燃油膨化技術在油田加熱爐中的應用

卞和滿，胡子斌，邢福林，郝斌，劉士永，謝直，張濤，李祥瑞

（1.河北華北石油榮盛機械制造有限公司，河北 滄州 062552；2.湘潭融匯合化工科技發展有限公司，湖南 湘潭 411100）

引言

我國生產的原油普遍具有高凝固點、高含水和高黏度的特點，在輸送過程中，由于管道周圍介質的溫度低于原油的凝固點，使得原油輸送十分困難，采用原油加熱爐對原油加溫輸送是解決這一問題最經濟和有效的方法[1]。原油熱輸工藝的應用較廣泛，油田用加熱爐是油田勘探開發中的重要設備之一。加熱爐的燃料主要采用原油，但原油中膠質、瀝青質含量較高[2]，在燃燒過程中霧化效果不好，燃燒不充分、燃燒效率低；其二氧化硫、氮氧化物、顆粒物等污染物排放濃度大多高于國家燃油鍋爐排放要求。隨著國家環保治理力度的加大，現有的燃燒方式已難以滿足排放要求。

20世紀60年代，國外就開始將重油膨化節能技術應用于工業生產；80年代，我國把膨化油燃燒技術列為“八五”期間重點研制及推廣項目，但沒有得到廣泛推廣應用，主要原因一方面是由于當時的環保法規不完善，使該技術的優勢無法顯現；另一方面是存在膨化油性能不穩定，受油液分離的局限[3]。目前，河北某機械制造有限公司研發了新型燃油膨化技術，并在油田加熱爐上進行了應用驗證，取得了良好效果，有效克服了油液分離的缺陷，為石油行業加熱爐的節能降耗、減排提供了一種新方法。該技術已于2018年5月通過中國環境保護產業協會鑒定，結論是“該技術成果在同類技術領域中居于國際先進水平”，并入選了“2018年度中國環境保護產業協會先進污染防治技術重點推廣項目”，具備了規模推廣應用的條件。

1 燃油膨化技術原理

該技術采用特殊成分配制的膨化劑，與原油等燃料油混合，在一定溫度、壓力等條件下，添加一定比例的稀釋液：水通過膨化裝置進行研磨處理后，改變燃料油的分子鏈結構，使其形成顆粒細小、均質分散且性能穩定的油包水型結構。膨化油品燃燒機理一般有物理和化學作用兩種解釋。其中物理作用最主要的是產生“微爆效應”，即油滴內部蒸汽壓力沖破包在表面的油層發生瞬間膨脹，爆炸成比原來更細的油霧點，這樣既提高了油的霧化質量，同時又增加了油與空氣的燃燒接觸面積，實現燃燒充分的效果。化學作用中碳氫化合物所產生的“水煤氣反應”，提高了熱效率。因此燃油膨化技術具有環保和節能的雙重作用[4]。

圖1顯示的是顯微鏡放大100倍下膨化前后液滴的對比照片，可以看到膨化油微粒精細且均質分散。

圖1 顯微鏡下觀察膨化效果

2 關鍵技術

2.1 膨化劑的合成

膨化油性能的穩定性是該項技術的關鍵因素之一。穩定性好，燃燒狀況就穩定；穩定性差，油液在燃燒前分離，不但起不到“微爆”效果，嚴重時還會導致熄火[5]。膨化劑的性能不僅體現在能對油品中的大分子進行分解，而且應具有良好親合力，以及與油分子不排斥、不中和的性能，要利于形成油包水型結構。經反復試驗，選取氫氧化鉀、硫酸鈣及氫氧化鈉、藻朊酸、藻酸鈉和黃原膠等主要原料，在特定溫度和壓力下合成了膨化劑產品。在膨化劑合成過程中，無廢氣、廢水等新的污染物排放。使用這種膨化劑制做的膨化油放置六個月后檢驗，未發生油液分離現象，性能穩定。

2.2 膨化裝置的設計制造

為實現工業化膨化油的制做，設計開發了專用膨化油制造設備——膨化裝置（ZL 2016 2 0566993.3）。該裝置應用研磨加工的工藝方案，采用具有高剪切性能的均質機作為研磨工藝的核心元件，原料的分散、混合、均質和膨化效果良好。

