產(chǎn)品詳情
生物質(zhì)燃燒機的現(xiàn)場應(yīng)用
摘要 圍繞測試產(chǎn)液處理方式，對于燃燒處理列出了典型的生物質(zhì)燃燒機類型。著眼于影響生物質(zhì)燃燒機燃燒效率的核心因素，分析了壓力霧化、旋流霧化、氣動霧化以及氣泡霧化的四種霧化噴嘴的結(jié)構(gòu)及特點，探討了流程控制、點火系統(tǒng)、霧化噴嘴回壓、水噴淋、霧化空氣供應(yīng)、噪音及熱輻射、重油燃燒等生物質(zhì)燃燒機方面的現(xiàn)場應(yīng)用。根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用存在的問題，提出研發(fā)新一代無水高效生物質(zhì)燃燒機的建議。
當前政府和作業(yè)者日益關(guān)注油氣田開發(fā)的環(huán)境問題，包括測試期間產(chǎn)液的環(huán)保處理。產(chǎn)液物性未知性及并場或者油田處理能力的局限，給產(chǎn)液處理帶來挑戰(zhàn)。燃燒作為重要的處理方式之一，基本實現(xiàn)了環(huán)保、無黑煙、無落油等要求，降低有害氣體溢散的風險以及產(chǎn)液回收的成本，其應(yīng)用越來越廣泛，逐漸從海上應(yīng)用推廣到陸上。國內(nèi)就此展開了一些國產(chǎn)化及應(yīng)用研究‘-羽。
1 測試產(chǎn)出液的處理方式
對于海上平臺測試或產(chǎn)液回收困難、回收成本高、環(huán)保要求高、具備供水條件的陸地測試，建議采用生物質(zhì)燃燒機。
2 生物質(zhì)燃燒機及其燃燒效率
2.1 測試產(chǎn)液的燃燒處理
在1960年美國Flowpetrol公司第一次在海上引入燃燒系統(tǒng)，首次實現(xiàn)了海上平臺產(chǎn)液的經(jīng)濟處理，燃燒處理類型及技術(shù)也隨著油田技術(shù)的進步得到不斷發(fā)展和豐富。按照燃燒流體類型分為天然氣燃燒器、原油生物質(zhì)燃燒機及泥漿生物質(zhì)燃燒機。其中天然氣生物質(zhì)燃燒機有臥式、立式以及焚燒爐三種形式。其中原油燃燒器一般為臥式生物質(zhì)燃燒機，按照噴頭數(shù)目常見有單噴頭、三噴頭、四噴頭、六噴頭生物質(zhì)燃燒機，按照水噴淋形式分為單噴頭獨立水噴淋、多噴頭混合水噴淋、無水噴淋生物質(zhì)燃燒機，按照單個噴頭上噴嘴個數(shù)，有單噴嘴噴頭燃燒器和多噴嘴噴頭生物質(zhì)燃燒機。
2.2生物質(zhì)燃燒機的典型結(jié)構(gòu)及功能
一般原油生物質(zhì)燃燒機主要由燃燒頭、管匯、點火系統(tǒng)、支架和輔助裝置組成觀圖1）。
其中燃燒頭用于原油在燃燒頭處和壓縮空氣混合，并使原油霧化最后將霧化后的原油噴射出去，借助點火系統(tǒng)點燃原油；管匯用于提供原油、壓縮空氣、噴射水的通道和導(dǎo)向；點火系統(tǒng)用于電源通過點火系統(tǒng)形成高壓，在點火頭處的火花塞放電作為點火源點燃石油液化氣、天然氣或柴油用以引燃原油；支架用于將燃燒頭、點火頭、噴水嘴、管匯等固定在一起，形成一個整體起支撐作用，同時設(shè)計轉(zhuǎn)盤可以根據(jù)風向適當調(diào)節(jié)燃燒方向；輔助水噴淋裝置用于將水泵泵來的水按兩個方向噴射，一個徑向噴射形成水幕，隔離熱輻射，防止熱輻射對設(shè)備的損害，另一個向前噴射包裹火焰，起到助燃作用。
2.3 生物質(zhì)燃燒機噴嘴霧化效率及方式
一般噴嘴結(jié)構(gòu)應(yīng)考慮霧化方式、霧化級數(shù)、長度及直徑尺寸、孔徑大小、旋流方式、混合位置、相對流向等因素。對于液體燃料的霧化方式有壓力霧化、機械霧化、氣動霧化、氣泡霧化四種方式(見表2)¨羽，也有其它霧化方式，包括超聲霧化、氣哨霧化、靜電霧化等。表2原油生物質(zhì)燃燒機噴嘴霧化方式分析
