油田加热炉生产碳排放影响因素分析

张建昌 王立涛 张嘉安 张妮 于丹 赵盼婷 刘鹤皋

1中国石油长庆油田分公司第三输油处

2东北石油大学提高油气采收率教育部重点实验室

2020 年，我国提出“将提高国家自主贡献力度，采取更加有利的政策与措施，二氧化碳排放力争于2030 年前达到峰值，努力争取2060 年前实现碳中和”。面对经济结构的挑战，有计划、分步骤实现“双碳”目标，须重点控制化石能源生产与消费。

加热炉是油田生产中的主要耗能设备之一，其能耗占比高达70%，高能耗导致了高碳排放量。在加热炉生产效率方面，国内外学者进行了大量研究，2018 年MENG D、SHAO C 提出一种改进TOPSIS 能源效率评价方法，量化了裂解炉能源效率与运行条件和生产负荷之间的关系[1]；2020 年史士峰建立了加热炉能效影响因素分析模型并实验验证了模型的可行性，助力了油田生产加热炉选型与改造[2]；2021 年王荣欢分析了加热炉的能效影响因素并建立了多指标能效评价体系，为油田节能降耗提供理论依据[3]。随着“双碳”目标的提出，越来越多的学者投入到碳排放的核算与研究中。2020年刘业业对2000—2017 年石油炼制行业碳排放特征及影响因素进行了定性及定量分析，揭示了石化行业碳减排存在的问题[4]；2022 年成庆林等建立了三甘醇脱水系统的能耗优化模型，并进行了碳排放核算，该系统优化后碳排放降低约3.6%，降低了单位经营生产成本[5]。但在加热炉生产碳排放方面，仍缺少具体研究。

本文以油田加热炉为研究对象，基于物料衡算法及《中国石油天然气生产企业温室气体排放核算方法与报告指南》建立油田加热炉碳排放核算模型；根据油田加热炉生产碳排放监测数据，分析加热炉生产碳排放影响因素，以期助力“双碳”目标的实现。

1 模型建立

1.1 物料衡算法

物料衡算法是指运用各种能源、燃料的投入量乘以各自的碳排放系数再进行加和获得二氧化碳排量的方法[6]。物料衡算法作为国际认可的方法，具有数据易于收集的优势，常用于国家和区域的二氧化碳排放测算[7]。物料衡算法的基本原理是质量守恒定律。对于任何一个生产过程，原料的消耗量等于物料损失量与产品量之和。物料衡算法对生产活动整个过程或者是某一个阶段都适用。

加热炉是油田生产系统中提供热能的重要生产设备，它可将燃料在炉膛内燃烧时产生的高温火焰与烟气作为热源直接或者间接传递给原油、水等介质[8]，是重要的能量转换装置。基于物料衡算法[9]，加热介质进炉前的内能Em1为带入能，加热介质出炉后的内能Em2为带出能，加热炉内部与外部内能损失El为损失能，燃料燃烧提供能Ef为供给能，油田加热炉生产示意图见图1。

图1 油田加热炉生产示意图Fig.1 Production diagram of oilfield heating furnace

基于物料衡算法，加热介质带出能与带入能的差值即为有效利用能（实际负荷），有效利用能与燃料燃烧供给能的比值为正平衡法加热炉效率，公式为

式中：ηz为正平衡热效率，%；Em1为加热介质进炉前带入能，kJ；Em2为加热介质出炉后带出能，kJ；Ef为燃料燃烧供给能，kJ。

1.2 数学模型

根据ISO14064-1、GHG Protocol 将温室气体排放源划分为三个“范围”：直接温室气体排放、间接温室气体排放、其他间接温室气体排放。而《中国石油天然气生产企业温室气体排放核算方法与报告指南》将温室气体排放源分为燃料燃烧源排放、火炬燃烧源排放、工艺放空源排放、逃逸源排放、净购入电力和净购入热力隐含源二氧化碳排放、回收利用量。加热炉的生产热能消耗主要用于提高外输介质温度、降低介质输送黏度，加热炉中燃料燃烧为介质提供热能，加热炉是主要的燃料燃烧源排放节点。燃料燃烧源碳排放核算方法为：

式中：El为燃料燃烧源碳排放量，tCO2；ADrl为燃料消耗量，t 或Nm3；CC为燃料的平均碳含量，tCO2/t 或tCO2/万Nm3；OF为燃料的碳氧化率，液体燃料的碳氧化率可取缺省值0.98，气体燃料的碳氧化率可取缺省值0.99，固体燃料的碳氧化率可根据不同燃料查找取值。燃料的消耗量与燃料的种类决定着加热炉生产的碳排放。一般情况下，加热炉的效率越高，燃料消耗量越小，生产碳排放量也越小[10]。但是，燃料消耗量、碳排放量和提高加热炉的效率之间并不存在线性关系，故控制加热炉生产使之处于最佳工作点，达到效率最高、燃料消耗量最小、碳排放最小是至关重要的。