高剪切性能的均質機采用雙級定、轉子研磨結構。一級定、轉子的功能是通過液力剪切、擠壓研磨等作用，使油品中的大黏團、結塊等顆粒破碎，使油品中的固相和液相等顆粒迅速溶解并均勻分散。圖2顯示的二級定子和轉子使研磨更加精細，定、轉子的最小剪切槽寬只有0.4mm，一個轉子具有不同角度、不同槽寬的剪切槽數量可達600余個，轉速3000轉/min。定轉子的裝配間隙控制在0.35～0.5mm。利用高速旋轉所產生的高切線速度在轉子和定子間的狹窄間隙中形成極大的速度梯度，使燃料油在定-轉子的間隙中受到強烈的液力剪切、離心擠壓、液層摩擦、撞擊撕裂和湍流等綜合作用，使不相溶的固相、液相在適量膨化液的作用下，改變原有油品的分子鏈結構，最終生成性能穩定均質分散的膨化油。

圖2 二級定子、轉子實物圖

該裝置可根據不同燃料油的要求，按照一定比例、一定流量和溫度等工藝參數，合理配制膨化劑、稀釋液、燃料油的混合比例。裝置的儲料罐中配備有電磁液位計和電加熱器，當膨化液加熱到合適溫度后，通過計量泵排出，首先在旋流器中與加熱后的燃料油混合，然后經過靜態混合器混合，通過高剪切均質機進行研磨，最終生成膨化燃料油。該裝置的控制系統有兩種工作模式，手動模式和半自動模式。手動模式為，手動調節渣油泵電機轉速，根據流量計顯示的流量手動調節稀釋液，用計量泵和膨化劑用計量泵控制排量，各電控原件可獨立控制。半自動模式為，手動分別調節稀釋液用計量泵和膨化劑用計量泵的排量，系統識別渦輪流量計的參數后，渣油泵電機轉速可自動調節，控制燃料油的流量。膨化裝置原理流程見圖3。根據處理量和使用情況的需要，該裝置可形成系列化產品。

圖3 膨化裝置原理流程圖

3 試驗及應用情況

3.1 實例1

2017年5月，采用同一批次原油，在華北油田采油一廠高44集轉站進行燃燒，由華北石油管理局環境監測中心站（CMA資質）檢測污染物排放濃度。然后對該原油添加15%膨化劑和稀釋液進行膨化處理生成膨化油，用膨化油在同一加熱爐燃燒進行檢測。膨化前后污染物排放濃度指標對比見表1。

表1 原油膨化后污染物去除率

2017年6月，對上述膨化前和膨化后油品送到通標標準技術服務（天津）有限公司石化實驗室（SGS檢測資質），采用氧彈檢測法進行檢測。結果為燃燒凈熱值提高了5.9%。對比結果見表2。

表2 原油膨化前后燃燒凈熱值對比

3.2 實例2

2018年2月，在華北油田采油三廠河間47集轉站和留路28集轉站，采用與高44集轉站相同方法進行應用試驗，取得相同測試結果。

3.3 實例3

2018年2月，采用180#燃料油膨化處理后，在浙江迪贊隆能源有限公司加熱鍋爐進行燃燒，由浙江省臺州綠安檢測技術有限公司（CMA資質）進行污染物排放濃度檢測，檢測結果見表3。

表3 180#燃料油膨化后燃燒污染物排放濃度

4 結論

（1）油田加熱爐使用膨化處理后的原油燃燒，污染物排放濃度與膨化前的原油燃燒相比，綜合污染物排放濃度可降低50%以上，污染物排放濃度降低明顯。燃燒污染物排放濃度能夠滿足《鍋爐大氣污染物排放標準》（GB/T 13271—2014）相關要求，具有較好的社會效益。

（2）使用膨化油燃燒具有節能效果。根據燃燒凈熱值測試，采用原油為原料油，添加15%膨化劑和稀釋液，油品膨化前后凈熱值不降低，證明平均節能效果可達15%以上，具有一定的經濟效益。

（3）該技術在實施過程中不會產生新的污染源。使用條件和燃燒工藝與原有油品基本相同。膨化劑和膨化油不會產生自燃和變質，性能穩定，在運輸、儲存等方面與原油品相同。

（4）膨化液適應面廣，不僅適用于原油，也適用180#燃料油。該技術可以應用在以180#燃料油作為燃油的加熱鍋爐。