以上四種霧化方式現(xiàn)有測試燃燒方式都有應(yīng)用，目前原油生物質(zhì)燃燒機產(chǎn)品采用壓力霧化方式和氣泡霧化方式較少，大部分都采用機械霧他和氣動霧化的混合霧化方式。對于原油生物質(zhì)燃燒機的混合霧化方式按照旋流方式有外旋流(Green dragon)和內(nèi)旋流Supersea)噴嘴；按照油流與介質(zhì)混合的位置分為外混式Evergreen基本型及Green dragon改進型）和內(nèi)混式噴嘴；按照霧化次數(shù)分為一級霧化、二級霧化和多極霧化噴嘴；按照油流與介質(zhì)的相對流向分為直流式Gvergreen）、渦流式和交流式(Super sea)噴嘴等。噴嘴性能指標主要有流量特性、噴霧錐角、噴霧周向不均勻度，霧化質(zhì)量指標主要有霧滴尺寸、霧化均勻度、霧滴速度、霧滴數(shù)密度、霧滴體積流量等。
3 現(xiàn)場應(yīng)用
3.1 流程控制
測試期間操作生物質(zhì)燃燒機的流程管線觀圖1）包括：來自分離器或測試罐的原油管線和控制閥及單流閥控制到霧化頭的原油流量，來自分離器的旁通／氣出口管線和控制閥及單流閥，來自空氣壓縮機的霧化空氣管線及截斷閥和單流閥，來自平臺水源的水管線及控制閥，以及柴油助燃管線及控制閥。
3.2 點火頭
一般燃燒噴頭都有獨自的氣／油引火和點火系統(tǒng)，安裝在燃燒噴嘴下，通過火花塞點燃助燃點火頭，長明火焰保持在燃燒噴頭和冷卻水之間。在測試啟始階段，點火嘴通常需要壓力為15~20 psi丙烷或任何萁它的儲存源氣體，點燃后可從分離器獲取點火天然氣。當天然氣供給量超過1MMSCF/d，由于天然氣流出噴嘴時體積膨脹，流速非常高，使得氣流溫度急劇下降，達不到天然氣點火溫度而熄火。
3.3霧化噴嘴回壓
霧化噴頭中噴嘴尺寸大小會影響霧化效果，一般尺寸越小，噴嘴回壓越高，壓力霧化效果越好，物化顆粒越小?；貕嚎梢栽诜蛛x器油管線或者燃燒臂前監(jiān)測，當回壓低時可將產(chǎn)液導(dǎo)入儲罐并通過泵送到生物質(zhì)燃燒機以達到較好的燃燒效果，或調(diào)整霧化噴嘴數(shù)目及尺寸，或?qū)⒉糠址蛛x器天然氣導(dǎo)入油管線以提高回壓。一般霧化噴嘴處壓力約為120 psi，對于高產(chǎn)量可在300 psi左右。
3.4水噴淋及注水量
當開始有煙時，緩慢打開注入水控制閥。當一定量的水注入火焰時，將會看到只有小束灰色到棕色的煙。建議允許火焰有一定量的煙形成。當水注入速度太高時，將會產(chǎn)生大量灰色的煙，而且可能會滅火。過多的冷卻水將引起滴油，因此建議冷卻水量控制在油產(chǎn)量的1.5倍同時水壓維持在150~240 psi之間。
3.5 霧化空氣量
壓縮空氣供氣量影響燃燒噴嘴霧化效果嘲，分別出現(xiàn)潔凈燃燒區(qū)、灰煙區(qū)、黑煙區(qū)、脫火區(qū)，一般霧化空氣用量較大，需配置800或1250SCFM的壓風機。其用量可以參考燃料量與壓縮空氣用量的關(guān)系圖觀圖2），或者通過空氣用量計算公式計算：SG2X 178. 039 lj13／lj13。理想的空氣／原油比例為20%~ 40%，實際應(yīng)用中一般在10%~20%之間。也可考慮使用分離器中天然氣作為霧化劑。
3.6重油、油基泥漿、返排液的燃燒
影響燃燒的原油物性因素包括化學(xué)成介、黏度以及含水率。生物質(zhì)燃燒機的標準處理量一般是指重度35。以下的輕質(zhì)油?？紤]到重油、油基泥漿、返排液、罐底物，一般黏度較大、燃料少，最好采用專門的泥漿生物質(zhì)燃燒機。3個霧化頭中有1個專門的泥漿+柴油霧化頭以及2個助燃柴油霧化頭或者直接使用天然氣。在生物質(zhì)燃燒機下部安裝集液盤收集不可燃燒液體，同時泥漿+柴油霧化頭旁安裝2個點火頭確保點火成功。增加柴油是保證普通生物質(zhì)燃燒機碳氫化合物含量占總體積的60%以上且混合均質(zhì)，也可以考慮產(chǎn)液特別是稠油加熱的方法來改進原油物性。
