體到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施工藝上，可以歸納為以下幾點(diǎn)。

（1）由于油氣分離器分離效率下降，造成油氣分離不凈，天然氣攜帶原油和重?zé)N液滴進(jìn)入火炬放空系統(tǒng)。

（2）原火炬放空管線內(nèi)積液太多。

（3）放空量超過原火炬放空能力。

（4）火炬放空氣熱值不足，火炬放空氣至少需具有7 500～9 300 kJ/m3的熱值才能完全燃燒，否則，必須另外補(bǔ)加燃料。

（5）火炬頭設(shè)計(jì)缺陷，火炬氧氣供給不足，導(dǎo)致燃燒不充分。

其中文獻(xiàn)[9]中，作者就乙炔引起黑煙的觀點(diǎn)進(jìn)行了分析。通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，從化學(xué)反應(yīng)機(jī)理上做了更深入的研究，作者通過觀察甲烷、乙烷、丙烷、丁烷及汽油（C5-C9烷烴）氣化燃燒的現(xiàn)象，證明空氣中燃燒烷烴不會(huì)發(fā)生黑煙現(xiàn)象；換言之，高碳組分并不是產(chǎn)生黑煙現(xiàn)象的充分條件亦非必要條件。

而通過對(duì)比乙烷、乙烯和乙炔的燃燒發(fā)現(xiàn)，乙烯有輕微黑煙，乙炔有較濃的黑煙現(xiàn)象；初步判斷了產(chǎn)生黑煙問題的主要原因是炔烴的存在。而通化學(xué)鍵鍵能的分析，指出，本質(zhì)原因是炔烴不飽和化學(xué)鍵的存在，使得其反應(yīng)速率超過其他烴類，從而引起黑煙。

2 炔烴產(chǎn)生的條件

文獻(xiàn)[9]中描述的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象為發(fā)現(xiàn)黑煙的真實(shí)原因提供了重要線索，那么天然氣放空燃燒過程中會(huì)不會(huì)產(chǎn)生炔烴？條件又是什么？

按照這個(gè)思路，筆者又進(jìn)行了深入調(diào)研，從工業(yè)制乙炔的工藝技術(shù)中發(fā)現(xiàn)了一些有用的信息。

利用天然氣制乙炔是一項(xiàng)規(guī)?；瘧?yīng)用的技術(shù)，很多文獻(xiàn)[10-15]都有描述。

主要工藝有3個(gè)：天然氣部分氧化法、電弧法和等離子射流法，其中部分氧化法是應(yīng)用最多，規(guī)模最大的一項(xiàng)工藝。

其機(jī)理就是通過甲烷與氧氣高溫化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物有C2H2、CO2、CO、H2、C和H2O，而C2H2屬于一種中間產(chǎn)物，需要迅速冷卻、收集，否則很快就能進(jìn)一步分解為C和H2；而固體碳顆粒幾乎是反應(yīng)過程中無(wú)法避免的副產(chǎn)物。天然氣在反應(yīng)室中于1 500 ℃高溫下化學(xué)反應(yīng)表達(dá)式為：

（1）

（2）

（3）

（4）

（5）

天然氣在空氣中燃燒溫度最高能夠達(dá)到2 300 ℃，在氧氣中燃燒最高能夠達(dá)到3 400 ℃，因此，對(duì)于放空火炬的天然氣而言，完全能夠?qū)崿F(xiàn)1 500 ℃的溫度要求，另外對(duì)于火炬燃燒來(lái)講，為防止炭黑生成的“迅速冷卻”條件，一般不具備，所以平臺(tái)火炬放空過程中產(chǎn)生中間物乙炔一般是難以避免的，而碳顆粒的產(chǎn)生也是難以避免。

3 重組分含量的影響

關(guān)于重組分含量與黑煙之間是否有必然聯(lián)系存在一定的爭(zhēng)議，文獻(xiàn)[2]中明確指出重組分含量超過6%是發(fā)生黑煙的一個(gè)臨界值。雖然文獻(xiàn)[9]給出了不同的觀點(diǎn)，但是考慮文獻(xiàn)[9]中的實(shí)驗(yàn)條件的局限性，重組分含量高的天然氣燃燒時(shí)是否通過其他的途徑帶來(lái)黑煙或者引發(fā)生成黑煙的條件并無(wú)法確定。從油田現(xiàn)場(chǎng)的宏觀顯現(xiàn)看，重組分含量問題引起黑煙的可能還是存在的。文獻(xiàn)[2]給出的案例是例證之一，而海上油田監(jiān)測(cè)的實(shí)際數(shù)據(jù)也是另外一個(gè)例證。

