多孔介质燃烧:油田碳中和曙光

来源:《中国石油和化工产业观察》杂志

4月9日,广东省松山湖材料实验室理事长王恩哥院士带队到中国石油化工集团公司北京总部,与中石化副总经理喻宝才、副总工程师谢在库院士及科技部、油田事业部、化工事业部负责人等,就多孔介质燃烧技术在胜利油田的示范应用情况及未来在石油系统进行大规模推广应用的前景进行深入交流。大家一致认为,历时10个月的对比试验结果,经胜利油田分公司技术检测中心的现场测试,多孔介质低氮燃烧器的各项性能指标100%达标,无论环保指标还是能效提升,多孔介质燃烧器都以绝对优势领先,成为唯一满足水套加热炉所有排放标准要求的燃烧技术。

图片环保方面

在环保方面,现场油井低氮燃烧器配套加热炉中,多孔介质燃烧器配套加热炉的烟尘排放4.18毫克/立方米,二氧化硫排放8.0毫克/立方米、氮氧化物排放23.40毫克/立方米。3项指标均稳定达标。

达到了胜利油田氮氧化物排放指标上限50毫克/立方米的要求,也是参与试验的14个厂家产品之中唯一达标的产品。

图片能效方面在能效方面,多孔介质燃烧器配套加热炉平均热效率为79.7%,远高于胜利油田在用水套加热炉62%的平均热效率。

解排放难达标之急

2018年修订的《大气污染防治法》实施以来,各地各行业都相继对锅炉大气污染物排放等推出了更为严格的地方标准。而国内采油井场、输油干线上大量使用水套加热炉,总量达2.3万多台套。

油田水套加热炉功能有两个:▶一是为原油加热降低黏度、增加流动性,利于原油输送;

▶二是对油田伴生气、天然气、液化石油气等的直燃进行处理。

而这些水套加热炉采用的燃烧器都是简易型燃烧器和商用燃气燃烧机,存在着污染物排放高、热效率低(50%~60%)、能耗及运行成本高等问题,显然都不符合《大气污染防治法》要求。

在山东,自2019年11月1日起,山东版《区域性大气污染物综合排放标准》(DB37/2376—2019)开始实施。该标准确定的石油炼制工业和石油化学工业工艺加热炉氮氧化物排放浓度限值,一般控制区为150毫克/立方米,重点控制区为100毫克/立方米。而身居重点区域的胜利油田在用水套加热炉超过5000台,圴采用传统燃烧技术,氮氧化物排放量高于100毫克/立方米。不容置否的环保压力迫使胜利油田下决心改变。2020年1月,胜利油田管理局发布采油厂排放标准,明确规定燃气锅炉氮氧化物排放不得高于50毫克/立方米。该标准比山东省重点控制区标准限值低了一半,不仅是胜利油田对自身要求更高,更为了给未来生产留有空间。为此,胜利油田决定按照这个自我革命的高标准进行低氮燃烧器招标。参与招标的13家企业采用的技术包括分级燃烧、火焰切割、表面燃烧3种。经过一段时间的跟踪监测,测试数据均不完全满足要求。此时,来自广东的松山湖材料实验室的多孔介质燃烧器进入胜利油田的视线,成为第14家参与对比试验的企业和技术。测试结果不负众望,该技术以优异的节能减排数据脱颖而出。

突破卡脖子难题于是,许多使用水套加热炉的油田都开始咨询,松山湖材料实验室的多孔介质燃烧器胜在哪里?据了解,目前油田用水套加热炉使用的燃烧技术主要有分级燃烧、烟气循环燃烧、蓝焰燃烧、复合型燃烧等几类。它们共同的缺点是设备结构复杂、成本高。而松山湖材料实验室多孔介质燃烧器采用多孔介质燃烧技术,基本原理是气体燃料和氧化剂预先混合进入多孔介质并在其孔隙内或表面进行燃烧。

