燃油膨化技術(shù)在油田加熱爐中的應(yīng)用

卞和滿，胡子斌，邢福林，郝斌，劉士永，謝直，張濤，李祥瑞

（1.河北華北石油榮盛機械制造有限公司，河北 滄州 062552；2.湘潭融匯合化工科技發(fā)展有限公司，湖南 湘潭 411100）

引言

我國生產(chǎn)的原油普遍具有高凝固點、高含水和高黏度的特點，在輸送過程中，由于管道周圍介質(zhì)的溫度低于原油的凝固點，使得原油輸送十分困難，采用原油加熱爐對原油加溫輸送是解決這一問題最經(jīng)濟和有效的方法[1]。原油熱輸工藝的應(yīng)用較廣泛，油田用加熱爐是油田勘探開發(fā)中的重要設(shè)備之一。加熱爐的燃料主要采用原油，但原油中膠質(zhì)、瀝青質(zhì)含量較高[2]，在燃燒過程中霧化效果不好，燃燒不充分、燃燒效率低；其二氧化硫、氮氧化物、顆粒物等污染物排放濃度大多高于國家燃油鍋爐排放要求。隨著國家環(huán)保治理力度的加大，現(xiàn)有的燃燒方式已難以滿足排放要求。

20世紀60年代，國外就開始將重油膨化節(jié)能技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)；80年代，我國把膨化油燃燒技術(shù)列為“八五”期間重點研制及推廣項目，但沒有得到廣泛推廣應(yīng)用，主要原因一方面是由于當時的環(huán)保法規(guī)不完善，使該技術(shù)的優(yōu)勢無法顯現(xiàn)；另一方面是存在膨化油性能不穩(wěn)定，受油液分離的局限[3]。目前，河北某機械制造有限公司研發(fā)了新型燃油膨化技術(shù)，并在油田加熱爐上進行了應(yīng)用驗證，取得了良好效果，有效克服了油液分離的缺陷，為石油行業(yè)加熱爐的節(jié)能降耗、減排提供了一種新方法。該技術(shù)已于2018年5月通過中國環(huán)境保護產(chǎn)業(yè)協(xié)會鑒定，結(jié)論是“該技術(shù)成果在同類技術(shù)領(lǐng)域中居于國際先進水平”，并入選了“2018年度中國環(huán)境保護產(chǎn)業(yè)協(xié)會先進污染防治技術(shù)重點推廣項目”，具備了規(guī)模推廣應(yīng)用的條件。

1 燃油膨化技術(shù)原理

該技術(shù)采用特殊成分配制的膨化劑，與原油等燃料油混合，在一定溫度、壓力等條件下，添加一定比例的稀釋液：水通過膨化裝置進行研磨處理后，改變?nèi)剂嫌偷姆肿渔溄Y(jié)構(gòu)，使其形成顆粒細小、均質(zhì)分散且性能穩(wěn)定的油包水型結(jié)構(gòu)。膨化油品燃燒機理一般有物理和化學作用兩種解釋。其中物理作用最主要的是產(chǎn)生“微爆效應(yīng)”，即油滴內(nèi)部蒸汽壓力沖破包在表面的油層發(fā)生瞬間膨脹，爆炸成比原來更細的油霧點，這樣既提高了油的霧化質(zhì)量，同時又增加了油與空氣的燃燒接觸面積，實現(xiàn)燃燒充分的效果?；瘜W作用中碳氫化合物所產(chǎn)生的“水煤氣反應(yīng)”，提高了熱效率。因此燃油膨化技術(shù)具有環(huán)保和節(jié)能的雙重作用[4]。

圖1顯示的是顯微鏡放大100倍下膨化前后液滴的對比照片，可以看到膨化油微粒精細且均質(zhì)分散。

圖1 顯微鏡下觀察膨化效果

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 膨化劑的合成

膨化油性能的穩(wěn)定性是該項技術(shù)的關(guān)鍵因素之一。穩(wěn)定性好，燃燒狀況就穩(wěn)定；穩(wěn)定性差，油液在燃燒前分離，不但起不到“微爆”效果，嚴重時還會導致熄火[5]。膨化劑的性能不僅體現(xiàn)在能對油品中的大分子進行分解，而且應(yīng)具有良好親合力，以及與油分子不排斥、不中和的性能，要利于形成油包水型結(jié)構(gòu)。經(jīng)反復試驗，選取氫氧化鉀、硫酸鈣及氫氧化鈉、藻朊酸、藻酸鈉和黃原膠等主要原料，在特定溫度和壓力下合成了膨化劑產(chǎn)品。在膨化劑合成過程中，無廢氣、廢水等新的污染物排放。使用這種膨化劑制做的膨化油放置六個月后檢驗，未發(fā)生油液分離現(xiàn)象，性能穩(wěn)定。

2.2 膨化裝置的設(shè)計制造

為實現(xiàn)工業(yè)化膨化油的制做，設(shè)計開發(fā)了專用膨化油制造設(shè)備——膨化裝置（ZL 2016 2 0566993.3）。該裝置應(yīng)用研磨加工的工藝方案，采用具有高剪切性能的均質(zhì)機作為研磨工藝的核心元件，原料的分散、混合、均質(zhì)和膨化效果良好。

