油田加熱爐生產碳排放影響因素分析

張建昌 王立濤 張嘉安 張妮 于丹 趙盼婷 劉鶴皋

1中國石油長慶油田分公司第三輸油處

2東北石油大學提高油氣采收率教育部重點實驗室

2020 年，我國提出“將提高國家自主貢獻力度，采取更加有利的政策與措施，二氧化碳排放力爭于2030 年前達到峰值，努力爭取2060 年前實現碳中和”。面對經濟結構的挑戰，有計劃、分步驟實現“雙碳”目標，須重點控制化石能源生產與消費。

加熱爐是油田生產中的主要耗能設備之一，其能耗占比高達70%，高能耗導致了高碳排放量。在加熱爐生產效率方面，國內外學者進行了大量研究，2018 年MENG D、SHAO C 提出一種改進TOPSIS 能源效率評價方法，量化了裂解爐能源效率與運行條件和生產負荷之間的關系[1]；2020 年史士峰建立了加熱爐能效影響因素分析模型并實驗驗證了模型的可行性，助力了油田生產加熱爐選型與改造[2]；2021 年王榮歡分析了加熱爐的能效影響因素并建立了多指標能效評價體系，為油田節能降耗提供理論依據[3]。隨著“雙碳”目標的提出，越來越多的學者投入到碳排放的核算與研究中。2020年劉業業對2000—2017 年石油煉制行業碳排放特征及影響因素進行了定性及定量分析，揭示了石化行業碳減排存在的問題[4]；2022 年成慶林等建立了三甘醇脫水系統的能耗優化模型，并進行了碳排放核算，該系統優化后碳排放降低約3.6%，降低了單位經營生產成本[5]。但在加熱爐生產碳排放方面，仍缺少具體研究。

本文以油田加熱爐為研究對象，基于物料衡算法及《中國石油天然氣生產企業溫室氣體排放核算方法與報告指南》建立油田加熱爐碳排放核算模型；根據油田加熱爐生產碳排放監測數據，分析加熱爐生產碳排放影響因素，以期助力“雙碳”目標的實現。

1 模型建立

1.1 物料衡算法

物料衡算法是指運用各種能源、燃料的投入量乘以各自的碳排放系數再進行加和獲得二氧化碳排量的方法[6]。物料衡算法作為國際認可的方法，具有數據易于收集的優勢，常用于國家和區域的二氧化碳排放測算[7]。物料衡算法的基本原理是質量守恒定律。對于任何一個生產過程，原料的消耗量等于物料損失量與產品量之和。物料衡算法對生產活動整個過程或者是某一個階段都適用。

加熱爐是油田生產系統中提供熱能的重要生產設備，它可將燃料在爐膛內燃燒時產生的高溫火焰與煙氣作為熱源直接或者間接傳遞給原油、水等介質[8]，是重要的能量轉換裝置?；谖锪虾馑惴╗9]，加熱介質進爐前的內能Em1為帶入能，加熱介質出爐后的內能Em2為帶出能，加熱爐內部與外部內能損失El為損失能，燃料燃燒提供能Ef為供給能，油田加熱爐生產示意圖見圖1。

圖1 油田加熱爐生產示意圖Fig.1 Production diagram of oilfield heating furnace

基于物料衡算法，加熱介質帶出能與帶入能的差值即為有效利用能（實際負荷），有效利用能與燃料燃燒供給能的比值為正平衡法加熱爐效率，公式為

式中：ηz為正平衡熱效率，%；Em1為加熱介質進爐前帶入能，kJ；Em2為加熱介質出爐后帶出能，kJ；Ef為燃料燃燒供給能，kJ。

1.2 數學模型

根據ISO14064-1、GHG Protocol 將溫室氣體排放源劃分為三個“范圍”：直接溫室氣體排放、間接溫室氣體排放、其他間接溫室氣體排放。而《中國石油天然氣生產企業溫室氣體排放核算方法與報告指南》將溫室氣體排放源分為燃料燃燒源排放、火炬燃燒源排放、工藝放空源排放、逃逸源排放、凈購入電力和凈購入熱力隱含源二氧化碳排放、回收利用量。加熱爐的生產熱能消耗主要用于提高外輸介質溫度、降低介質輸送黏度，加熱爐中燃料燃燒為介質提供熱能，加熱爐是主要的燃料燃燒源排放節點。燃料燃燒源碳排放核算方法為：

