海上燃油锅炉烟气组分影响因素分析室内实验研究

梅 伟，孙玉豹，张卫行，林珊珊，仝春玥

（中海油服油田生产事业部，天津 300459）

烟道气主要含有N2和CO2，通常锅炉为了保证燃烧效率采用较大的过量空气系数和漏风，造成了烟道气中还含有一定量的氧气，如果燃料中含有S，烟道气中还会有SO2。目前应用的烟道气采油工艺主要有：烟道气-水交替注入，烟道气辅助蒸汽吞吐，烟道气辅助SAGD 等[1-4]。为了防止储存、输送、注气过程中的腐蚀问题及对储层的伤害，烟道气一般需经过处理后进行回注，处理的目标主要是脱水、除尘、脱硫。因此，在项目实施之前有必要了解烟气成分，为后续烟气处理工艺设计提供参考。此外，海上平台环境区别于陆地，其大气和水环境对整个工艺的影响不可忽略，因此研究海上平台大气成分及海水组分等对蒸汽锅炉及烟道气回注方案设计也具有重要意义。

1 原油组分测定及物性分析实验

1.1 实验仪器及方法

燃油锅炉产生烟气组分除N2外，会含有CO2、NOx和SO2等酸性气体，这些气体的含量和原油中的C、S、N 含量密切相关。原油烟气相对燃煤烟气所产生的烟尘含量小，但水份含量较高，所以也需要关注原油含水率。原油金属元素是燃烧后灰分的主要来源，金属元素分析可为后续燃料燃烧产物灰分分析及蒸汽锅炉炉管材质选择提供数据支持。

原油四组分包括沥青质、饱和分、芳香分、胶质，四组分含量可以反映原油的相对分子质量、原油黏度等性质，为防爆型蒸汽发生装置燃料选择提供数据支持。目前海上使用的蒸汽锅炉燃烧前需要对原油进行雾化，即把原油变成更小的液体颗粒，便于原油充分燃烧，而雾化的效果取决于燃烧器类型、雾化方式、原油的油品性质（密度、黏度）等。

实验用测试原油油样取自渤海油田某区块，测定原油的非金属及金属元素含量。实验采用的仪器及标准参照表（见表1）。

表1 检测项目仪器及方法

1.2 原油非金属元素分析

原油非金属含量实验结果参照表（见表2）。根据实验结果可以看出三种原油样品C 元素含量最高（约80%以上），H 元素次之（约为10%），而S 和N 两种元素差异不大。

元素分析结果（见表2）。可以看出三种原油试样都以C 含量为主，H 元素次之，S 和N 含量相差不大。含硫为<0.5%为低硫原油，含硫为0.5%～2%为含硫原油，含硫为>2%为高含硫原油，渤海油田三种样品含硫均低于0.5%，都属于低硫原油。样品3 比样品2、样品1 的氧含量高，可能该样品氧化物的含量较高，但具体含量需结合金属元素含量再做详细分析。

表2 原油非金属元素组成表

1.3 原油金属元素分析

原油金属元素含量分析（见表3），样品1 有较多的Ca 金属，样品3 所含Na 元素最多，原因是样品3含有较多的杂质或水分含量较大，所以携带的盐分较多，同等燃烧条件下烟尘含量较高。

表3 原油金属元素组成表

1.4 原油四组分分析及密度、黏度测定

通过实验分析测定，渤海油田该区块沥青质含量为3.02%～5.21%，其中以样品2 含量最高，为5.21%；饱和分含量为27.45%～48.86%，其中以样品1 含量最高，为48.86%；芳香分含量为29.84%～34.56%，其中以样品2 含量最高，为34.56%；胶质含量为18.28%～33.49%，其中以样品3 含量最高，为33.49%。从分析结果看，样品3 胶质、沥青质含量相对较多，液体分子内摩擦力增大，导致其黏度相对较高（见表4）。

表4 原油四组分组成表

三种原油样品相对密度分别为0.931、0.944、0.958，黏温曲线（见图1）。

图1 三种原油黏度随温度变化曲线

三种原油样品均属于重油，常温下黏度较大，黏度随温度升高迅速减小，温度大于50 ℃后，黏度随着温度减小的速度降低。超过50 ℃之后，同温度下样品3相对密度最大，初始黏度最大，说明样品3 油品黏温性质最好[5，6]。

