海上燃油鍋爐煙氣組分影響因素分析室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究

梅 偉，孫玉豹，張衛(wèi)行，林珊珊，仝春玥

（中海油服油田生產(chǎn)事業(yè)部，天津 300459）

煙道氣主要含有N2和CO2，通常鍋爐為了保證燃燒效率采用較大的過(guò)量空氣系數(shù)和漏風(fēng)，造成了煙道氣中還含有一定量的氧氣，如果燃料中含有S，煙道氣中還會(huì)有SO2。目前應(yīng)用的煙道氣采油工藝主要有：煙道氣-水交替注入，煙道氣輔助蒸汽吞吐，煙道氣輔助SAGD 等[1-4]。為了防止儲(chǔ)存、輸送、注氣過(guò)程中的腐蝕問(wèn)題及對(duì)儲(chǔ)層的傷害，煙道氣一般需經(jīng)過(guò)處理后進(jìn)行回注，處理的目標(biāo)主要是脫水、除塵、脫硫。因此，在項(xiàng)目實(shí)施之前有必要了解煙氣成分，為后續(xù)煙氣處理工藝設(shè)計(jì)提供參考。此外，海上平臺(tái)環(huán)境區(qū)別于陸地，其大氣和水環(huán)境對(duì)整個(gè)工藝的影響不可忽略，因此研究海上平臺(tái)大氣成分及海水組分等對(duì)蒸汽鍋爐及煙道氣回注方案設(shè)計(jì)也具有重要意義。

1 原油組分測(cè)定及物性分析實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器及方法

燃油鍋爐產(chǎn)生煙氣組分除N2外，會(huì)含有CO2、NOx和SO2等酸性氣體，這些氣體的含量和原油中的C、S、N 含量密切相關(guān)。原油煙氣相對(duì)燃煤煙氣所產(chǎn)生的煙塵含量小，但水份含量較高，所以也需要關(guān)注原油含水率。原油金屬元素是燃燒后灰分的主要來(lái)源，金屬元素分析可為后續(xù)燃料燃燒產(chǎn)物灰分分析及蒸汽鍋爐爐管材質(zhì)選擇提供數(shù)據(jù)支持。

原油四組分包括瀝青質(zhì)、飽和分、芳香分、膠質(zhì)，四組分含量可以反映原油的相對(duì)分子質(zhì)量、原油黏度等性質(zhì)，為防爆型蒸汽發(fā)生裝置燃料選擇提供數(shù)據(jù)支持。目前海上使用的蒸汽鍋爐燃燒前需要對(duì)原油進(jìn)行霧化，即把原油變成更小的液體顆粒，便于原油充分燃燒，而霧化的效果取決于燃燒器類(lèi)型、霧化方式、原油的油品性質(zhì)（密度、黏度）等。

實(shí)驗(yàn)用測(cè)試原油油樣取自渤海油田某區(qū)塊，測(cè)定原油的非金屬及金屬元素含量。實(shí)驗(yàn)采用的儀器及標(biāo)準(zhǔn)參照表（見(jiàn)表1）。

表1 檢測(cè)項(xiàng)目?jī)x器及方法

1.2 原油非金屬元素分析

原油非金屬含量實(shí)驗(yàn)結(jié)果參照表（見(jiàn)表2）。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出三種原油樣品C 元素含量最高（約80%以上），H 元素次之（約為10%），而S 和N 兩種元素差異不大。

元素分析結(jié)果（見(jiàn)表2）?？梢钥闯鋈N原油試樣都以C 含量為主，H 元素次之，S 和N 含量相差不大。含硫?yàn)?0.5%為低硫原油，含硫?yàn)?.5%～2%為含硫原油，含硫?yàn)?2%為高含硫原油，渤海油田三種樣品含硫均低于0.5%，都屬于低硫原油。樣品3 比樣品2、樣品1 的氧含量高，可能該樣品氧化物的含量較高，但具體含量需結(jié)合金屬元素含量再做詳細(xì)分析。

表2 原油非金屬元素組成表

1.3 原油金屬元素分析

原油金屬元素含量分析（見(jiàn)表3），樣品1 有較多的Ca 金屬，樣品3 所含Na 元素最多，原因是樣品3含有較多的雜質(zhì)或水分含量較大，所以攜帶的鹽分較多，同等燃燒條件下煙塵含量較高。

表3 原油金屬元素組成表

1.4 原油四組分分析及密度、黏度測(cè)定

通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析測(cè)定，渤海油田該區(qū)塊瀝青質(zhì)含量為3.02%～5.21%，其中以樣品2 含量最高，為5.21%；飽和分含量為27.45%～48.86%，其中以樣品1 含量最高，為48.86%；芳香分含量為29.84%～34.56%，其中以樣品2 含量最高，為34.56%；膠質(zhì)含量為18.28%～33.49%，其中以樣品3 含量最高，為33.49%。從分析結(jié)果看，樣品3 膠質(zhì)、瀝青質(zhì)含量相對(duì)較多，液體分子內(nèi)摩擦力增大，導(dǎo)致其黏度相對(duì)較高（見(jiàn)表4）。

表4 原油四組分組成表

三種原油樣品相對(duì)密度分別為0.931、0.944、0.958，黏溫曲線（見(jiàn)圖1）。

圖1 三種原油黏度隨溫度變化曲線

三種原油樣品均屬于重油，常溫下黏度較大，黏度隨溫度升高迅速減小，溫度大于50 ℃后，黏度隨著溫度減小的速度降低。超過(guò)50 ℃之后，同溫度下樣品3相對(duì)密度最大，初始黏度最大，說(shuō)明樣品3 油品黏溫性質(zhì)最好[5，6]。

2 原油燃燒實(shí)驗(yàn)

