CN108037236B

CN108037236B - 火炬排放中甲烷转化率定量分析气体收集实验装置

Info

Publication number: CN108037236B
Application number: CN201711163869.8A
Authority: CN
Inventors: 房嬛; 陈国俊; 杨巍; 杨爽; 王威; 张中宁; 王作栋; 吕成福; 李树同; 杜丽; 薛莲花
Original assignee: Northwest Institute of Eco Environment and Resources of CAS
Current assignee: Northwest Institute of Eco Environment and Resources of CAS
Priority date: 2017-11-21
Filing date: 2017-11-21
Publication date: 2023-03-03
Anticipated expiration: 2037-11-21
Also published as: CN108037236A

Abstract

本发明涉及一种火炬排放中甲烷转化率定量分析气体收集实验装置，该装置包括采用架构设计的实验台架及固定在所述实验台架上的天然气钢瓶、高纯氮钢瓶、燃烧架、集气罩和微量真空泵。所述天然气钢瓶通过气体流量计Ⅰ与所述燃烧架相连；所述高纯氮钢瓶通过气体流量计Ⅱ与所述燃烧架相连；所述燃烧架的喷口上方设有所述集气罩，该集气罩的顶部与所述微量真空泵的抽吸端相连；所述微量真空泵的出气端接有排气管和集气袋，该集气袋分别连有定容连通器、定量气相色谱仪。本发明经模拟实验甲烷回收率高，可有效收集火炬排放中甲烷气体作为现场采集数据与理论计算数据的中间载体，避免了现场检测过程中诸多的不确定因素可能造成的测量偏差。

Description

火炬排放中甲烷转化率定量分析气体收集实验装置

技术领域

本发明涉及石油化工技术领域，尤其涉及火炬排放中甲烷转化率定量分析气体收集实验装置。

背景技术

石油、天然气开采过程中存在很多碳排放环节。其中，排气减压是一个重要的环节。主要有三种情况：1）原油生产过程中，会有部分原油伴生气产生，随着现代化生产水平的不断提高，大部分原油伴生气都被当做资源，通过油气管道回收，然而部分偏远的、零星的生产井，由于种种原因无法铺设管道，为了避免安全隐患，必须释放减压；2）天然气勘探开发中，试井阶段会有天然气喷发；3）修井过程中放气减压。原始的生产过程中，这部分天然气往往是采取直接放空的方式排往大气中，后来多采用“火炬”的方式进行排放（火炬也称点天灯，是将无法收集的天然气燃烧后排放）。天然气的主要成分是甲烷等烃类气体，2010年3月，美国环保署（EPA）指出，甲烷使气候变暖的温室效应是二氧化碳的21倍，大气中甲烷的浓度在过去的100多年已增大１倍多（张仁健，王明星，李晶，等．中国甲烷排放现状［Ｊ］．气候与环境研究，1994.（2）：194-201），在过去20年中以平均每年0.9%的惊人速度增长，远远高于二氧化碳浓度的增长值，因此相较于将天然气直接排放至大气，“火炬”可以将甲烷等烃类物质有效地转化为二氧化碳，从而大大降低了排放气体造成的环境污染及温室效应，“火炬”替代“放空”成为减排的有效手段之一。

据美国IPCC估算火炬燃烧中甲烷的转化率约为98%（IPCC第三次科学评估报告），从理论上而言，甲烷在空气中燃烧的产物为二氧化碳和水，甲烷的转化率应该等于100%，因此IPCC的这一估算结果并不能令人信服。

可是，由于火炬燃烧后的气体很难被采集到，很难测算出燃烧后天然气中的甲烷含量，根据资料调研，也没有相应的解决方案。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种有效提高检测准确率的火炬排放中甲烷转化率定量分析气体收集实验装置。