3.7 噪音及熱輻射危害
燃燒時熱輻射可能導(dǎo)致噴嘴局部變形、點火系統(tǒng)工作失靈、操作人員難以靠近，嚴重的可能燒毀燒塌生物質(zhì)燃燒機或者對平臺局部設(shè)備設(shè)施造成損壞。根據(jù)標準當輻射量為440 Btu/hr／艫時為裸露皮膚無傷害的上限，當輻射量為1500 Btu／hr/ft2時為API RP521推薦的油田工人防護服工作上限。定時檢測平臺受熱甲板邊緣的空氣溫度，當溫度大于50℃時應(yīng)采取冷卻措施包括強化水噴淋系統(tǒng)或延長燃燒點距離等措施直至關(guān)井。
據(jù)統(tǒng)計，75 dB為人體耳朵舒適度上限，105 dB永久損害聽覺，120 dB在這種環(huán)境下呆超過1 min即會產(chǎn)生暫時耳聾。
4 結(jié)論與認識
目前．生物質(zhì)燃燒機在海外油田得到成功應(yīng)用。同時在應(yīng)用中還存在若干問題，包括：噴嘴結(jié)構(gòu)及霧化機理認識不清，霧滴氣化過程及效果不清，熱輻射及噪音的預(yù)測，壓縮空氣用量需要優(yōu)化，陸上燃燒噴淋水用量太大，無現(xiàn)場監(jiān)測及控制系統(tǒng)，點火系統(tǒng)故障率高，返排初期或高含水燃燒難解決，稠油燃燒效率有待改進，油滴飄落污染池邊土壤以及一些結(jié)構(gòu)上的一些問題等。
摘要 圍繞測試產(chǎn)液處理方式，對于燃燒處理列出了典型的生物質(zhì)燃燒機類型。著眼于影響生物質(zhì)燃燒機燃燒效率的核心因素，分析了壓力霧化、旋流霧化、氣動霧化以及氣泡霧化的四種霧化噴嘴的結(jié)構(gòu)及特點，探討了流程控制、點火系統(tǒng)、霧化噴嘴回壓、水噴淋、霧化空氣供應(yīng)、噪音及熱輻射、重油燃燒等生物質(zhì)燃燒機方面的現(xiàn)場應(yīng)用。根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用存在的問題，提出研發(fā)新一代無水高效生物質(zhì)燃燒機的建議。
當前政府和作業(yè)者日益關(guān)注油氣田開發(fā)的環(huán)境問題，包括測試期間產(chǎn)液的環(huán)保處理。產(chǎn)液物性未知性及并場或者油田處理能力的局限，給產(chǎn)液處理帶來挑戰(zhàn)。燃燒作為重要的處理方式之一，基本實現(xiàn)了環(huán)保、無黑煙、無落油等要求，降低有害氣體溢散的風險以及產(chǎn)液回收的成本，其應(yīng)用越來越廣泛，逐漸從海上應(yīng)用推廣到陸上。國內(nèi)就此展開了一些國產(chǎn)化及應(yīng)用研究‘-羽。
1 測試產(chǎn)出液的處理方式
對于海上平臺測試或產(chǎn)液回收困難、回收成本高、環(huán)保要求高、具備供水條件的陸地測試，建議采用生物質(zhì)燃燒機。
2 生物質(zhì)燃燒機及其燃燒效率
2.1 測試產(chǎn)液的燃燒處理
在1960年美國Flowpetrol公司第一次在海上引入燃燒系統(tǒng)，首次實現(xiàn)了海上平臺產(chǎn)液的經(jīng)濟處理，燃燒處理類型及技術(shù)也隨著油田技術(shù)的進步得到不斷發(fā)展和豐富。按照燃燒流體類型分為天然氣燃燒器、原油生物質(zhì)燃燒機及泥漿生物質(zhì)燃燒機。其中天然氣生物質(zhì)燃燒機有臥式、立式以及焚燒爐三種形式。其中原油燃燒器一般為臥式生物質(zhì)燃燒機，按照噴頭數(shù)目常見有單噴頭、三噴頭、四噴頭、六噴頭生物質(zhì)燃燒機，按照水噴淋形式分為單噴頭獨立水噴淋、多噴頭混合水噴淋、無水噴淋生物質(zhì)燃燒機，按照單個噴頭上噴嘴個數(shù)，有單噴嘴噴頭燃燒器和多噴嘴噴頭生物質(zhì)燃燒機。
