天然氣密閉燃燒器的研制與應用

龐東曉 陸燈云 韓 雄 王秀華 王志敏

1. 中國石油川慶鉆探工程公司鉆采工程技術研究院 2. 中國石油西南油氣田公司重慶氣礦

0 引言

天然氣勘探開發過程中常常會產生廢棄天然氣，這些廢棄天然氣氣量較小、產出時間短、回收成本高。目前主要采用燃燒池或者高空火炬進行燃燒處理。但燃燒過程中一方面會產生噪音和強光，影響井場周邊當地居民作息（根據四川盆地某天然氣井試油測試期間現場測試結果表明，處理氣量在6×104m3/d的情況下，距燃燒池和高空火炬50 m處的噪音通常超過100 dB）；另一方面，修建燃燒池需要征用土地，更要花費人力和物力進行修建，工作量大，周期長，影響施工進度和效率，且燃燒使用后土地復耕困難。現場測試結果表明，在距燃燒池10 m處，最高溫度超過60 ℃，周邊植被受熱輻射影響嚴重[1-4]。

為此，需要研制一種天然氣密閉燃燒器，整個燃燒過程中火焰不外露，煙氣黑度小于等于林格曼2級；距離燃燒器殼體10 m處，噪音小于等于85 dB、環境溫度升高值小于等于10 ℃，從而適應于處理天然氣勘探開發過程中所產生的廢棄天然氣。

1 天然氣密閉燃燒器方案設計

1.1 國內外天然氣燃燒器模式

天然氣密閉燃燒器主要用來處理探井試油測試、頁巖氣試采過程中的廢棄天然氣。目前國內還沒有同類產品，國外在20世紀70年代初就開始研究，主要分為開放式地面火炬系統和封閉式地面火炬系統，前者較后者的處理量大，但環保性能較后者差，目前主要以封閉式地面火炬系統為主，如美國John Zink、Kaldair、QTI等公司均推出了自己的產品。國內在試油測試中試制了天然氣燃燒器，但由于不能充分燃燒，處理的廢棄天然氣量僅為7×104m3/d，難以推廣應用。因而采用燃燒池放噴燃燒依然是各大油氣田采取的最普遍的方式[5-7]。

現階段針對產氣量相對偏低的非常規天然氣藏，已嘗試在井場內使用高空燃燒火炬進行燃燒，雖然該方式可以有效降低修建燃燒池以及征地等費用，提高測試效率，但仍然不可避免地產生巨大的光污染與噪音污染，影響井場周邊社區的居民作息，并可能導致糾紛，影響頁巖氣連續返排測試等施工作業的進行[8-10]。

1.2 方案設計

密閉燃燒器需要充分燃燒廢棄天然氣，燃燒后的熱量不回收直接從密閉火炬頂部排放至大氣，要求天然氣燃燒在密閉空間內部進行，火焰不冒出密閉筒體，密閉火炬上應配置防回火裝置防止火炬在熄滅或關閉時回火。密閉火炬工作時為立式安裝，運輸時為臥式。密閉燃燒器主要由筒體、火焰檢測器、燃燒器、控制系統等組成，其中，耐高溫隔熱材料安裝在筒體的內壁周圍，燃燒器設置在筒體內且安裝在筒體底部。筒體底部開有通風口和天然氣入口，后者與燃燒頭連通，前者位于燃燒頭的下方，與筒體內壁相通。自動點火和控制系統安裝在筒體上，其中火焰檢測器位于燃燒器的上方，燃燒頭內安裝電子點火器，其與外部的點火控制箱連接[11-17]。

主要技術指標要求如下：

①密閉燃燒器最大燃燒處理氣量為30×104m3/d；要求在筒體內部燃燒，火焰不超出筒體，采用自然吸風式助燃；②密閉火炬燃燒時筒體外壁最高溫度小于等于300 ℃，距燃燒筒20 m外噪音強度小于等于85 dB，與大氣環境溫差小于10 ℃；③尺寸在8 950 mm（長）×2 700 mm（寬）×2 700 mm（高）范圍內。

2 天然氣密閉燃燒器研制

2.1 燃燒器噴嘴研制

燃燒器采用文丘里噴嘴結構設計，通過放散氣的引射作用對助燃空氣進行引射，并通過混合室實現助燃空氣和放散氣的均勻混合，同時保持速度場均勻。具有進氣端和出氣端，燃氣噴嘴設在進氣端（圖1），穩焰器安裝在出氣端；燃氣由燃氣噴嘴射出，引射空氣進入燃燒頭；火焰通過出口處的火焰穩定器，形成回流漩渦區，起到穩定火焰，控制流速的作用。

圖1 密閉燃燒器簡圖

為了進一步優化文丘里噴嘴，通過調整噴嘴出口孔徑以及進風截面尺寸，將吸入空氣預混比例由常規1∶9提高到1∶17，單個噴嘴在處理氣量為0.3×104

m3/d時達到最佳燃燒效果，火焰高度可控制在1 m內。通過實驗表明，最優結構（圖2中結構3）燃燒效率提高至98%以上。

圖2 3種噴嘴結構燃燒對比圖

2.2 噴嘴分布

為了滿足最大燃燒處理氣量30×104m3/d的指標要求，需要布置超過100個噴嘴。在噴嘴分布上，首先需要確保噴嘴火焰之間不會連焰，還要設置專用傳焰裝置保障所有噴嘴同時燃燒，最后還應留出足夠的空間保障空氣吸入無阻礙。