式中：El為燃料燃燒源碳排放量，tCO2；ADrl為燃料消耗量，t 或Nm3；CC為燃料的平均碳含量，tCO2/t 或tCO2/萬Nm3；OF為燃料的碳氧化率，液體燃料的碳氧化率可取缺省值0.98，氣體燃料的碳氧化率可取缺省值0.99，固體燃料的碳氧化率可根據不同燃料查找取值。燃料的消耗量與燃料的種類決定著加熱爐生產的碳排放。一般情況下，加熱爐的效率越高，燃料消耗量越小，生產碳排放量也越小[10]。但是，燃料消耗量、碳排放量和提高加熱爐的效率之間并不存在線性關系，故控制加熱爐生產使之處于最佳工作點，達到效率最高、燃料消耗量最小、碳排放最小是至關重要的。

假定在加熱爐平穩運行時，燃料性質不變。加熱爐生產碳排放模型的建立，首先計算加熱爐供給能，具體計算公式為：

式中：Ql為加熱爐供給能，kJ；ηl為加熱爐生產效率，%；Ql,r為加熱爐生產實際負荷，kJ；Q為燃料基低位發熱量，kJ/kg；ADl為加熱爐燃料消耗量，kg。其中加熱爐生產實際負荷計算公式為：

式中：Dl為被加熱介質的流量，m3；ρ為被加熱介質的密度，kg/m3；tout為被加熱介質在加熱爐出口溫度，℃；tin為被加熱介質在加熱爐入口 溫度，℃；C為被加熱介質比熱容，kJ/(kg·℃)。整理可得加熱爐生產燃料消耗量：

將加熱爐生產燃料消耗量帶燃料燃燒源碳排放核算公式整理得到加熱爐生產碳排放核算模型：

2 影響因素分析

根據加熱爐生產碳排放核算模型可知，加熱爐生產碳排放與生產要求、燃料性質、加熱爐效率等因素有關。生產要求方面主要包含了所需加熱介質流量、加熱介質溫差；燃料性質方面主要包含了燃料的碳氧化率、含碳量和熱值。在工程實際中，加熱爐效率的高低往往作為加熱爐生產運行情況的評判指標，廣義上加熱爐的能效高低是由其熱效率來體現的，但在狹義上受多種因素影響，包含過?？諝庀禂?、排煙溫度、爐膛內壓、負荷率、環表溫差等。由于生產要求一般不可改變，燃料性質也取決于燃料種類，因此，對于加熱爐生產碳排放影響因素分析而言，加熱爐效率是重要分析指標。因此，以油田加熱爐為研究對象，選取過?？諝庀禂?、排煙溫度、爐膛內壓、負荷率、環表溫差為因素，進行加熱爐生產碳排放影響因素探究[11]。

2.1 加熱爐碳排放監測

以油田某燃油加熱爐為例，其設計熱效率為89%，燃料油熱值為44 000 kJ/kg，碳氧化率為0.98，平均含碳量為0.846 72 tCO2/t。加熱介質為原油，原油比熱容為2.09 kJ/(kg·℃)，密度為840 kg/m3。根據SY/T 6381—2016《石油工業用加熱爐熱工測定》對加熱爐生產過程中的實際碳排放進行為期一個月的監測，監測數據見表1。

表1 加熱爐生產碳排放監測數據Tab.1 Carbon emission monitoring data for heating furnace production