2.1 燃燒值測(cè)定

燃料熱值也叫燃料發(fā)熱量，是指單位質(zhì)量（指固體或液體）或單位體積（指氣體）的燃料完全燃燒，燃燒產(chǎn)物冷卻到燃燒前的溫度（一般為環(huán)境溫度）時(shí)所釋放出來(lái)的熱量。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看出三種油品均有很高的熱值，都超出了一般油類(lèi)燃料42 000 kJ/kg 的熱值。熱值較高的燃料，在同等功率下，單位時(shí)間所消耗燃料量較小。熱值雖不等于各種可燃物質(zhì)（碳、氫）熱值代數(shù)和，但是與這些元素含量有著復(fù)雜的化合關(guān)系，一般情況下，C和H 含量越高，熱值越大。結(jié)合碳/氫/氧/氮元素分析可知，樣品2 碳?xì)浜孔罡?，其?duì)應(yīng)的熱值也最高（見(jiàn)表5）。

表5 渤海油田某區(qū)塊油樣燃燒值測(cè)定

2.2 燃燒實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

煙氣組分的檢測(cè)主要包括酸性氣體檢測(cè)和煙塵檢測(cè)，酸性氣體主要指CO2、NOx和SO2等。按采樣方式可以分為在線法、直接取樣法和稀釋取樣法3 種。本次實(shí)驗(yàn)燃油在熱水鍋爐中進(jìn)行燃燒，煙氣在煙道垂直位置打孔取樣，采用直接取樣法。直接取樣法檢測(cè)示意圖（見(jiàn)圖2）。煙氣從主煙道流入采集管線，經(jīng)煙塵過(guò)濾裝置進(jìn)入煙氣分析儀進(jìn)行分析。

圖2 直接取樣法系統(tǒng)原理圖

煙塵濃度測(cè)定采用等速采樣過(guò)濾稱(chēng)重法。煙塵濃度按式（1）計(jì)算。

式中：C－煙氣中煙塵濃度，mg/m3；G1－濾筒（濾紙）初重，g；G2－濾筒（濾紙）終重，g；Vnd－標(biāo)態(tài)采氣總體積，m3。

本次檢測(cè)煙氣成分采用定點(diǎn)位電解法與紅外光譜法結(jié)合，實(shí)驗(yàn)儀器為T(mén)esto350pro 煙氣分析儀。該煙氣分析儀為自吸式，氣體流量1 L/min，可檢測(cè)氣體O2、NO、NO2、SO2和CO2。

2.3 燃燒排放物分析

不同過(guò)量空氣系數(shù)和不同原油燃燒啟動(dòng)階段和穩(wěn)定階段排放參數(shù)（見(jiàn)表6）。從表中可以看出：三種油品在預(yù)熱至一定溫度后霧化燃燒[7-11]，同一油品在相同燃燒條件下，在燃燒未穩(wěn)定狀態(tài)下，煙氣中CO2含量較之正常燃燒狀態(tài)低60%左右，說(shuō)明燃燒不充分；增大燃燒初期過(guò)量空氣系數(shù)，一定程度可以促進(jìn)燃燒，相應(yīng)的CO2含量也會(huì)隨之升高。隨著燃燒進(jìn)行，爐膛溫度上升，煙氣中NOx增多，主要是溫度控制型的NO 增加，增加10%～15%；過(guò)量空氣系數(shù)越大，NOx含量越低，這是因?yàn)檫^(guò)量空氣系數(shù)增大到一定值之后，繼續(xù)增加，爐膛燃燒溫度下降，溫度型NOx迅速減小，溫度型NOx理論最高值發(fā)生在α=1 的情況下，本實(shí)驗(yàn)中NOx最大值發(fā)生在α≈1.1 的區(qū)域里。

表6 不同原油燃燒排放參數(shù)（續(xù)表）

三種原油燃燒，樣品3 產(chǎn)生的SO2最多，比最少的樣品1 多100 mg/m3左右，從元素分析角度看三類(lèi)原油S 含量相差不多，但樣品1 和2 所含雜質(zhì)較多，雜質(zhì)中Ca，Ca 和Mg 的氧化物和鹽類(lèi)是很好的固硫劑，在燃燒中會(huì)大大降低SO2的生成。

3 結(jié)論

（1）渤海油田三種原油樣品均屬于重油，C 元素含量80%左右，H 元素11%。三種原油S 含量均低于0.5%，為低硫油。樣品3 油品黏度對(duì)溫度最敏感，降幅最大。

（2）原油金屬元素含量分析如表3 所示，樣品1 有較多的Ca 金屬，樣品3 所含Na 元素最多，原因是樣品3 含有較多的雜質(zhì)或水分含量較大，所以攜帶的鹽分較多，同等燃燒條件下煙塵含量較高。

（3）原油燃燒值和原油的C、H 元素含量相關(guān)，C、H元素含量越高，燃燒值越高，同一油品在相同燃燒條件下，在燃燒未穩(wěn)定狀態(tài)下，煙氣中CO2含量較之正常燃燒狀態(tài)低60%左右，說(shuō)明燃燒不充分；隨著燃燒進(jìn)行，爐膛溫度上升，溫度控制型的NO 增加10%～15%；過(guò)量空氣系數(shù)增大到一定值之后，繼續(xù)增加，爐膛燃燒溫度下降，溫度型NOx迅速減小。

（4）樣品3 原油煙氣組分表明，燃燒產(chǎn)生煙氣中SO2含量與原油樣品中的雜質(zhì)含量相關(guān)，雜質(zhì)可作為固硫劑，可以降低游離S 單質(zhì)含量，因此會(huì)降低SO2含量；由于樣品3 燃燒不完全，導(dǎo)致煙塵量大。