為此采用了4層倒塔形噴嘴布局（圖3），其中第一層（底部）17根，第二層18根，第三層30根，第四層38根，共計103根，總處理氣量30.9×104m3/d。

每一層配備4個長明火炬，總共16個，確保點火可靠，長明火炬防爆防水，可以在惡劣的氣候條件下點燃，設有測溫鎧裝式熱電偶，通過檢測溫度及時把長明火燃燒情況反饋給地面控制系統。

2.3 控制系統

控制系統由電動閥、傳感器、РLC遠程控制柜和計算機控制軟件組成。

對每一層噴嘴采用分壓控制方式進行控制，天然氣進入火炬區后分為4路，由電動閥控制，分別進入燃燒器噴嘴的第一層、第二層、第三層和第四層進行燃燒。整套裝置在自動點火系統的集中監控下自動運行（圖4）。

燃燒器噴嘴和點火器由壓力變送器作為觸發條件進行控制，當壓力高于點火設定值時，點火器啟動點燃長明火并正常燃燒；當壓力高于第一層燃燒器噴嘴閥門設定值時且長明火正常燃燒時，自動打開第一層燃燒器閥門，天然氣進入第一層燃燒器噴嘴進行燃燒；當壓力高于第二層燃燒器噴嘴閥門設定值且長明火正常燃燒時，自動打開第二層燃燒器噴嘴閥門，天然氣由第一、二層燃燒器噴嘴同時進行燃燒；當壓力高于第三層燃燒器噴嘴閥門設定值且長明火正常燃燒時，自動打開第三、四層燃燒器噴嘴閥門，天然氣由第一、二、三、四層燃燒器噴嘴同時進行燃燒。

壓力低于哪一層燃燒器噴嘴閥門下限，該層燃燒器噴嘴閥門就會關閉，如當壓力低于第四層燃燒器噴嘴閥門下限時，第四層燃燒器噴嘴閥門關閉，依次類推；當壓力低于長明火下限時，則關閉長明火。4層燃燒器噴嘴根據壓力變動自動燃燒，實現尾氣的穩定放空，防止火炬的頻繁啟、停。

3 現場應用

3.1 試驗井及燃燒簡況

試驗井位于重慶市永川區，為一口水平井，完鉆井深 3 945.12 m/5 844.00 m（垂深 /斜深），試油層位為下志留統龍馬溪組，采用分簇射孔＋可溶橋塞分段壓裂工藝，分段數為30段。

在放噴口見氣并遠程點火燃燒，隨后開始使用該密閉燃燒器。為了對比密閉燃燒器的效果，在天然氣放噴測試期間，一部分天然氣在燃燒池點火燃燒，另一部分天然氣則采用密閉燃燒器燃燒。期間隨著地層液體的排出，井口產氣量會逐步增大并趨于穩定，因此本次試驗分為兩個階段（包括小產氣量階段和正常放噴階段）進行，間斷使用密閉燃燒器6 d，共約35 h。其中小產氣量階段放噴測試持續4 d，選取其中的2 d開展密閉燃燒器試驗，間斷使用密閉燃燒器約15 h；正常放噴階段持續25 d，選取4 d開展密閉燃燒器試驗，間斷使用密閉燃燒器約20 h。

3.2 試驗過程

3.2.1 小產氣量階段

在初期由于單井產氣量較低，燃燒器僅第一層和第二層燃燒頭打開。現場測量數據如圖5所示，試驗井平均產氣量為17.9×104m3/d，其中一部分天然氣（9.0×104m3/d）分流到現場燃燒池燃燒，另一部分（8.9×104m3/d）分流進入燃燒器燃燒；20 m處噪聲平均為41 dB，溫度平均為21.2 ℃，與環境溫度無差異；現場情況如圖6所示，火焰燃燒不可見，無黑煙出現。

圖5 放噴初期環境溫度和噪聲隨燃燒器處理氣量變化曲線圖

3.2.2 正常放噴階段

正常放噴期間，第一層、第二層、第三層和第四層燃燒器噴嘴全部打開。現場測量數據如圖7所示：試驗井平均產氣量為54.3×104m3/d，通過分流進入燃燒器的氣量為29.3×104m3/d；20 m處噪聲平均為78.6 dB，最大為 83.9 dB；溫度升值 28.6 ℃后無變化，與大氣環境溫差9.2 ℃（測試時為夜間，環境溫度為19.4 ℃）；現場火焰燃燒略微可見，無黑煙出現。

圖6 燃燒器和燃燒池處理效果對比圖

圖7 正常放噴期間環境溫度和噪聲隨燃燒器處理氣量變化曲線圖

3.3 試驗結論

密閉燃燒器在降低熱輻射和光污染方面有著明顯優勢，能滿足不用征地修建放噴口，直接在原有井場角落上擺放該型號密閉燃燒器后就進行放噴排液的要求，在噪音控制方面滿足20 m范圍之外噪音強度小于等于85 dB，與大氣環境溫差小于10 ℃的技術要求。

4 結論

1）通過開展強吸預混燃燒噴嘴、噴嘴布局研究和分壓控制研究，研制的密閉燃燒器燃燒效率提高至98%以上。通過現場試驗表明：處理氣量最大（29.3×104m3/d）條件下燃燒時無可見火焰，距離燃燒器殼體20 m處噪音小于等于85 dB、周圍環境溫度升高值小于等于10 ℃。

2）密閉燃燒器能有效降低噪音、熱輻射和光污染，無需修建燃燒池和樹立立式火炬，對于頁巖氣開發、探井試油測試等方面的天然氣廢棄氣的處理有明顯工程優勢，具備推廣應用的前景。

3）由于試驗時間較短，對密閉燃燒器的抗溫性能和系統穩定性等未進行充分驗證，下一步加大研究和試驗力度，以期為密閉燃燒器的推廣應用奠定基礎。