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摘要：通過對海上采油平臺火炬燃燒產生黑煙的機理分析，探索研究火炬燃燒消除黑煙的方法和可行性，進而形成系統可行的實施改造方案，消除火炬放空氣燃燒產生的黑煙，減輕對海洋和大氣環境生態的污染，確保采油過程中對環境生態的保護，實現人類與自然的和諧統一。

關鍵詞：火炬；伴生氣；放空氣；組分；黑煙

由于海上各個采油平臺采出的原油和伴生氣品質不一樣，在原油處理過程中產生的放空氣組分和數量不一樣，導致各個平臺火炬燃燒放空氣產生的黑煙現象不一，有的平臺火炬燃燒冒黑煙程度嚴重，有的平臺火炬燃燒冒黑煙程度輕微。隨著人類社會對環境保護的認知越來越重視，消除火炬燃燒冒黑煙的問題越來越得到各個采油平臺的高度重視，成為各個采油平臺安全生產的重要部分,探討、研究和確定消除火炬冒黑煙的有效方法，減輕采油平臺環保壓力，確保采油平臺各排放指標滿足國家和總公司有關環境保護方面的法律、法規的有關要求。

1采油平臺放空火炬燃燒的機理

1.1采油平臺火炬放空氣的來源

海上采油平臺在原油開采過程中，通常伴隨著大量的伴生氣產生，這些伴生氣是易燃、有毒、腐蝕性的烴類氣體，如果不及時將這些氣體有效處理，直接排入大氣后可能會造成火災爆炸和嚴重的污染事故。這些伴生氣只有通過火炬充分燃燒后，才能避免污染事故和可能發生的火災爆炸。海上采油平臺火炬燃燒氣的氣源主要有兩種，一種是采油過程中產生的伴生氣，這些伴生氣一部分用于采油平臺透平壓縮機發電，一部分用于采油平臺熱介質鍋爐的燃料氣，還有一部分伴生氣通過海管送到陸地終端進行處理，對于剩余的無法處理的伴生氣通過火炬放空燃燒；還有一種火炬放空氣的氣源是采油平臺在原油處理設備故障狀態下由泄壓閥釋放出來的氣體匯集。海上采油平臺設置火炬系統的目的就是將采油過程中產生的多余的無法處理回收的伴生氣和各生產設施中泄放出來的氣體在一個安全的位置上充分燃燒掉，以確保采油平臺生產安全。

1.2放空火炬燃燒的機理

以海上某采油平臺火炬放空氣組分為例，對火炬燃燒原理進行深入分析，探討火炬放空氣在燃燒過程中產生黑煙的原因，以探索研究消除火炬燃燒冒黑煙的方法。根據采油平臺現場火炬放空燃燒的效果看，BZ1采油平臺火炬燃燒冒黑煙嚴重，BZ2低壓火炬燃燒冒黑煙嚴重，BZ2高壓火炬燃燒冒黑煙輕微。發現C3+、iC4+、nC4+、iC5+、nC5+、C6+等重組分含量高時，火炬燃燒冒黑煙比較嚴重。而多數文獻也都認為，天然氣中的重烴（C3+以上的重組分）含量較高（經驗值為超過5%）時，會造成冒黑煙問題，但是這個結論是根據經驗推斷出來的，目前并沒有系統理論上的論斷。海上采油平臺產生的伴生氣和放空氣通過火炬燃燒，其中炭黑的生產是一個復雜的物理化學過程，包括伴生氣和放空氣中的重組分的裂解、多環芳烴的形成、炭黑顆粒的生成和生長、炭黑顆粒的碰撞凝結。伴生氣和放空氣通過火炬燃燒形成多環芳烴，其重組分的熱解速度影響著炭黑顆粒的形成，并影響著火炬燃燒的冒黑煙的特性。在火炬燃燒過程中，火焰中的局部溫度給重組分的分子鍵的斷裂提供足夠的活化能，伴生氣和放空氣中的重組分熱裂解的產物一般為烴分子和烴自由基，兩者又化合反應形成多環芳烴，多環芳烴相互之間通過碰撞，形成二聚體、三聚體和四聚體，最終形成小的炭黑顆粒，隨著炭黑顆粒的不斷碳化穩定長大，即形成“黑煙”。以上通過對火炬燃燒機理的分析，基本可以確認采油平臺伴生氣和放空氣中的重組分的存在導致火炬燃燒冒黑煙的原因，并隨著重組分含量的增加，火炬燃燒冒黑煙的程度更加明顯。