表1和表2分別為渤海JZ1油田和JZ3油田的天然氣組分取樣數(shù)據(jù)。從表中數(shù)據(jù)可以看出JZ1油田天然氣組分重組分（C3+）含量總體較高，最大含量30.42%，最小5.18%，平均11.2%；而JZ3天氣然中重組分含量較低，多在2%以下。

JZ1投產(chǎn)初期，放空量為0.265 7萬(wàn)方/d，火炬偶爾產(chǎn)生少量黑煙，當(dāng)前火炬放空量為0.358 8萬(wàn)方/d，經(jīng)觀察火炬依然是偶爾產(chǎn)生黑煙，不過黑煙的量未有增大趨勢(shì)。

JZ3油田根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察，沒有黑煙現(xiàn)象。

其他油田如S1油田現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)也偶爾有黑煙問題，其天然氣組分中也發(fā)現(xiàn)重組分含量較高，平均含量超過6%，該數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)中產(chǎn)生黑煙現(xiàn)象的臨界值的研究是吻合的。

4 海上油田火炬黑煙問題總結(jié)與對(duì)策

4.1 天然氣組分問題

除了“乙烷乙烯乙炔燃燒實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析及其探討”一文對(duì)高含碳組分引起燃燒不充分這個(gè)認(rèn)識(shí)進(jìn)行否定外，從油田現(xiàn)場(chǎng)和其他研究人員的觀點(diǎn)看C3+重組分的存在帶來(lái)黑煙問題觀點(diǎn)是被普遍認(rèn)可的，從遼東作業(yè)區(qū)SZ36-1油田和JZ25-1油田的天然氣組分情況看都在6%以上，雖然當(dāng)前沒有比較確定的機(jī)理分析證明其內(nèi)在聯(lián)系，但是宏觀現(xiàn)象上卻證明了二者的關(guān)聯(lián)性，因此，從分離工藝角度減少放空天然氣中重組分的含量是一個(gè)重要手段。

4.2 低放空量問題

放空量較低情況下發(fā)生黑煙問題從現(xiàn)場(chǎng)的觀察印證了其客觀存在，一個(gè)解釋為排量越低出口速度低，因此與空氣混合也較慢，不利于充分燃燒；文獻(xiàn)[4]提到的充分燃燒所需“熱值”問題也是一個(gè)重要理由。

對(duì)于放空量通常是難以控制的，因?yàn)槠脚_(tái)需要排放多少才燃燒多少，而不是需要燃燒多少反過來(lái)設(shè)計(jì)排放量。對(duì)于熱值不夠的問題，通過補(bǔ)充燃料提高反應(yīng)熱值應(yīng)該是一個(gè)可用的手段。

4.3 中間產(chǎn)物乙炔問題

從乙炔生成的條件看，天然氣燃燒過程中幾乎是無(wú)法避免（1 500 ℃），因此應(yīng)該從處理角度考慮，改善火炬頭設(shè)計(jì)缺陷，增加供氧能力是一個(gè)重要的手段，另外在黑煙無(wú)法避免條件下，改善火炬頭的除煙能力是另一個(gè)重要思路。

4.4 黑煙問題應(yīng)對(duì)策略

綜合文中的分析，黑煙問題的應(yīng)對(duì)從兩方面考慮，即預(yù)防和治理。預(yù)防主要通過分離工藝，治理主要從火炬頭結(jié)構(gòu)上，從供氧和除煙系統(tǒng)考慮。

5 結(jié)語(yǔ)

黑煙問題是天然氣放空火炬面臨的一個(gè)普遍現(xiàn)象，只有準(zhǔn)確把握其產(chǎn)生原因才有可能獲得合理治理措施，該文通過梳理天然氣燃燒的化學(xué)反應(yīng)過程并結(jié)合油田現(xiàn)場(chǎng)的觀察，指出了黑煙問題的解決對(duì)策，為油田現(xiàn)場(chǎng)治理黑煙現(xiàn)象提供了有用的參考。

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