为解决上述问题，本发明所述的火炬排放中甲烷转化率定量分析气体收集实验装置，其特征在于：该装置包括采用架构设计的实验台架及固定在所述实验台架上的天然气钢瓶、高纯氮钢瓶、燃烧架、集气罩和微量真空泵；所述天然气钢瓶通过气体流量计Ⅰ与所述燃烧架相连；所述高纯氮钢瓶通过气体流量计Ⅱ与所述燃烧架相连；所述燃烧架的喷口上方设有所述集气罩，该集气罩的顶部与所述微量真空泵的抽吸端相连；所述微量真空泵的出气端接有排气管和集气袋，该集气袋分别连有定容连通器、定量气相色谱仪。

所述天然气钢瓶和所述高纯氮钢瓶上均设有减压阀，且并列设置在所述实验台架的右下方。

所述微量真空泵的出气端通过三通转换阀门与所述排气管和所述集气袋相接。

所述微量真空泵设置在所述实验台架的左上方。

所述气体流量计Ⅰ和所述气体流量计Ⅱ设置在所述实验台架的中下部。

所述排气管和所述集气袋设置在所述实验台架的中上部。

所述定容连通器和所述定量气相色谱仪并列设置在所述实验台架的右上方。

所述天然气钢瓶与所述气体流量计Ⅰ之间、所述高纯氮钢瓶与所述气体流量计Ⅱ之间、所述气体流量计Ⅰ和所述气体流量计Ⅱ与所述燃烧架之间均通过金属管线相连。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明中实验台架采用架构设计，便于空气流通。

2、本发明经模拟实验甲烷回收率高，可有效收集火炬排放中甲烷气体作为现场采集数据与理论计算数据的中间载体，对现场采集数据进行修正、对理论计算数据加以确认。同时由于对实验过程定量控制，避免了现场检测过程中诸多的不确定因素，如气流的变化、测试点的选择、测试习惯的不同等可能造成测量偏差。

3、采用本发明对四川蜀南气矿、胜利油田、吐哈油田、鄂尔多斯盆地油气田的不同类型天然气“火炬”燃烧后的气体进行了采集和定量分析，对美国IPCC的估算结果进行了修正。实验数据表明，火炬燃烧过程中甲烷的转化率大于99.99%，IPCC的估算值将火炬燃烧中甲烷排放量增加了近2%左右，夸大了我国油气开采中火炬燃烧中甲烷的碳排放量。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为本发明的结构示意图。

图中：1—实验台架；2—天然气钢瓶；3—高纯氮钢瓶；4—燃烧架；5—集气罩；6—微量真空泵；7—气体流量计Ⅰ；8—气体流量计Ⅱ；9—排气管；10—集气袋；11—定容连通器；12—定量气相色谱仪；13—减压阀；14—三通转换阀门。

具体实施方式

如图1所示，火炬排放中甲烷转化率定量分析气体收集实验装置，该装置包括采用架构设计的实验台架1及固定在实验台架1上的天然气钢瓶2、高纯氮钢瓶3、燃烧架4、集气罩5和微量真空泵6。

天然气钢瓶2通过气体流量计Ⅰ7与燃烧架4相连；高纯氮钢瓶3通过气体流量计Ⅱ8与燃烧架4相连；燃烧架4的喷口上方设有集气罩5，该集气罩5的顶部与微量真空泵6的抽吸端相连；微量真空泵6的出气端接有排气管9和集气袋10，该集气袋10分别连有定容连通器11、定量气相色谱仪12。