这项技术的优势:一是燃烧速率高,稳定性好,析热均匀,无局部高温;二是超低排放,一氧化碳低于15毫克/立方米,氮氧化物低于30毫克/立方米;三是负荷调节比可达1∶20,明火燃烧仅为1∶3;四是能量密度更高,在相同热负荷时,燃烧空间为传统方式的1/5~1/10,设备体积更小;五是节能效果显著,平均节气高于20%;六是可以稳定燃烧低热值气体燃料,如挥发性有机物、高炉煤气、垃圾填埋气等;七是高效的辐射加热,可定向加热,提高加热质量和能量利用效率。图片图片而要实现这种多孔介质燃烧技术,关键在于材料。据了解,松山湖材料实验室使用的是目前国内唯一满足超低氮排放商用要求的多孔陶瓷材料。这种陶瓷材料不但是他们自主开发,而且率先在国内实现商业化应用,还打破了西方国家对中国的技术封锁。原来,尽管国内几代科学家都在研究多孔介质燃烧技术,但始终没有攻下来,原因是国内做不出该技术的核心材料——碳化硅多孔陶瓷材料。目前只有德国、美国等少数西方国家掌握多孔介质燃烧技术核心碳化硅多孔陶瓷材料。据松山湖材料实验室首席科学家付超研究员介绍:“碳化硅多孔陶瓷材料研发最难的是材料强度这一关。碳化硅陶瓷在高温下容易被氧化,导致强度下降而失效。提升耐高温性能,关乎不同应用场景的适应性。”图片图片那么,松山湖材料实验室又是如何攻下这一难题的呢?坐落于东莞的松山湖材料实验室成立于2018年4月,是广东省首批启动建设的4家省实验室之一,定位为建成有国际影响力的新材料研发南方基地。其中,由松山湖材料实验室理事长王恩哥院士和首席科学家付超研究员领衔,由清华大学、中科院金属研究所、哈尔滨工业大学、辽宁卓异新材料有限公司等的前沿科研人员组成的研发团队配合,主攻方向就是多孔陶瓷。在前人长达30年研发基础上,开发团队终于将这种可耐1600摄氏度高温的超硬度碳化硅多孔陶瓷材料技术熟化:导热性、抗热震冲击能力、高温强度等指标均达到国际领先水平,抗热震次数高于10000次——显然,用在多孔介质燃烧器上没问题。而这种新材料是否合格地走出实验室,还要进行多种变量的考验。多孔陶瓷团队用了整整3年时间,反复推敲、反复试验、反复调整。团队成员每天都在中试车间度过。点火、运行、吹冷……这样循环往复的动作,整个团队重复了上万遍。为验证材料性能,团队还进行1万小时燃烧实验。碳化硅多孔陶瓷材料终于可以走出实验室、走向市场。接着,他们又走遍全国各地,寻找合适的厂家。机遇果然在等待有准备的人。就这样,胜利油田遇到了松山湖材料实验室研发团队。据了解,松山湖材料实验室是目前国内唯一实现多孔介质燃烧技术商业化应用的企业。在松山湖材料实验室的多孔陶瓷规划中,2021年预计申请专利100件,全力完成产品在油田、有色金属、机制砂等行业的推广应用,并实现产品在黑色金属、化工、陶瓷、电子等行业的新应用。

图/松山湖材料实验室团队与胜利油田项目负责人探讨多孔介质低氮燃烧器在油田的应用图片

服务油田空间大世界银行全球天然气减排合作协会(GGFR)披露的数据显示,2018年放空天然气燃烧量达到1450亿立方米,相当于中美洲和南美洲的年度天然气总消费量。世界银行称,每年由此产生的二氧化碳排放量超过3.5亿吨,既浪费了资源,未燃烧的甲烷和黑碳排放又产生环境影响。根据国家发改委《产业结构调整指导目录(2019年本)》,在油气领域鼓励类产业中,油气伴生资源综合利用、放空天然气回收利用与装置制造等项目赫然在列。国内油田纷纷开展伴生气综合利用项目实践。有的油田回收油井伴生气生产轻质油和液化气,剩余干气用来发电,还有的将加热炉原料从油和煤改造为伴生气、液化气等。“在当前其他燃烧技术无法有效解决超低氮排放的前提下,在油田大力推广多孔介质燃烧技术具有划时代的重要意义。”中石化胜利油田技术检测中心首席专家孙东表示,“以碳化硅多孔陶瓷材料为基础研发的多孔介质燃烧器,具有燃烧速率和强度高、稳定性好、析热均匀、污染物排放低等特点。相当于给油田戴上了口罩,又相当于给油田装上鼓风机,让燃烧更充分、更高效。”数据显示,全国水套加热炉总量在2.3万台套以上。2015年水套加热炉市场规模为6.62亿元,2020年增长到9.13亿元,年均增长7.58%。随着多孔介质燃烧水套炉的不断优化,在大规模服务油田之后,其市场规模大于20亿元。以多孔介质燃烧系统为依托,改进油田配套机械生产加热炉,可达到节能环保的目的,其市场规模大于100亿元。以石油开采为主线,辐射周边产业群,其市场总量大于200亿元。以多孔介质燃烧技术的节能环保整体解决方案为基础,可以为石油和化工行业提供全方位的服务……记者从业内了解到,碳化硅多孔陶瓷材料还可广泛应用于能源、化工和环境等领域的燃气工业锅炉和工业炉窑,实现氮氧化物超低排放。2019年7月,生态环境部等4部门联合印发《工业炉窑大气污染综合治理方案》,氮氧化物超低排放成为工业炉窑综合治理的重点任务。2019年9月,生态环境部发布《工业锅炉污染防治可行技术指南(征求意见稿)》,明确提出锅炉氮氧化物排放控制宜优先采用低氮燃烧技术。工业锅炉和工业炉窑的市场空间更大。据悉,未来多孔陶瓷团队将继续深入挖掘和了解客户面临的痛点和难点问题,开发出多样化成熟应用的燃气燃烧系统,推动多孔介质燃烧技术的大规模示范应用,为国内石油和化工产业链等的技术升级改造服务。

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