假定在加热炉平稳运行时，燃料性质不变。加热炉生产碳排放模型的建立，首先计算加热炉供给能，具体计算公式为：

式中：Ql为加热炉供给能，kJ；ηl为加热炉生产效率，%；Ql,r为加热炉生产实际负荷，kJ；Q为燃料基低位发热量，kJ/kg；ADl为加热炉燃料消耗量，kg。其中加热炉生产实际负荷计算公式为：

式中：Dl为被加热介质的流量，m3；ρ为被加热介质的密度，kg/m3；tout为被加热介质在加热炉出口温度，℃；tin为被加热介质在加热炉入口 温度，℃；C为被加热介质比热容，kJ/(kg·℃)。整理可得加热炉生产燃料消耗量：

将加热炉生产燃料消耗量带燃料燃烧源碳排放核算公式整理得到加热炉生产碳排放核算模型：

2 影响因素分析

根据加热炉生产碳排放核算模型可知，加热炉生产碳排放与生产要求、燃料性质、加热炉效率等因素有关。生产要求方面主要包含了所需加热介质流量、加热介质温差；燃料性质方面主要包含了燃料的碳氧化率、含碳量和热值。在工程实际中，加热炉效率的高低往往作为加热炉生产运行情况的评判指标，广义上加热炉的能效高低是由其热效率来体现的，但在狭义上受多种因素影响，包含过剩空气系数、排烟温度、炉膛内压、负荷率、环表温差等。由于生产要求一般不可改变，燃料性质也取决于燃料种类，因此，对于加热炉生产碳排放影响因素分析而言，加热炉效率是重要分析指标。因此，以油田加热炉为研究对象，选取过剩空气系数、排烟温度、炉膛内压、负荷率、环表温差为因素，进行加热炉生产碳排放影响因素探究[11]。

2.1 加热炉碳排放监测

以油田某燃油加热炉为例，其设计热效率为89%，燃料油热值为44 000 kJ/kg，碳氧化率为0.98，平均含碳量为0.846 72 tCO2/t。加热介质为原油，原油比热容为2.09 kJ/(kg·℃)，密度为840 kg/m3。根据SY/T 6381—2016《石油工业用加热炉热工测定》对加热炉生产过程中的实际碳排放进行为期一个月的监测，监测数据见表1。

表1 加热炉生产碳排放监测数据Tab.1 Carbon emission monitoring data for heating furnace production

2.2 曲线分析

加热炉生产运行过程中，实际供给燃料燃烧的空气量与理论空气量的比值即为过剩空气系数[12]。过剩空气系数过大表示向炉内供入的空气过多，使炉膛温度降低，对燃烧不利，多余的冷空气被加热，由烟囱排走，从而引起排烟热损失增加；过小则不能保证燃料的完全燃烧，增加燃料为完全燃烧热损失，所以选取合理的过剩空气系数需要同时考虑q2、q4。过剩空气系数变化导致加热炉效率、燃料消耗量、碳排放量变化曲线见图2。

图2 过剩空气系数影响曲线Fig.2 Excess air coefficient influence curve

随着过剩空气系数的增加，加热炉的效率先增加后降低，燃料消耗量先降低后增加，加热炉生产碳排放量先降低后增加。根据燃油加热炉节能监测项目与指标中的过剩空气系数限定值要求，过剩空气系数在1.1～1.8 区间内时加热炉的热效率最高，达到生产要求的燃料消耗量最小，产生的燃料燃烧碳排放量最少。当过剩空气系数过大时，说明进入加热炉内的空气量高于燃料燃烧所需的空气配比，大量冷空气涌入炉膛使炉膛温度降低，影响燃料燃烧效率，炉膛内能量转化效率降低。同时，过剩的空气从烟囱排出时，必定会带走一定的热量，增加了排烟热损失。当过剩空气系数过小时，涌入的空气不足以使炉膛内燃料充分燃烧，浪费燃料潜热，产生热量损失，即增加了燃料未完全燃烧热损失。

燃料燃烧产生的热流由烟囱口处排出加热炉[13]，排烟温度是指热流烟气排出加热炉前的最后一个受热面的温度，其烟气热流不被加热介质所吸收，因此烟气温度可直接显示介质吸收热量的情况，直接影响着加热炉的热效率。排烟温度变化导致加热炉效率、燃料消耗量、碳排放量变化曲线见图3。

图3 排烟温度影响曲线Fig.3 Exhaust temperature influence curve

随着加热炉排烟温度的增加，加热炉的效率降低，燃料消耗量增加，加热炉生产碳排放量增加。当排烟温度过高时，烟气中所携带的热量较多，使排烟热损失增加，导致热效率降低，增加了碳排放。同时，过高的排烟温度还会使炉管出现炸裂，损坏烟道，造成安全隐患。但当排烟温度过低时，虽然加热炉效率更高，碳排放量更少，但一旦排烟温度低于水蒸气的露点温度，烟气中的水蒸气就会液化，使设备腐蚀。

