摘要：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。
关键词：黑烟；火炬；乙炔；天然气组分
投产初期，火炬放空燃烧严重冒黑烟，大量黑烟直接排入大气中会造成环境污染，现场人员从改进原油处理工艺的角度出发，提出抑制黑烟产生的方法，最终使冒黑烟问题得到了有效治理。
1黑烟产生的机理
多数文献以及现场经验都认为，当天然气中的重烃（C3+）含量较高（经验值为超过5%）时，会造成黑烟问题。但都属于利用一种现象解释另一种现象，即只表明了其相关性，未解释其因果性。笔者通过调研文献，梳理出了火炬燃烧产生黑烟的机理。油田燃料气通过火炬放空的燃烧属于扩散火焰，其中炭黑的生成与排放是一系列复杂的物理化学过程，包括燃料的裂解、多环芳烃（PAH）的形成、炭黑颗粒的初生和表面生长、颗粒之间的碰撞凝结过程、以及炭黑的碳化。燃料裂解生成了一些形成PHA必不可少的物质。燃料的热解速率控制着炭黑的形成过程，同时控制着燃料的发烟特性。在火焰中，当局部温度给分子键的断裂提供足够的活化能，燃料的热解就会发生。燃料热解的产物一般为烃分子和烃自由基，它们相互反应会形成第一个环烃即苯或苯基。所形成的芳烃主要通过氢提取碳加成的机理，或者苯环之间直接通过化合反应，形成多环芳烃。多环芳烃之间通过碰撞结合在一起，形成多环芳烃二聚体，二聚体与多环芳烃分子碰撞形成三聚体，或者两个二聚体碰撞形成四聚体，通过上述方式，多环芳烃聚集物逐渐形成了小的炭黑颗粒。在炭黑颗粒初步形成以后，其质量的增加和尺寸的增大，主要通过两种途径实现：一是与气体组分（目前的详细化学动力模型以及实验研究均表明，只有当乙炔存在且达到一定浓度时，炭黑的形成过程才能完整进行）进行异构表面反应，这个反应机理与多环芳烃之间的氢提取碳加成类似，其结果导致颗粒中碳含量增加，此过程对颗粒质量的增加比较明显；二是颗粒之间由于布朗运动发生碰撞，产生更大的颗粒，称之为颗粒的凝结，此过程为物理变化过程，颗粒的尺寸和质量均有明显变化。如果在火焰后部停留时间足够长，含有多环芳香族物质的上述颗粒，将发生官能团的消减、环合作用、环压缩、重组等过程，从不定型的炭黑初生颗粒转变为稳定的炭黑，即表观上的“黑烟”。通过研读炭黑的形成过程，可以得到如下结论：烃类燃料的燃烧都有可能产生炭黑，并不局限于C3以上组分，甲烷不完全燃烧法制乙炔的工艺过程中会产生炭黑即是一个例证；炭黑生成量的多少首先受到发生裂解反应的烃量，即没有参与燃烧的烃量的影响；黑烟的产生是不定型的颗粒物质进一步碳化稳定的结果，即停留时间要足够。在以上结论的基础上，来解释为什么是重烃裂解而不是甲烷裂解使火炬产生黑烟。对于同一燃烧装置，较轻的燃料由于喷射速度高，与空气混合剧烈，在离开喷口不远处就完成了燃烧，火焰较短，燃烧充分。较重的燃料由于喷射速度低，与空气混合较慢，燃烧较慢，在离开喷口很长的距离还没有燃烧，火焰变长。
2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，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。]给出的案例是例证之一，而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0.2 65 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。其他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。
3炔烃产生的条件
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，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C2H 2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H 2；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 50 0℃高温下化学反应表达式为：
天然气在空气中燃烧温度最高能够达到2 30 0℃，在氧气中燃烧最高能够达到3 40 0℃，因此，对于放空火炬的天然气而言，完全能够实现1 50 0℃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。
4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，从某作业区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 50 0℃），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
总之，在本公司工艺所结合设计人员对现场勘查后，认真钻研工艺流程，在满足安全生产的前提下进行工艺优化，最终解决了火炬黑烟问题，对其他新增油田具有借鉴意义。
参考文献：
[1]孙桂玲.浅谈油气处理终端中火炬冒黑烟处理探讨.2017.
[2]王华娟，燃气组份变化对重整燃烧器燃烧过程及碳粒生成的影响.2017.
[3]刘奇盛.油气处理终端中火炬冒黑烟的分析处理.2017.
论文作者:李钰瑶
论文发表刊物:《基层建设》2018年第31期
论文发表时间:2018/12/17
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