其中：天然气钢瓶2和高纯氮钢瓶3上均设有减压阀13，且并列设置在实验台架1的右下方。

天然气钢瓶2内为采集的甲烷浓度为69.09%~98.27%的天然气样品。

高纯氮钢瓶3中的N₂浓度为99.99%，用于实验数据的评价过程中配比不同甲烷浓度天然气。

微量真空泵6的出气端通过三通转换阀门14与排气管9和集气袋10相接。

微量真空泵6设置在实验台架1的左上方。

气体流量计Ⅰ7和气体流量计Ⅱ8设置在实验台架1的中下部。其作用是控制原料气的流量，根据燃烧时间计算参与燃烧的气体总量。

排气管9和集气袋10设置在实验台架1的中上部。

定容连通器11和定量气相色谱仪12并列设置在实验台架1的右上方。

天然气钢瓶2与气体流量计Ⅰ7之间、高纯氮钢瓶3与气体流量计Ⅱ8之间、气体流量计Ⅰ7和气体流量计Ⅱ8与燃烧架4之间均通过金属管线相连。

工作时，采集的甲烷浓度为69.09%~98.27%的天然气样品通过金属管线从天然气钢瓶2流出，经气体流量计Ⅰ7流入燃烧架4，并从燃烧架4喷口流出，点燃燃烧架4喷口天然气模仿火炬燃烧过程。利用烟囱效应，使比重远远小于空气的未转化甲烷在上升过程中被聚集于集气罩5。

控制三通转换阀门14，先采用微量真空泵6抽吸集气袋10及连接管路中的空气至真空状态；然后通过微量真空泵6抽吸燃烧气体通过排气管9流动2min，以确保管路中的空气被排除、燃烧后天然气充盈；其次通过微量真空泵6助力集气罩5将未燃烧甲烷气体采集到集气袋10中；最后，利用定容连通器11对集气袋10中的气体定容（体积），同时利用定量气相色谱仪12对气体中甲烷进行定量分析（浓度），并计算甲烷转化率。

实验中，被收集气体均以200mL/min的流量燃烧1min，原料气用量V₁=200mL；

产物气收集真空泵流量500mL/min，实际集气量V₂=500mL±2mL；

收集气体进行色谱分析（6890AGC）得到产物气浓度C′；

换算与原料气同体积产物气浓度：

；

计算甲烷转化率：

；式中C_初为实验用天然气甲烷的浓度。

实施例选取了四个盆地（四川盆地、胜利油田、吐哈油田、鄂尔多斯盆地）不同类型的天然气样品（甲烷烷含量 69.09%～98.27%）进行了燃烧实验。

天然气样品燃烧前后甲烷浓度的定性定量分析使用GC-9160气相色谱仪，甲烷检出限为≥1ppm

为了便于更好地收集气体，燃烧实验实在室内进行，氧含量低于户外，油气田火炬燃烧天然气中甲烷的转化率应不低于实验数据。

甲烷转化率：

。C_初为实验用天然气甲烷的浓度；C_终为同体积燃烧后气体中甲烷的浓度。

与原料气同体积产物气浓度：

。

其中：原料气用量V₁=200mL；实际集气量V₂=500mL±2mL；C′为燃烧后气体甲烷的实测浓度。

燃烧实验表明，不同甲烷含量的天然气，燃烧后的转化率均大于99.99%（详见表1）。

表1 部分天然气燃烧转化率（%）

注：甲烷浓度为0.00%，表示甲烷浓度低于GC-9160气相色谱仪检出限。

【数据评价】

⑴平行实验：

盆地“红台2-46井”天然气样品进行了如下四组平行实验，实验结果详见表2。

表2 红台2-46井天然气燃烧甲烷转化率平行模拟实验

实验结果表明，无论流量大小，天然气燃烧甲烷的转化率均大于99.99%，并且数据显示，流量越大甲烷转化率越高，与热能高燃烧锥温度更高有关；因室内焰苗比较稳定便于收集，实验均在室内进行，油气田实际火炬排放环境氧含量更高，甲烷的转化率大于模拟值是可信的。

