放空火炬冒黑烟问题原因深度剖析

隋先富 王玉 张岭

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：

（1）

（2）

（3）

（4）

（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，一般不具备，所以平台火炬放空过程中产生中间物乙炔一般是难以避免的，而碳颗粒的产生也是难以避免。

3 重组分含量的影响

关于重组分含量与黑烟之间是否有必然联系存在一定的争议，文献[2]中明确指出重组分含量超过6%是发生黑烟的一个临界值。虽然文献[9]给出了不同的观点，但是考虑文献[9]中的实验条件的局限性，重组分含量高的天然气燃烧时是否通过其他的途径带来黑烟或者引发生成黑烟的条件并无法确定。从油田现场的宏观显现看，重组分含量问题引起黑烟的可能还是存在的。文献[2]给出的案例是例证之一，而海上油田监测的实际数据也是另外一个例证。

表1和表2分别为渤海JZ1油田和JZ3油田的天然气组分取样数据。从表中数据可以看出JZ1油田天然气组分重组分（C3+）含量总体较高，最大含量30.42%，最小5.18%，平均11.2%；而JZ3天气然中重组分含量较低，多在2%以下。

JZ1投产初期，放空量为0.265 7万方/d，火炬偶尔产生少量黑烟，当前火炬放空量为0.358 8万方/d，经观察火炬依然是偶尔产生黑烟，不过黑烟的量未有增大趋势。

JZ3油田根据现场观察，没有黑烟现象。

其他油田如S1油田现场观测也偶尔有黑烟问题，其天然气组分中也发现重组分含量较高，平均含量超过6%，该数据与文献中产生黑烟现象的临界值的研究是吻合的。

4 海上油田火炬黑烟问题总结与对策

4.1 天然气组分问题

除了“乙烷乙烯乙炔燃烧实验现象分析及其探讨”一文对高含碳组分引起燃烧不充分这个认识进行否定外，从油田现场和其他研究人员的观点看C3+重组分的存在带来黑烟问题观点是被普遍认可的，从辽东作业区SZ36-1油田和JZ25-1油田的天然气组分情况看都在6%以上，虽然当前没有比较确定的机理分析证明其内在联系，但是宏观现象上却证明了二者的关联性，因此，从分离工艺角度减少放空天然气中重组分的含量是一个重要手段。

4.2 低放空量问题

放空量较低情况下发生黑烟问题从现场的观察印证了其客观存在，一个解释为排量越低出口速度低，因此与空气混合也较慢，不利于充分燃烧；文献[4]提到的充分燃烧所需“热值”问题也是一个重要理由。

对于放空量通常是难以控制的，因为平台需要排放多少才燃烧多少，而不是需要燃烧多少反过来设计排放量。对于热值不够的问题，通过补充燃料提高反应热值应该是一个可用的手段。

4.3 中间产物乙炔问题

从乙炔生成的条件看，天然气燃烧过程中几乎是无法避免（1 500 ℃），因此应该从处理角度考虑，改善火炬头设计缺陷，增加供氧能力是一个重要的手段，另外在黑烟无法避免条件下，改善火炬头的除烟能力是另一个重要思路。

4.4 黑烟问题应对策略

综合文中的分析，黑烟问题的应对从两方面考虑，即预防和治理。预防主要通过分离工艺，治理主要从火炬头结构上，从供氧和除烟系统考虑。

5 结语

黑烟问题是天然气放空火炬面临的一个普遍现象，只有准确把握其产生原因才有可能获得合理治理措施，该文通过梳理天然气燃烧的化学反应过程并结合油田现场的观察，指出了黑烟问题的解决对策，为油田现场治理黑烟现象提供了有用的参考。

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