炉膛内压作为监测加热炉运行状况的必要参数，其大小可为工作人员提供安全信息，在满足生产要求的提前下，模拟不同炉膛内压下加热炉效率、燃料消耗量、碳排放量变化曲线见图4。

图4 炉膛内压影响曲线Fig.4 Furnace internal pressure influence curve

随着炉膛内压的增大，加热炉的效率下降，燃料消耗量增加，加热炉生产碳排放量增加。当炉膛内压较高，高于外界大气压时，炉膛内燃料燃烧不充分，抽力过大甚至会导致火焰熄灭，燃料未经燃烧就从烟囱排出，增加了加热炉的排烟热损失和燃料未完全燃烧热损失，降低了加热炉效率，增大了燃料的消耗量和碳排放量。当炉膛压力过小时，燃烧后的烟气很难从烟囱排出，会导致炉膛爆炸回火的现象发生，违背了HSE的生产要求。

加热炉的生产运行热负荷一般达不到加热炉的额定设计热负荷，常常以负荷率来描述设备的承载情况，即用加热炉的实际热负荷与额定热负荷的比值来表示为负荷率。加热炉热负荷受季节影响较大，特别是冬夏两季的热负荷差别较大，冬季时要求热负荷较大，而夏季时要求热负荷较小。负荷率变化导致加热炉效率、燃料消耗量、碳排放量变化曲线见图5。

图5 负荷率影响曲线Fig.5 Load rate influence curve

随着加热炉负荷率的增加，加热炉的效率先增加后降低，燃料消耗量先降低后增加，加热炉生产碳排放量先降低后增加。为了加热炉安全、高效、低碳运行，要密切关注加热炉设备的实际运行负荷，当负荷率过小时，燃料造成浪费，燃料未完全燃烧热损失增加；当负荷率过大时，加热炉设备损失严重，增加生产安全隐患，且造成大量碳排放。

加热炉炉体外表面与环境的温度差即为环表温差，加热炉炉体表面往往设置保温材料来降低炉体散热损失，但保温材料的保温效果直接影响着加热炉生产的碳排放情况，由于环表温差的存在，环境温度随季节、昼夜、地域、天气的变化而变化，炉体外表面的温度受其影响较大，同时增大了炉体外表面的传热系数，炉体外表面的温度越低，散热损失也越大。环表温差变化导致加热炉效率、燃料消耗量、碳排放量变化曲线见图6。

图6 环表温差影响曲线Fig.6 Environment and surface temperature difference influence curve

随着环表温差的增大，加热炉的效率下降，燃料消耗量增加，加热炉生产碳排放量增加。环表温差的增大，增大了炉体表面散热损失，降低了加热炉的生产效率。

2.3 相关性检验

基于加热炉生产碳排放影响因素分析，根据Pearson 相关系数对各项碳排放影响因素进行相关性检验。对两个变量A、B进行相关性计算，Pearson相关系数计算如下：

式中：E为数学期望；cov 为协方差。Pearson 相关系数范围为-1 至1，当系数绝对值越接近1 时，两因素间的线性相关性越大；越接近0 时，两因素间线性相关性越小。根据加热炉生产碳排放监测数据，利用计算机Python语言进行编程得出各因素之间Pearson相关性热图（图7）。

选取排烟处CO2含量为目标分析，各因素与排烟处CO2间的Pearson相关系数见表2。

根据Pearson 相关检验，各因素影响加热炉生产碳排放程度由大到小分别为：负荷率、排烟温度、热效率、过剩空气系数、环表温差、炉膛内压。其中负荷率、热效率、炉膛内压与加热炉生产碳排放间的Pearson 相关系数为正值，排烟温度、过剩空气系数、环表温差与加热炉生产碳排放间的Pearson 相关系数为负值。相关性检验结果均符合定性分析的结论，因此，加热炉生产碳排放影响因素分析具有一定的工程意义。

3 结论及建议

油田加热炉生产为燃料燃烧源碳排放，其碳排放情况受生产要求、燃料性质、加热炉效率的影响。通过对过剩空气系数、排烟温度、炉膛内压、负荷率、环表温差对加热炉生产碳排放的影响，根据碳排放监测数据Pearson 相关系数，各因素影响加热炉生产碳排放程度由大到小分别为：负荷率、排烟温度、热效率、过剩空气系数、环表温差、炉膛内压。

一般油田加热炉运行效率低导致高碳排的主要原因分为三类：一是加热炉燃料燃烧不充分；二是加热炉热损失较高（排烟损失、散热损失等）；三是加热炉与加热介质换热效率较低。针对原因一，可采用燃料添加剂、膜法富氧燃烧技术等进行加热炉运行提效；针对原因二，可采用增设聚能换热巢、余热回收锅炉、水热媒空气预热器进行加热工艺改造，以减少加热炉生产热损失；针对问题三，造成换热效率及换热系数低的原因包括加热炉设备材料换热系数较低，可对加热炉炉膛采用热辐射强化剂与远红外辐射涂料，并采用超声波、磁场、电场等除垢技术，提高换热系数及换热效率，减少碳排放。