2.2 曲線分析

加熱爐生產運行過程中，實際供給燃料燃燒的空氣量與理論空氣量的比值即為過?？諝庀禂礫12]。過?？諝庀禂颠^大表示向爐內供入的空氣過多，使爐膛溫度降低，對燃燒不利，多余的冷空氣被加熱，由煙囪排走，從而引起排煙熱損失增加；過小則不能保證燃料的完全燃燒，增加燃料為完全燃燒熱損失，所以選取合理的過?？諝庀禂敌枰瑫r考慮q2、q4。過?？諝庀禂底兓瘜е录訜釥t效率、燃料消耗量、碳排放量變化曲線見圖2。

圖2 過?？諝庀禂涤绊懬€Fig.2 Excess air coefficient influence curve

隨著過?？諝庀禂档脑黾?，加熱爐的效率先增加后降低，燃料消耗量先降低后增加，加熱爐生產碳排放量先降低后增加。根據燃油加熱爐節能監測項目與指標中的過?？諝庀禂迪薅ㄖ狄?，過?？諝庀禂翟?.1～1.8 區間內時加熱爐的熱效率最高，達到生產要求的燃料消耗量最小，產生的燃料燃燒碳排放量最少。當過?？諝庀禂颠^大時，說明進入加熱爐內的空氣量高于燃料燃燒所需的空氣配比，大量冷空氣涌入爐膛使爐膛溫度降低，影響燃料燃燒效率，爐膛內能量轉化效率降低。同時，過剩的空氣從煙囪排出時，必定會帶走一定的熱量，增加了排煙熱損失。當過?？諝庀禂颠^小時，涌入的空氣不足以使爐膛內燃料充分燃燒，浪費燃料潛熱，產生熱量損失，即增加了燃料未完全燃燒熱損失。

燃料燃燒產生的熱流由煙囪口處排出加熱爐[13]，排煙溫度是指熱流煙氣排出加熱爐前的最后一個受熱面的溫度，其煙氣熱流不被加熱介質所吸收，因此煙氣溫度可直接顯示介質吸收熱量的情況，直接影響著加熱爐的熱效率。排煙溫度變化導致加熱爐效率、燃料消耗量、碳排放量變化曲線見圖3。

圖3 排煙溫度影響曲線Fig.3 Exhaust temperature influence curve

隨著加熱爐排煙溫度的增加，加熱爐的效率降低，燃料消耗量增加，加熱爐生產碳排放量增加。當排煙溫度過高時，煙氣中所攜帶的熱量較多，使排煙熱損失增加，導致熱效率降低，增加了碳排放。同時，過高的排煙溫度還會使爐管出現炸裂，損壞煙道，造成安全隱患。但當排煙溫度過低時，雖然加熱爐效率更高，碳排放量更少，但一旦排煙溫度低于水蒸氣的露點溫度，煙氣中的水蒸氣就會液化，使設備腐蝕。

爐膛內壓作為監測加熱爐運行狀況的必要參數，其大小可為工作人員提供安全信息，在滿足生產要求的提前下，模擬不同爐膛內壓下加熱爐效率、燃料消耗量、碳排放量變化曲線見圖4。

圖4 爐膛內壓影響曲線Fig.4 Furnace internal pressure influence curve

隨著爐膛內壓的增大，加熱爐的效率下降，燃料消耗量增加，加熱爐生產碳排放量增加。當爐膛內壓較高，高于外界大氣壓時，爐膛內燃料燃燒不充分，抽力過大甚至會導致火焰熄滅，燃料未經燃燒就從煙囪排出，增加了加熱爐的排煙熱損失和燃料未完全燃燒熱損失，降低了加熱爐效率，增大了燃料的消耗量和碳排放量。當爐膛壓力過小時，燃燒后的煙氣很難從煙囪排出，會導致爐膛爆炸回火的現象發生，違背了HSE的生產要求。

加熱爐的生產運行熱負荷一般達不到加熱爐的額定設計熱負荷，常常以負荷率來描述設備的承載情況，即用加熱爐的實際熱負荷與額定熱負荷的比值來表示為負荷率。加熱爐熱負荷受季節影響較大，特別是冬夏兩季的熱負荷差別較大，冬季時要求熱負荷較大，而夏季時要求熱負荷較小。負荷率變化導致加熱爐效率、燃料消耗量、碳排放量變化曲線見圖5。

