CN116036817A - 一种火驱油田伴生气的处理方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种火驱油田伴生气的处理方法及装置，是将火驱油田伴生气通入烃浓度均化器进行浓度均化处理，使其烃浓度稳定后与一定量的富氧气体混合，然后输送至蓄热氧化反应器进行蓄热氧化，排出的净化气达标排放。本发明将油田伴生气先经烃浓度均化，再与过量富氧气体混合，然后进行蓄热氧化，可以在保证处理过程安全的情况下，大大缩减装置处理规模和运行成本，同时实现净化气达标排放。
Description
技术领域
本发明属于大气污染治理技术领域，具体涉及一种火驱油田伴生气的处理方法及装置。
背景技术
油田伴生气是一种富含甲烷等低分子烷烃的混合气体，是原油的共生气体，由于伴生气的存在会影响油田采油效率，以往很多油田选择放空燃烧的处理方式，一方面造成了大量资源浪费，另一方面由于简单燃烧处理燃烧不完全使VOCs不能达标排放。
火驱技术即火烧油层，是一种重要的热力采油技术，该技术需要有注入井和生产井，并在一定井网下，从注入井注入空气、富氧等助燃气体与稠油中的重质组分通过点火或者自燃的方式进行燃烧，只需足够的焦炭量和空气保持燃烧稳定。高温将稠油裂解，使重质油裂解成为轻质油，达到降粘、流动的目的。但在火驱采油过程中，会产生大量的伴生气，组分主要由氮气、二氧化碳及烃类组成，烃含量一般小于爆炸下限，为保证驱油过程中安全稳定，一般将伴生气的氧含量控制在3%以下，大量VOCs排放到大气中，对环境污染较为严重。
现有技术主要采用燃烧法处理，将伴生气排入燃烧炉中进行热力氧化，将伴生气中的VOCs氧化成二氧化碳和水，但是由于伴生气VOCs含量较高，氧化后放热使炉膛温度升高，无法将炉膛温度控制在较为安全的范围内，因此一般的做法是将伴生气用空气稀释，将VOCs浓度降低到安全浓度后再通入到燃烧炉中进行氧化，这样就造成了燃烧炉规模大幅度升高，大大增加了设备的一次投资，同时造成了资源浪费。另一方面，由于油田伴生气的自身特点，其VOCs浓度在整个驱油过程中有较大幅度变化，因此对后续热力氧化过程的稳定性也会造成较大的影响。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种火驱油田伴生气的处理方法及装置。本发明将油田伴生气先经烃浓度均化，再与过量富氧气体混合，然后进行蓄热氧化，可以在保证处理过程安全的情况下，大大缩减装置处理规模和运行成本，同时实现净化气达标排放。
本发明提供的一种火驱油田伴生气的处理方法，包括如下内容：
将火驱油田伴生气通入烃浓度均化器进行浓度均化处理，使其烃浓度稳定后与一定量的富氧气体混合，然后输送至蓄热氧化反应器进行蓄热氧化，排出的净化气达标排放。
本发明方法中，所述的火驱油田伴生气为采用火驱技术在采油过程中产生的伴生气体，其中以气体体积计，氮气70%-75%，二氧化碳15%-25%，氧气≤3%，VOCs为20000-60000mg/m3，温度为常温。本发明处理方法不限于火驱油田伴生气，还可应用于和火驱油田伴生气氧气、VOCs组成相近或类似的其它低氧高浓度VOCs的有机废气。
本发明方法中，所述烃浓度均化器一般是固定床，固定床内装填烃浓度均化剂，均化剂一般采用活性炭、分子筛、硅胶、氧化铝等多孔吸附材料中的一种或几种。在浓度均化过程中，控制体积空速为100-10000h-1。
本发明方法中，浓度均化处理主要是利用多孔吸附材料的吸附解吸平衡实现，当油田伴生气中VOCs浓度较高时进行部分吸附，当VOCs浓度较低时进行部分解吸，从而使浓度均化后的油田伴生气中VOCs浓度在较小范围内稳定。油田伴生气的烃浓度范围一般波动较大，上下限的差值一般高于20000mg/m3，经浓度均化处理后，差值可以降低至5000mg/m3以下。
本发明方法中，所述富氧气体是指氧的体积含量高于21%的气体，优选95%-100%。富氧气体可以是纯氧与空气或其他气体的混合物，也可以是通过富氧技术将空气中氧含量提高，该类技术包括但不限于磁法富氧技术、膜分离富氧技术、吸附富氧技术、化学富氧技术等中的任意一种。
本发明方法中，所述的富氧气体的通入量需满足油田伴生气中VOCs的完全氧化。通入富氧气体量采用压力控制进行，即在富氧气体管路上设置调节阀，此调节阀根据油田伴生气均化后管线上的压力进行调节，保证压力在-6～-1kPaG范围内。