2火炬燃燒冒黑煙的治理措施

海上采油平臺火炬燃燒需要的氧氣來自于空氣，可以認為參加燃燒的氧氣量基本穩定，火炬燃燒冒黑煙的嚴重程度，取決于伴生氣和放空氣中的重組分的含量。重組分的含量越高，燃燒越不充分，越容易形成炭黑顆粒且數量會越多，最終表現為火炬冒“黑煙”。基于這種結論，筆者認為解決火炬燃燒冒黑煙的思路從以下兩個方面著手。

2.1從工藝處理的角度減少重組分的含量

從原油處理流程上優化操作工藝，盡量減少重組分從原油中析出，減少伴生氣中重組分的含量。例如適量提高一級分離器的操作溫度，縮短原油在一級分離器內滯留的時間；適當降低一級分離器的操作壓力，提高一級分離器的氣相分離的能力，將從一級分離器分離出來的氣體送給鍋爐燃燒，增加平臺需要的熱能；在二級分離器進口適量增加消泡劑的注入；適量降低二級分離器的操作溫度，同時適量提高二級分離器的操作壓力，減少從二級分離器分離的氣體的數量；適量降低火炬分液罐的操作溫度，使火炬放空氣中的部分重組分凝析成液體，通過火炬分液罐回收到閉排罐。以上這些措施都能有助于減少火炬放空氣中的重組分的含量，當然這些操作措施的制定都要根據各個采油平臺的原油品質和操作流程的不同而不同。從流程改造的角度出發，在火炬分液罐的出口增加膜分離設備，火炬放空氣先經過膜分離設備進行放空氣重組分的分離，將分離出來的放空氣重組分送至鍋爐充分燃燒產生平臺生產需要的熱能，既可以降低火炬放空氣中的重組分的含量，減少放空氣通過火炬燃燒產生黑煙的可能性；又能給平臺生產帶來一定的經濟效益，這也是一種消除火炬黑煙的方法。

2.2在火炬燃燒過程中增加氧氣含量，使重組分得到充分燃燒

火炬放空氣燃燒產生黑煙的原因是火炬放空氣中的重組分不能充分燃燒，產生黑色顆粒形成黑煙。這給消除火炬燃燒冒黑煙提供另外一種思路，強制增加氧氣的供應量，使火炬放空氣在燃燒過程中有足夠的氧氣進行助燃，達到火炬放空氣的充分燃燒。改變火炬的結構設計，在火炬頭的結構上增加壓縮空氣注入點，設置兩路消煙壓縮空氣來強制產生燃氣湍流與壓縮空氣充分混合，同時利用壓縮空氣和排放氣自身壓力和燃燒火焰，卷吸周圍空氣進行助燃，實現火炬放空氣充分燃燒，以達到消除黑煙的目的。采用新型無煙火炬頭，新型無煙火炬頭具有獨特的噴嘴設計，具有一定壓力的火炬放空氣通過文丘里型噴嘴，使火炬放空氣的流速達到或者接近當地音速，火炬頭利用自身高速流動放空氣帶入足夠的空氣進行混合燃燒，從而改變了傳統火炬燃燒時在火焰中心缺氧的狀況。從而保證了火炬放空氣的充分燃燒，減少放空氣燃燒過程中產生的炭黑顆粒可能性，也能達到消除火炬燃燒冒黑煙的目的。

3結語

綜上所述，根據海上各個采油平臺火炬放空氣燃燒冒黑煙的機理以及原油品質特性，研究分析火炬放空氣體中重組分的含量，并積極采取優化工藝流程操作的措施，減少放空氣中的重組分的含量；對火炬放空氣流程進行適當的改造，增加膜分離裝置，將放空氣中的重組分在燃燒前分離回收，努力降低和控制火炬放空氣中的重組分的含量，減少火炬放空氣不充分燃燒的可能；或者對火炬燃燒器的結構進行重新設計或者選型，強制增加火炬放空氣燃燒的氧氣含量，提高火炬放空氣的助燃能力，實現火炬放空氣的充分燃燒，減少燃燒過程中產生炭黑顆粒的機率，實現消除火炬燃燒冒黑煙的目的。這兩種消除火炬燃燒冒黑煙的思路值得海上采油平臺探討和應用。

參考文獻：

[1]《海洋石油工藝設計指南»第一冊«海洋石油工程設計概論與工藝設計》.

[2]隋先富，王玉，張嶺.放空火炬冒黑煙問題原因深度剖析[J].工業技術，2016(10)：57-58.

作者:張千東 單位:中海油能源發展裝備技術有限公司