圖5 負荷率影響曲線Fig.5 Load rate influence curve

隨著加熱爐負荷率的增加，加熱爐的效率先增加后降低，燃料消耗量先降低后增加，加熱爐生產碳排放量先降低后增加。為了加熱爐安全、高效、低碳運行，要密切關注加熱爐設備的實際運行負荷，當負荷率過小時，燃料造成浪費，燃料未完全燃燒熱損失增加；當負荷率過大時，加熱爐設備損失嚴重，增加生產安全隱患，且造成大量碳排放。

加熱爐爐體外表面與環境的溫度差即為環表溫差，加熱爐爐體表面往往設置保溫材料來降低爐體散熱損失，但保溫材料的保溫效果直接影響著加熱爐生產的碳排放情況，由于環表溫差的存在，環境溫度隨季節、晝夜、地域、天氣的變化而變化，爐體外表面的溫度受其影響較大，同時增大了爐體外表面的傳熱系數，爐體外表面的溫度越低，散熱損失也越大。環表溫差變化導致加熱爐效率、燃料消耗量、碳排放量變化曲線見圖6。

圖6 環表溫差影響曲線Fig.6 Environment and surface temperature difference influence curve

隨著環表溫差的增大，加熱爐的效率下降，燃料消耗量增加，加熱爐生產碳排放量增加。環表溫差的增大，增大了爐體表面散熱損失，降低了加熱爐的生產效率。

2.3 相關性檢驗

基于加熱爐生產碳排放影響因素分析，根據Pearson 相關系數對各項碳排放影響因素進行相關性檢驗。對兩個變量A、B進行相關性計算，Pearson相關系數計算如下：

式中：E為數學期望；cov 為協方差。Pearson 相關系數范圍為-1 至1，當系數絕對值越接近1 時，兩因素間的線性相關性越大；越接近0 時，兩因素間線性相關性越小。根據加熱爐生產碳排放監測數據，利用計算機Python語言進行編程得出各因素之間Pearson相關性熱圖（圖7）。

選取排煙處CO2含量為目標分析，各因素與排煙處CO2間的Pearson相關系數見表2。

根據Pearson 相關檢驗，各因素影響加熱爐生產碳排放程度由大到小分別為：負荷率、排煙溫度、熱效率、過?？諝庀禂?、環表溫差、爐膛內壓。其中負荷率、熱效率、爐膛內壓與加熱爐生產碳排放間的Pearson 相關系數為正值，排煙溫度、過?？諝庀禂?、環表溫差與加熱爐生產碳排放間的Pearson 相關系數為負值。相關性檢驗結果均符合定性分析的結論，因此，加熱爐生產碳排放影響因素分析具有一定的工程意義。

3 結論及建議

油田加熱爐生產為燃料燃燒源碳排放，其碳排放情況受生產要求、燃料性質、加熱爐效率的影響。通過對過?？諝庀禂?、排煙溫度、爐膛內壓、負荷率、環表溫差對加熱爐生產碳排放的影響，根據碳排放監測數據Pearson 相關系數，各因素影響加熱爐生產碳排放程度由大到小分別為：負荷率、排煙溫度、熱效率、過?？諝庀禂?、環表溫差、爐膛內壓。

一般油田加熱爐運行效率低導致高碳排的主要原因分為三類：一是加熱爐燃料燃燒不充分；二是加熱爐熱損失較高（排煙損失、散熱損失等）；三是加熱爐與加熱介質換熱效率較低。針對原因一，可采用燃料添加劑、膜法富氧燃燒技術等進行加熱爐運行提效；針對原因二，可采用增設聚能換熱巢、余熱回收鍋爐、水熱媒空氣預熱器進行加熱工藝改造，以減少加熱爐生產熱損失；針對問題三，造成換熱效率及換熱系數低的原因包括加熱爐設備材料換熱系數較低，可對加熱爐爐膛采用熱輻射強化劑與遠紅外輻射涂料，并采用超聲波、磁場、電場等除垢技術，提高換熱系數及換熱效率，減少碳排放。