本发明方法中，所述的蓄热氧化通过两床及以上的蓄热氧化反应器实现，如可以采用通过切换阀实现周期性蓄热-放热过程的热力氧化炉，在炉膛中设置换热炉管和蒸汽锅炉,可及时在线地将炉膛中的高温气体的热量取走用于产生蒸汽。所述蓄热氧化反应器的蓄热床层填充多孔介质蓄热体，包括但不限于蜂窝陶瓷、泡沫陶瓷、金属陶瓷等具有多孔形状和蓄热特性的材料组成，其材质一般为碳化硅、氮化硅、莫来石、堇青石、氧化镐等中的至少一种。蓄热氧化反应器炉膛中设置燃烧器，主要用于开工启动时为多孔介质蓄热体预热。
本发明方法中，所述的蓄热氧化可以采用两种模式：当进入蓄热氧化反应器中的混合气体中VOCs含量小于爆炸下限时，采用无焰热氧化的方式，在炉膛中进行高温氧化；当进入蓄热氧化反应器中的混合气体中VOCs含量大于爆炸下限时，采用有焰氧化在多孔介质蓄热体表面或内部进行完全燃烧氧化后进入炉膛换热产蒸汽。
本发明方法中，优选在蓄热氧化反应器下游设置风机为整个油田伴生气处理系统提供动力，可使整个油田伴生气处理系统处在负压条件下，防止高温气体外泄，同时避免高浓度VOCs在多孔介质蓄热体表面燃烧时回火造成爆炸风险。
本发明还提供了一种用于上述火驱油田伴生气的处理方法的处理装置，主要包括烃浓度均化器、富氧气体输送系统、蓄热氧化反应器和风机，其中烃浓度均化器用于将油田伴生气进行浓度均化处理，使其烃浓度稳定；富氧气体输送系统设置在伴生气输送至蓄热氧化反应器管路上；蓄氧化反应器用于伴生气的氧化，并在线地将炉膛中的高温气体的热量取走；风机用于为整个伴生气处理系统提供动力；最后产生的净化气达标排放。
本发明装置中，所述浓度均化器一般采用固定床，固定床内装填烃浓度均化剂，均化剂一般采用活性炭、分子筛、硅胶、氧化铝等中的一种或几种。
本发明装置中，所述的蓄热氧化反应器通过两床及以上的蓄热氧化反应器实现，如可以采用通过切换阀实现周期性蓄热-放热过程的热力氧化炉，在炉膛中设置换热炉管和蒸汽锅炉，可及时在线地将炉膛中的高温气体的热量取走用于产生蒸汽。所述蓄热氧化反应器床层是由但不限于蜂窝陶瓷、泡沫陶瓷、金属陶瓷等具有多孔形状和蓄热特性的材料组成，其材质一般为碳化硅、氮化硅、莫来石、堇青石、氧化镐等中的至少一种。蓄热氧化反应器炉膛中设置燃烧器，主要用于开工启动时为多孔介质蓄热体预热。
本发明方法中，风机设置在蓄热氧化反应器下游，为整个伴生气处理系统提供动力。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
（1）传统的蓄热氧化反应为保证炉膛温度≤1100℃，排烟温差≤80℃，高浓度有机废气进入蓄热氧化前需和空气或氮气混合将有机废气浓度稀释到2500mg/m3以下，因此会大大增加装置的投资费用和运行成本。本申请发明人在研究油田伴生气处理过程中发现，由于其氧含量低、VOCs含量高，因此采用传统处理方式处理规模很大，而且稳定性不佳。为此，本发明先对油田伴生气进行浓度均化处理，再与VOCs当量反应的富氧气体混合，然后进蓄热氧化反应器处理，可以在保证其处理过程安全的情况下，大大缩减了装置处理规模和运行成本，同时实现净化气中VOCs深度治理及达标排放。
（2）利用多孔介质燃烧处理低氧高VOCs浓度的油田伴生气，配合在蓄热反应器炉膛中设置取热炉管，将多余产生的热量用于在线产生蒸汽，不仅提高了装置的运行收益，而且降低了炉膛的运行温度。
附图说明
图1是本发明处理方法及装置的一种工艺流程示意图；
其中，1-烃浓度均化罐，2-烃浓度均化剂，3-蓄热氧化反应器，4-蓄热氧化床层A，5-燃烧器，6-取热管，7-锅炉，8-风机，901-提升阀I，902-提升阀II，903-提升阀III，904-提升阀Ⅳ，10-蓄热氧化床层B，11-富氧气体调节阀，12-压力表，101-火驱油田伴生气，102-富氧气体，103-锅炉软化水，104-蒸汽，105-净化气。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明方法和装置作进一步详细说明。实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
以下实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为本领域常规方法。下述实施例中所用的实验材料，如无特殊说明，均从常规生化试剂商店购买得到。
