文档介绍：放空火炬冒黑烟问题原因深度剖析
摘要:海上平台放空火炬有时发现有冒黑烟现象,带来了环保隐患。如何治理黑烟成为很多油田面临的重要课题。该文从天然气组分和燃烧机理分析出发,深度剖析了天然气不完全燃烧的原因,并结合海上油田现状给出了改善建议。
关键词:黑烟火炬乙炔天然气组分
中图分类号:TE96 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2016)04(a)-0057-03
黑烟是燃料燃烧不充分时产生的固态碳颗粒的宏观表现形式[1]。
天然气由于燃烧不充分引起冒黑烟问题是人们的一个共识,但是为什么会燃烧不充分?产生黑烟的一般条件是什么?如何解决?仍然存在一些认识上的分歧,进而给油田现场治理黑烟现象带来了困惑。该文尝试梳理清楚黑烟问题的真实原因,从而为现场治理黑烟问题提供有用的参考。
1 黑烟成因概述
通常理解燃烧不充分的原因是供氧不足或者重组分含量偏高[2-8];也有学者认为,炔烃的存在才是引起黑烟现象的根本原因[9],其他解释报道较少。具体到现场实施工艺上,可以归纳为以下几点。
(1)由于油气分离器分离效率下降,造成油气分离不净,天然气携带原油和重烃液滴进入火炬放空系统。
(2)原火炬放空管线内积液太多。
(3)放空量超过原火炬放空能力。
(4)火炬放空气热值不足,火炬放空气至少需具有7 500~9 300 kJ/m3的热值才能完全燃烧,否则,必须另外补加燃料。
(5)火炬头设计缺陷,火炬氧气供给不足,导致燃烧不充分。
其中文献[9]中,作者就乙炔引起黑烟的观点进行了分析。通过室内实验,从化学反应机理上做了更深入的研究,作者通过观察甲烷、乙烷、丙烷、丁烷及汽油(C5-C9烷烃)气化燃烧的现象,证明空气中燃烧烷烃不会发生黑烟现象;换言之,高碳组分并不是产生黑烟现象的充分条件亦非必要条件。
而通过对比乙烷、乙烯和乙炔的燃烧发现,乙烯有轻微黑烟,乙炔有较浓的黑烟现象;初步判断了产生黑烟问题的主要原因是炔烃的存在。而通化学键键能的分析,指出,本质原因是炔烃不饱和化学键的存在,使得其反应速率超过其他烃类,从而引起黑烟。
2 炔烃产生的条件
文献[9]中描述的实验现象为发现黑烟的真实原因提供了重要线索,那么天然气放空燃烧过程中会不会产生炔烃?条件又是什么?
按照这个思路,笔者又进行了深入调研,从工业制乙炔的工艺技术中发现了一些有用的信息。
利用天然气制乙炔是一项规模化应用的技术,很多文献[10-15]都有描述。
主要工艺有3个:天然气部分氧化法、电弧法和等离子射流法,其中部分氧化法是应用最多,规模最大的一项工艺。
其机理就是通过甲烷与氧气高温化学反应,反应产物有C2H2、CO2、CO、H2、C和H2O,而C2H2属于一种中间产物,需要迅速冷却、收集,否则很快就能进一步分解为C和H2;而固体碳颗粒几乎是反应过程中无法避免的副产物。天然气在反应室中于1 500 ℃高温下化学反应表达式为:
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(5)
天然气在空气中燃烧温度最高能够达到2 300 ℃,在氧气中燃烧最高能够达到3 400 ℃,因此,对于放空火炬的天然气而言,完全能够实现1 500 ℃的温度要求,另外对于火炬燃烧来讲,为防止炭黑生成的“迅速冷却”条件,一般不具