实验数据分析如下：

红台2-46井”天然气样品四组平行实验：

。

样本标准偏差：

。

分析结果表明，实验数据复现性好，离散度低，实验结果不具偶然性。

⑵空白实验：

在燃烧实验过程中，随机抽取三个燃烧样品集气罩周围的空气，进行有机组分分析，均为检测到甲烷成分。由此说明，该实验装置能够有效地收集甲烷气体。

⑶回收率实验：

选取吐哈盆地“红台2-46井”天然气样品进行了回收率试验，用流量比控制高纯氮和天然气原样的浓度，采集直接排放混合气样品做回收率试验，实验结果详见表3。

气体原样（甲烷91.2%）——100mL/min/1min；

（甲烷理论浓度= 91.2%）；

气体原样（甲烷91.2%）+高纯氮（99.99%）——50mL+50mL/min/1min；

（甲烷理论浓度= 45.6%）；

气体原样（甲烷91.2%）+高纯氮（99.99%）——1mL+99mL/min/1min；

（甲烷理论浓度= 0.912% ）3次。

表3“红台2-46井”天然气样品回收率试验结果

实验结果表明，燃烧实验甲烷气体回收率高，说明甲烷比重远远小于空气、加之烟囱效应及对集气袋的定向抽吸，反应气中甲烷向四周的逸散率很低。低浓度甲烷气体回收率尤其高，这符合燃烧后气体中甲烷含量低，损失很小。实验装置能够很好地实验火炬排放中甲烷气体转化率实验分析。

Claims

1.火炬排放中甲烷转化率定量分析气体收集实验装置，其特征在于：该装置包括采用架构设计的实验台架(1)及固定在所述实验台架(1)上的天然气钢瓶(2)、高纯氮钢瓶(3)、燃烧架(4)、集气罩(5)和微量真空泵(6)，所述天然气钢瓶(2)通过气体流量计I(7)与所述燃烧架(4)相连，所述高纯氮钢瓶(3)通过气体流量计II(8)与所述燃烧架(4)相连；所述燃烧架(4)的喷口上方设有所述集气罩(5)，该集气罩(5)的顶都与所述微量真空泵(6)的抽吸端相连；所述微量真空泵(6)的出气端接有排气管(9)和集气袋(10)，该集气袋(10)分别连有定容连通器(11)、定量气相色谱仪(12)；所述微量真空泵(6)的出气端通过三通转换阀门(14)与所述排气管(9)和所述集气袋(10)相接，所述微量真空泵(6)设置在所述实验台架(1)的左上方；

甲烷转化率的计算方法为：甲烷转化率：

C_初为实验用天然气甲烷的浓度，C_终为同体积燃烧后气体中甲烷的浓度；与原料气同体积产物气浓度：

其中：原料气用量V₁＝200mL；实际集气量V₂＝500mL±2mL；C’为燃烧后气体甲烷的实测浓度。

2.如权利要求1所述的火炬排故中甲烷转化率定量分析气体收集实验装置，其特征在于:所述天然气钢瓶(2)和所述高纯氮钢瓶(3)上均设有减压阀(13)，且并列设置在所述实验台架(1)的右下方。

3.如权利要求1所述的火炬排放中甲烷转化率定量分析气体收集实验装置，其特征在于:所述气体流量计I(7)和所述气体流量计II(8)设置在所述实验台架(1)的中下部。

4.如权利要求1所述的火炬排故中甲烷转化率定量分析气体收集实验装置，其特征在于:所述排气管(9)和所述集气袋(10)设置在所述实验台架(1)的中上部。

5.如权利要求1所述的火炬排放中甲烧转化率定量分析气体收集实验装置，其特征在于:所述定容连通器(11)和所述定量气相色谱仪(12)并列设置在所述实验台架(1)的右上方。

6.如权利要求1所述的火炬排放中甲烷转化率定量分析气体收集实验装置，其特征在于:所述天然气钢瓶(2)与所述气体流量计I(7)之间、所述高纯氮钢瓶(3)与所述气体流量计II(8)之间、所述气体流量计I(7)和所述气体流量计II(8)与所述燃烧架(4)之间均通过金属管线相连。