本发明实施例采用附图1所示的流程和装置进行火驱油田伴生气的处理。火驱油田伴生气101进入烃浓度均化罐1中，罐中装填有烃浓度均化剂2，一般采用活性炭、分子筛、硅胶、氧化铝等多孔材料中的一种或几种。火驱油田伴生气101经烃浓度均化后浓度在一定范围内保持稳定，然后与富氧气体102混合，通入的富氧气体中的氧气量需满足油田伴生气中VOCs的完全氧化。通入富氧气体量采用压力控制进行，即在富氧气体管路上设置调节阀11，调节阀11根据伴生气均化后管线上的压力进行调节，保证压力在-6～-1kPaG范围内，从而达到当压力低时调节阀11趋于关闭，当压力高时调节阀11趋于打开的调节目的。蓄热氧化反应器由两个床层4和10组成，蓄热氧化反应器炉膛中设置燃烧器5，主要用于开工启动时为多孔介质蓄热体预热。混合后气体进入蓄热氧化反应器3中进行氧化，首先进入蓄热床层A预热，达到VOCs的氧化温度后，一般为500-800℃，伴生气中的VOCs进行氧化放热，同时产生的热量立即被设置在蓄热氧化反应器炉膛中的取热管6取走，将取得的热量通过锅炉7产生蒸汽104，需要为锅炉提供连续的锅炉软化水103。然后高温气体经过蓄热床层B后，将热量传递给蓄热床层B，净化气105通过风机8达标排放。
实施例1
某油田采用火驱技术进行采油，日产油田伴生气480000Nm3，按20000Nm3/h计，其烃浓度在20000-50000mg/m3范围内波动，总烃浓度组成如表1所示。
表1 油田伴生气中不同物质的含量（mol%）
使用本发明方法对上述油田伴生气进行处理，伴生气进入烃浓度均化罐中，罐中装填活性炭，活性炭量为40m3，均化剂体积空速按500h-1计，经过烃浓度均化后稳定在40000-45000mg/m3，然后与富氧气体混合，富氧气体氧含量为29%，通入量为8000-9000Nm3/h，通入量满足油田伴生气中VOCs的完全氧化。混合后进入蓄热氧化反应器的气量约30000Nm3/h，蓄热氧化反应器由两个床层组成，蓄热床层中装填泡沫陶瓷，其材质为碳化硅。蓄热氧化反应器启动时，需要开启燃烧器，将蓄热床层升温，混合气体首先进入蓄热床层A预热，温度达到600℃后开始氧化反应升温，同时产生的热量立即被设置在蓄热氧化反应器炉膛中的取热管取走，可产生6-8t/h的蒸汽，然后高温气体经过蓄热床层B后，将热量传递给蓄热床层B，净化后的气体温度约为50-100℃，气量约为30000Nm3/h，通过风机达标排放，净化气中非甲烷总烃浓度≤15mg/m3。
实施例2
某火驱油田伴生气同实施例1的组成，不同在于：富氧气体氧含量为96%，通入量为2000-2800Nm3/h，可产生10-12t/h的蒸汽，净化后的气体温度约为80-120℃，气量约为2300Nm3/h。通过风机达标排放，净化气中非甲烷总烃浓度≤10mg/m3。
实施例3
某火驱油田伴生气同实施例1的组成，不同在于：甲烷的摩尔浓度为8%-10%，总烃浓度50000-80000mg/m3，达到了此油田伴生气的爆炸下限。处理过程及操作同实施例1，不同的是通过烃浓度均化后，伴生气的总烃浓度为65000-70000mg/m3，采用纯氧作为助燃剂，混入纯氧量为2800-3200Nm3/h，混合气进入蓄热床层中有焰氧化在蓄热床层表面进行，完全燃烧氧化后并产生蒸汽约12-15t/h。通过风机达标排放，净化气中非甲烷总烃浓度≤15mg/m3。
实施例4
同实施例1，不同在于：烃浓度均化剂为硅胶和氧化铝，用量1:1，控制体积空速为5000h-1。可产生5-7t/h的蒸汽，净化后的气体温度为50-150℃。通过风机达标排放，净化气中非甲烷总烃浓度≤15mg/m3。
实施例5
同实施例1，不同在于：多孔介质蓄热体为金属陶瓷，材质为氧化镐。可产生6-8t/h的蒸汽，净化后的气体温度约为50-100℃，通过风机达标排放，净化气中非甲烷总烃浓度≤15mg/m3。
实施例6
同实施例1，不同在于：采用两种模式：当进入蓄热氧化反应器中的混合气体中VOCs含量小于爆炸下限时，采用无焰热氧化的方式，在炉膛中进行高温氧化；当进入蓄热氧化反应器中的混合气体中VOCs含量大于爆炸下限时，采用有焰氧化在多孔介质蓄热体表面或内部进行完全燃烧氧化后进入炉膛换热产蒸汽。可产生8-15t/h的蒸汽，净化后的气体温度约为50-150℃。通过风机达标排放，净化气中非甲烷总烃浓度≤10mg/m3。
比较例1