2.2生物質(zhì)燃燒機的典型結(jié)構(gòu)及功能
一般原油生物質(zhì)燃燒機主要由燃燒頭、管匯、點火系統(tǒng)、支架和輔助裝置組成觀圖1）。
其中燃燒頭用于原油在燃燒頭處和壓縮空氣混合，并使原油霧化最后將霧化后的原油噴射出去，借助點火系統(tǒng)點燃原油；管匯用于提供原油、壓縮空氣、噴射水的通道和導(dǎo)向；點火系統(tǒng)用于電源通過點火系統(tǒng)形成高壓，在點火頭處的火花塞放電作為點火源點燃石油液化氣、天然氣或柴油用以引燃原油；支架用于將燃燒頭、點火頭、噴水嘴、管匯等固定在一起，形成一個整體起支撐作用，同時設(shè)計轉(zhuǎn)盤可以根據(jù)風向適當調(diào)節(jié)燃燒方向；輔助水噴淋裝置用于將水泵泵來的水按兩個方向噴射，一個徑向噴射形成水幕，隔離熱輻射，防止熱輻射對設(shè)備的損害，另一個向前噴射包裹火焰，起到助燃作用。
2.3 生物質(zhì)燃燒機噴嘴霧化效率及方式
一般噴嘴結(jié)構(gòu)應(yīng)考慮霧化方式、霧化級數(shù)、長度及直徑尺寸、孔徑大小、旋流方式、混合位置、相對流向等因素。對于液體燃料的霧化方式有壓力霧化、機械霧化、氣動霧化、氣泡霧化四種方式(見表2)¨羽，也有其它霧化方式，包括超聲霧化、氣哨霧化、靜電霧化等。表2原油生物質(zhì)燃燒機噴嘴霧化方式分析
以上四種霧化方式現(xiàn)有測試燃燒方式都有應(yīng)用，目前原油生物質(zhì)燃燒機產(chǎn)品采用壓力霧化方式和氣泡霧化方式較少，大部分都采用機械霧他和氣動霧化的混合霧化方式。對于原油生物質(zhì)燃燒機的混合霧化方式按照旋流方式有外旋流(Green dragon)和內(nèi)旋流Supersea)噴嘴；按照油流與介質(zhì)混合的位置分為外混式Evergreen基本型及Green dragon改進型）和內(nèi)混式噴嘴；按照霧化次數(shù)分為一級霧化、二級霧化和多極霧化噴嘴；按照油流與介質(zhì)的相對流向分為直流式Gvergreen）、渦流式和交流式(Super sea)噴嘴等。噴嘴性能指標主要有流量特性、噴霧錐角、噴霧周向不均勻度，霧化質(zhì)量指標主要有霧滴尺寸、霧化均勻度、霧滴速度、霧滴數(shù)密度、霧滴體積流量等。
3 現(xiàn)場應(yīng)用
3.1 流程控制
測試期間操作生物質(zhì)燃燒機的流程管線觀圖1）包括：來自分離器或測試罐的原油管線和控制閥及單流閥控制到霧化頭的原油流量，來自分離器的旁通／氣出口管線和控制閥及單流閥，來自空氣壓縮機的霧化空氣管線及截斷閥和單流閥，來自平臺水源的水管線及控制閥，以及柴油助燃管線及控制閥。
3.2 點火頭
一般燃燒噴頭都有獨自的氣／油引火和點火系統(tǒng)，安裝在燃燒噴嘴下，通過火花塞點燃助燃點火頭，長明火焰保持在燃燒噴頭和冷卻水之間。在測試啟始階段，點火嘴通常需要壓力為15~20 psi丙烷或任何萁它的儲存源氣體，點燃后可從分離器獲取點火天然氣。當天然氣供給量超過1MMSCF/d，由于天然氣流出噴嘴時體積膨脹，流速非常高，使得氣流溫度急劇下降，達不到天然氣點火溫度而熄火。
3.3霧化噴嘴回壓