2 原油燃烧实验

2.1 燃烧值测定

燃料热值也叫燃料发热量，是指单位质量（指固体或液体）或单位体积（指气体）的燃料完全燃烧，燃烧产物冷却到燃烧前的温度（一般为环境温度）时所释放出来的热量。

从实验结果看出三种油品均有很高的热值，都超出了一般油类燃料42 000 kJ/kg 的热值。热值较高的燃料，在同等功率下，单位时间所消耗燃料量较小。热值虽不等于各种可燃物质（碳、氢）热值代数和，但是与这些元素含量有着复杂的化合关系，一般情况下，C和H 含量越高，热值越大。结合碳/氢/氧/氮元素分析可知，样品2 碳氢含量最高，其对应的热值也最高（见表5）。

表5 渤海油田某区块油样燃烧值测定

2.2 燃烧实验设计

烟气组分的检测主要包括酸性气体检测和烟尘检测，酸性气体主要指CO2、NOx和SO2等。按采样方式可以分为在线法、直接取样法和稀释取样法3 种。本次实验燃油在热水锅炉中进行燃烧，烟气在烟道垂直位置打孔取样，采用直接取样法。直接取样法检测示意图（见图2）。烟气从主烟道流入采集管线，经烟尘过滤装置进入烟气分析仪进行分析。

图2 直接取样法系统原理图

烟尘浓度测定采用等速采样过滤称重法。烟尘浓度按式（1）计算。

式中：C－烟气中烟尘浓度，mg/m3；G1－滤筒（滤纸）初重，g；G2－滤筒（滤纸）终重，g；Vnd－标态采气总体积，m3。

本次检测烟气成分采用定点位电解法与红外光谱法结合，实验仪器为Testo350pro 烟气分析仪。该烟气分析仪为自吸式，气体流量1 L/min，可检测气体O2、NO、NO2、SO2和CO2。

2.3 燃烧排放物分析

不同过量空气系数和不同原油燃烧启动阶段和稳定阶段排放参数（见表6）。从表中可以看出：三种油品在预热至一定温度后雾化燃烧[7-11]，同一油品在相同燃烧条件下，在燃烧未稳定状态下，烟气中CO2含量较之正常燃烧状态低60%左右，说明燃烧不充分；增大燃烧初期过量空气系数，一定程度可以促进燃烧，相应的CO2含量也会随之升高。随着燃烧进行，炉膛温度上升，烟气中NOx增多，主要是温度控制型的NO 增加，增加10%～15%；过量空气系数越大，NOx含量越低，这是因为过量空气系数增大到一定值之后，继续增加，炉膛燃烧温度下降，温度型NOx迅速减小，温度型NOx理论最高值发生在α=1 的情况下，本实验中NOx最大值发生在α≈1.1 的区域里。

表6 不同原油燃烧排放参数（续表）

三种原油燃烧，样品3 产生的SO2最多，比最少的样品1 多100 mg/m3左右，从元素分析角度看三类原油S 含量相差不多，但样品1 和2 所含杂质较多，杂质中Ca，Ca 和Mg 的氧化物和盐类是很好的固硫剂，在燃烧中会大大降低SO2的生成。

3 结论

（1）渤海油田三种原油样品均属于重油，C 元素含量80%左右，H 元素11%。三种原油S 含量均低于0.5%，为低硫油。样品3 油品黏度对温度最敏感，降幅最大。

（2）原油金属元素含量分析如表3 所示，样品1 有较多的Ca 金属，样品3 所含Na 元素最多，原因是样品3 含有较多的杂质或水分含量较大，所以携带的盐分较多，同等燃烧条件下烟尘含量较高。

（3）原油燃烧值和原油的C、H 元素含量相关，C、H元素含量越高，燃烧值越高，同一油品在相同燃烧条件下，在燃烧未稳定状态下，烟气中CO2含量较之正常燃烧状态低60%左右，说明燃烧不充分；随着燃烧进行，炉膛温度上升，温度控制型的NO 增加10%～15%；过量空气系数增大到一定值之后，继续增加，炉膛燃烧温度下降，温度型NOx迅速减小。

（4）样品3 原油烟气组分表明，燃烧产生烟气中SO2含量与原油样品中的杂质含量相关，杂质可作为固硫剂，可以降低游离S 单质含量，因此会降低SO2含量；由于样品3 燃烧不完全，导致烟尘量大。