海上燃油鍋爐煙氣組分影響因素分析室內實驗研究

梅 偉，孫玉豹，張衛行，林珊珊，仝春玥

（中海油服油田生產事業部，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量空氣系數和漏風，造成了煙道氣中還含有一定量的氧氣，如果燃料中含有S，煙道氣中還會有SO2。目前應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]。為了防止儲存、輸送、注氣過程中的腐蝕問題及對儲層的傷害，煙道氣一般需經過處理后進行回注，處理的目標主要是脫水、除塵、脫硫。因此，在項目實施之前有必要了解煙氣成分，為后續煙氣處理工藝設計提供參考。此外，海上平臺環境區別于陸地，其大氣和水環境對整個工藝的影響不可忽略，因此研究海上平臺大氣成分及海水組分等對蒸汽鍋爐及煙道氣回注方案設計也具有重要意義。

1 原油組分測定及物性分析實驗

1.1 實驗儀器及方法

燃油鍋爐產生煙氣組分除N2外，會含有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。原油煙氣相對燃煤煙氣所產生的煙塵含量小，但水份含量較高，所以也需要關注原油含水率。原油金屬元素是燃燒后灰分的主要來源，金屬元素分析可為后續燃料燃燒產物灰分分析及蒸汽鍋爐爐管材質選擇提供數據支持。

原油四組分包括瀝青質、飽和分、芳香分、膠質，四組分含量可以反映原油的相對分子質量、原油黏度等性質，為防爆型蒸汽發生裝置燃料選擇提供數據支持。目前海上使用的蒸汽鍋爐燃燒前需要對原油進行霧化，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型、霧化方式、原油的油品性質（密度、黏度）等。

實驗用測試原油油樣取自渤海油田某區塊，測定原油的非金屬及金屬元素含量。實驗采用的儀器及標準參照表（見表1）。

表1 檢測項目儀器及方法

1.2 原油非金屬元素分析

原油非金屬含量實驗結果參照表（見表2）。根據實驗結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。

元素分析結果（見表2）。可以看出三種原油試樣都以C 含量為主，H 元素次之，S 和N 含量相差不大。含硫為<0.5%為低硫原油，含硫為0.5%～2%為含硫原油，含硫為>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，但具體含量需結合金屬元素含量再做詳細分析。

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、黏度測定

通過實驗分析測定，渤海油田該區塊瀝青質含量為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%；膠質含量為18.28%～33.49%，其中以樣品3 含量最高，為33.49%。從分析結果看，樣品3 膠質、瀝青質含量相對較多，液體分子內摩擦力增大，導致其黏度相對較高（見表4）。

表4 原油四組分組成表

三種原油樣品相對密度分別為0.931、0.944、0.958，黏溫曲線（見圖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50 ℃之后，同溫度下樣品3相對密度最大，初始黏度最大，說明樣品3 油品黏溫性質最好[5，6]。

2 原油燃燒實驗

2.1 燃燒值測定

燃料熱值也叫燃料發熱量，是指單位質量（指固體或液體）或單位體積（指氣體）的燃料完全燃燒，燃燒產物冷卻到燃燒前的溫度（一般為環境溫度）時所釋放出來的熱量。

從實驗結果看出三種油品均有很高的熱值，都超出了一般油類燃料42 000 kJ/kg 的熱值。熱值較高的燃料，在同等功率下，單位時間所消耗燃料量較小。熱值雖不等于各種可燃物質（碳、氫）熱值代數和，但是與這些元素含量有著復雜的化合關系，一般情況下，C和H 含量越高，熱值越大。結合碳/氫/氧/氮元素分析可知，樣品2 碳氫含量最高，其對應的熱值也最高（見表5）。

表5 渤海油田某區塊油樣燃燒值測定

2.2 燃燒實驗設計

煙氣組分的檢測主要包括酸性氣體檢測和煙塵檢測，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。本次實驗燃油在熱水鍋爐中進行燃燒，煙氣在煙道垂直位置打孔取樣，采用直接取樣法。直接取樣法檢測示意圖（見圖2）。煙氣從主煙道流入采集管線，經煙塵過濾裝置進入煙氣分析儀進行分析。

圖2 直接取樣法系統原理圖

煙塵濃度測定采用等速采樣過濾稱重法。煙塵濃度按式（1）計算。

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－標態采氣總體積，m3。

本次檢測煙氣成分采用定點位電解法與紅外光譜法結合，實驗儀器為Testo350pro 煙氣分析儀。該煙氣分析儀為自吸式，氣體流量1 L/min，可檢測氣體O2、NO、NO2、SO2和CO2。

2.3 燃燒排放物分析

不同過量空氣系數和不同原油燃燒啟動階段和穩定階段排放參數（見表6）。從表中可以看出：三種油品在預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，在燃燒未穩定狀態下，煙氣中CO2含量較之正常燃燒狀態低60%左右，說明燃燒不充分；增大燃燒初期過量空氣系數，一定程度可以促進燃燒，相應的CO2含量也會隨之升高。隨著燃燒進行，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%；過量空氣系數越大，NOx含量越低，這是因為過量空氣系數增大到一定值之后，繼續增加，爐膛燃燒溫度下降，溫度型NOx迅速減小，溫度型NOx理論最高值發生在α=1 的情況下，本實驗中NOx最大值發生在α≈1.1 的區域里。

表6 不同原油燃燒排放參數（續表）

三種原油燃燒，樣品3 產生的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原油S 含量相差不多，但樣品1 和2 所含雜質較多，雜質中Ca，Ca 和Mg 的氧化物和鹽類是很好的固硫劑，在燃燒中會大大降低SO2的生成。

3 結論

（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，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，在燃燒未穩定狀態下，煙氣中CO2含量較之正常燃燒狀態低60%左右，說明燃燒不充分；隨著燃燒進行，爐膛溫度上升，溫度控制型的NO 增加10%～15%；過量空氣系數增大到一定值之后，繼續增加，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，燃燒產生煙氣中SO2含量與原油樣品中的雜質含量相關，雜質可作為固硫劑，可以降低游離S 單質含量，因此會降低SO2含量；由于樣品3 燃燒不完全，導致煙塵量大。