高剪切性能的均質(zhì)機采用雙級定、轉(zhuǎn)子研磨結(jié)構(gòu)。一級定、轉(zhuǎn)子的功能是通過液力剪切、擠壓研磨等作用，使油品中的大黏團、結(jié)塊等顆粒破碎，使油品中的固相和液相等顆粒迅速溶解并均勻分散。圖2顯示的二級定子和轉(zhuǎn)子使研磨更加精細，定、轉(zhuǎn)子的最小剪切槽寬只有0.4mm，一個轉(zhuǎn)子具有不同角度、不同槽寬的剪切槽數(shù)量可達600余個，轉(zhuǎn)速3000轉(zhuǎn)/min。定轉(zhuǎn)子的裝配間隙控制在0.35～0.5mm。利用高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的高切線速度在轉(zhuǎn)子和定子間的狹窄間隙中形成極大的速度梯度，使燃料油在定-轉(zhuǎn)子的間隙中受到強烈的液力剪切、離心擠壓、液層摩擦、撞擊撕裂和湍流等綜合作用，使不相溶的固相、液相在適量膨化液的作用下，改變原有油品的分子鏈結(jié)構(gòu)，最終生成性能穩(wěn)定均質(zhì)分散的膨化油。

圖2 二級定子、轉(zhuǎn)子實物圖

該裝置可根據(jù)不同燃料油的要求，按照一定比例、一定流量和溫度等工藝參數(shù)，合理配制膨化劑、稀釋液、燃料油的混合比例。裝置的儲料罐中配備有電磁液位計和電加熱器，當膨化液加熱到合適溫度后，通過計量泵排出，首先在旋流器中與加熱后的燃料油混合，然后經(jīng)過靜態(tài)混合器混合，通過高剪切均質(zhì)機進行研磨，最終生成膨化燃料油。該裝置的控制系統(tǒng)有兩種工作模式，手動模式和半自動模式。手動模式為，手動調(diào)節(jié)渣油泵電機轉(zhuǎn)速，根據(jù)流量計顯示的流量手動調(diào)節(jié)稀釋液，用計量泵和膨化劑用計量泵控制排量，各電控原件可獨立控制。半自動模式為，手動分別調(diào)節(jié)稀釋液用計量泵和膨化劑用計量泵的排量，系統(tǒng)識別渦輪流量計的參數(shù)后，渣油泵電機轉(zhuǎn)速可自動調(diào)節(jié)，控制燃料油的流量。膨化裝置原理流程見圖3。根據(jù)處理量和使用情況的需要，該裝置可形成系列化產(chǎn)品。

圖3 膨化裝置原理流程圖

3 試驗及應(yīng)用情況

3.1 實例1

2017年5月，采用同一批次原油，在華北油田采油一廠高44集轉(zhuǎn)站進行燃燒，由華北石油管理局環(huán)境監(jiān)測中心站（CMA資質(zhì)）檢測污染物排放濃度。然后對該原油添加15%膨化劑和稀釋液進行膨化處理生成膨化油，用膨化油在同一加熱爐燃燒進行檢測。膨化前后污染物排放濃度指標對比見表1。

表1 原油膨化后污染物去除率

2017年6月，對上述膨化前和膨化后油品送到通標標準技術(shù)服務(wù)（天津）有限公司石化實驗室（SGS檢測資質(zhì)），采用氧彈檢測法進行檢測。結(jié)果為燃燒凈熱值提高了5.9%。對比結(jié)果見表2。

表2 原油膨化前后燃燒凈熱值對比

3.2 實例2

2018年2月，在華北油田采油三廠河間47集轉(zhuǎn)站和留路28集轉(zhuǎn)站，采用與高44集轉(zhuǎn)站相同方法進行應(yīng)用試驗，取得相同測試結(jié)果。

3.3 實例3

2018年2月，采用180#燃料油膨化處理后，在浙江迪贊隆能源有限公司加熱鍋爐進行燃燒，由浙江省臺州綠安檢測技術(shù)有限公司（CMA資質(zhì)）進行污染物排放濃度檢測，檢測結(jié)果見表3。

表3 180#燃料油膨化后燃燒污染物排放濃度

4 結(jié)論

（1）油田加熱爐使用膨化處理后的原油燃燒，污染物排放濃度與膨化前的原油燃燒相比，綜合污染物排放濃度可降低50%以上，污染物排放濃度降低明顯。燃燒污染物排放濃度能夠滿足《鍋爐大氣污染物排放標準》（GB/T 13271—2014）相關(guān)要求，具有較好的社會效益。

（2）使用膨化油燃燒具有節(jié)能效果。根據(jù)燃燒凈熱值測試，采用原油為原料油，添加15%膨化劑和稀釋液，油品膨化前后凈熱值不降低，證明平均節(jié)能效果可達15%以上，具有一定的經(jīng)濟效益。

（3）該技術(shù)在實施過程中不會產(chǎn)生新的污染源。使用條件和燃燒工藝與原有油品基本相同。膨化劑和膨化油不會產(chǎn)生自燃和變質(zhì)，性能穩(wěn)定，在運輸、儲存等方面與原油品相同。

（4）膨化液適應(yīng)面廣，不僅適用于原油，也適用180#燃料油。該技術(shù)可以應(yīng)用在以180#燃料油作為燃油的加熱鍋爐。