霧化噴頭中噴嘴尺寸大小會影響霧化效果，一般尺寸越小，噴嘴回壓越高，壓力霧化效果越好，物化顆粒越小?；貕嚎梢栽诜蛛x器油管線或者燃燒臂前監(jiān)測，當回壓低時可將產(chǎn)液導(dǎo)入儲罐并通過泵送到生物質(zhì)燃燒機以達到較好的燃燒效果，或調(diào)整霧化噴嘴數(shù)目及尺寸，或?qū)⒉糠址蛛x器天然氣導(dǎo)入油管線以提高回壓。一般霧化噴嘴處壓力約為120 psi，對于高產(chǎn)量可在300 psi左右。
3.4水噴淋及注水量
當開始有煙時，緩慢打開注入水控制閥。當一定量的水注入火焰時，將會看到只有小束灰色到棕色的煙。建議允許火焰有一定量的煙形成。當水注入速度太高時，將會產(chǎn)生大量灰色的煙，而且可能會滅火。過多的冷卻水將引起滴油，因此建議冷卻水量控制在油產(chǎn)量的1.5倍同時水壓維持在150~240 psi之間。
3.5 霧化空氣量
壓縮空氣供氣量影響燃燒噴嘴霧化效果嘲，分別出現(xiàn)潔凈燃燒區(qū)、灰煙區(qū)、黑煙區(qū)、脫火區(qū)，一般霧化空氣用量較大，需配置800或1250SCFM的壓風機。其用量可以參考燃料量與壓縮空氣用量的關(guān)系圖觀圖2），或者通過空氣用量計算公式計算：SG2X 178. 039 lj13／lj13。理想的空氣／原油比例為20%~ 40%，實際應(yīng)用中一般在10%~20%之間。也可考慮使用分離器中天然氣作為霧化劑。
3.6重油、油基泥漿、返排液的燃燒
影響燃燒的原油物性因素包括化學(xué)成介、黏度以及含水率。生物質(zhì)燃燒機的標準處理量一般是指重度35。以下的輕質(zhì)油?？紤]到重油、油基泥漿、返排液、罐底物，一般黏度較大、燃料少，最好采用專門的泥漿生物質(zhì)燃燒機。3個霧化頭中有1個專門的泥漿+柴油霧化頭以及2個助燃柴油霧化頭或者直接使用天然氣。在生物質(zhì)燃燒機下部安裝集液盤收集不可燃燒液體，同時泥漿+柴油霧化頭旁安裝2個點火頭確保點火成功。增加柴油是保證普通生物質(zhì)燃燒機碳氫化合物含量占總體積的60%以上且混合均質(zhì)，也可以考慮產(chǎn)液特別是稠油加熱的方法來改進原油物性。
3.7 噪音及熱輻射危害
燃燒時熱輻射可能導(dǎo)致噴嘴局部變形、點火系統(tǒng)工作失靈、操作人員難以靠近，嚴重的可能燒毀燒塌生物質(zhì)燃燒機或者對平臺局部設(shè)備設(shè)施造成損壞。根據(jù)標準當輻射量為440 Btu/hr／艫時為裸露皮膚無傷害的上限，當輻射量為1500 Btu／hr/ft2時為API RP521推薦的油田工人防護服工作上限。定時檢測平臺受熱甲板邊緣的空氣溫度，當溫度大于50℃時應(yīng)采取冷卻措施包括強化水噴淋系統(tǒng)或延長燃燒點距離等措施直至關(guān)井。
據(jù)統(tǒng)計，75 dB為人體耳朵舒適度上限，105 dB永久損害聽覺，120 dB在這種環(huán)境下呆超過1 min即會產(chǎn)生暫時耳聾。
4 結(jié)論與認識
目前．生物質(zhì)燃燒機在海外油田得到成功應(yīng)用。同時在應(yīng)用中還存在若干問題，包括：噴嘴結(jié)構(gòu)及霧化機理認識不清，霧滴氣化過程及效果不清，熱輻射及噪音的預(yù)測，壓縮空氣用量需要優(yōu)化，陸上燃燒噴淋水用量太大，無現(xiàn)場監(jiān)測及控制系統(tǒng)，點火系統(tǒng)故障率高，返排初期或高含水燃燒難解決，稠油燃燒效率有待改進，油滴飄落污染池邊土壤以及一些結(jié)構(gòu)上的一些問題等。
由此，有必要對生物質(zhì)燃燒機展開進一步研究，以便研發(fā)新一代無水高效生物質(zhì)燃燒機，以滿足海上和陸地日益嚴格的環(huán)保要求同時實現(xiàn)現(xiàn)場的方便及經(jīng)濟應(yīng)用。
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