处理与实施例1相同的火驱油田伴生气，采用传统蓄热氧化技术，需要按伴生气最大烃浓度50000mg/m3进行计算，使用空气将烃浓度稀释到2000-2500mg/m3，需通入空气量为380000Nm3/h，处理规模高达400000Nm3/h，投资费用是实施例1的5-7倍，运行费用约500-1000万元/年，而实施例1中处理规模为30000Nm3/h，每年可盈利5000-8000万元。
比较例2
同实施例1，不同在于：采用空气代替富氧气体。需要按油田伴生气最大烃浓度50000mg/m3进行计算，使烃类气体完全氧化需通入空气量约为15000Nm3/h，处理规模达35000Nm3/h，投资费用是实施例1的1.1倍。
比较例3
同实施例1，不同在于：未设置烃浓度均化。由于伴生气浓度剧烈变化，锅炉无法正常工作；同时造成装置频繁启停，耗费大量燃料。
Claims (12)
1.一种火驱油田伴生气的处理方法，其特征在于包括如下内容：将火驱油田伴生气通入烃浓度均化器进行浓度均化处理，使其烃浓度稳定后与一定量的富氧气体混合，然后输送至蓄热氧化反应器进行蓄热氧化，排出的净化气达标排放。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的火驱油田伴生气为采用火驱技术在采油过程中产生的伴生气体，其中以气体体积计，氮气70%-75%，二氧化碳15%-25%，氧气≤3%，VOCs为20000-60000 mg/m3，温度为常温。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述烃浓度均化器是固定床，固定床内装填烃浓度均化剂，均化剂采用活性炭、分子筛、硅胶、氧化铝中的一种或几种。
4.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于：在浓度均化过程中，控制体积空速为100-10000h-1。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述富氧气体是指氧的体积含量高于21%的气体，优选95%-100%。
6.根据权利要求1或5所述的方法，其特征在于：所述的富氧气是纯氧与空气或其他气体的混合物，或者是通过富氧技术将空气中氧含量提高。
7.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于：所述的富氧气体的通入量需满足油田伴生气中VOCs的完全氧化，通入富氧气体量采用压力控制进行，即在富氧气体管路上设置调节阀，此调节阀根据油田伴生气均化后管线上的压力进行调节，保证压力在-6～-1kPaG范围内。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的蓄热氧化通过两床及以上的蓄热氧化反应器实现，优选采用通过切换阀实现周期性蓄热-放热过程的热力氧化炉，在炉膛中设置换热炉管和蒸汽锅炉,可及时在线地将炉膛中的高温气体的热量取走用于产生蒸汽。
9.根据权利要求1或8所述的方法，其特征在于：所述蓄热氧化反应器的蓄热床层填充多孔介质蓄热体，包括但不限于蜂窝陶瓷、泡沫陶瓷、金属陶瓷多孔形状材料，其材质为碳化硅、氮化硅、莫来石、堇青石、氧化镐中的至少一种。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的蓄热氧化采用两种模式：当进入蓄热氧化反应器中的混合气体中VOCs含量小于爆炸下限时，采用无焰热氧化的方式，在炉膛中进行高温氧化；当进入蓄热氧化反应器中的混合气体中VOCs含量大于爆炸下限时，采用有焰氧化在多孔介质蓄热体表面或内部进行完全燃烧氧化后进入炉膛换热产蒸汽。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在蓄热氧化反应器下游设置风机为整个油田伴生气处理系统提供动力，使整个油田伴生气处理系统处在负压条件下。
12.一种用于权利要求1-11任一项所述火驱油田伴生气的处理方法的处理装置，其特征在于主要包括烃浓度均化器、富氧气体输送系统、蓄热氧化反应器和风机，其中烃浓度均化器用于将油田伴生气进行浓度均化处理，使其烃浓度稳定；富氧气体输送系统设置在伴生气输送至蓄热氧化反应器管路上；蓄氧化反应器用于伴生气的氧化，并在线地将炉膛中的高温气体的热量取走；风机用于为整个伴生气处理系统提供动力；最后产生的净化气达标排放。
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