海上油田伴生氣脫硫工藝優(yōu)化改造

郭偉 李雁飛 劉守一 周生林 梁寧

（1.中海石油（中國）有限公司深圳分公司流花油田作業(yè)區(qū)；2.中海石油（中國）有限公司深圳分公司）

海上油田伴生氣脫硫工藝優(yōu)化改造

郭偉1李雁飛2劉守一2周生林2梁寧2

（1.中海石油（中國）有限公司深圳分公司流花油田作業(yè)區(qū)；2.中海石油（中國）有限公司深圳分公司）

某油田超重力脫硫工藝在海上平臺上第一次使用，它可將油田伴生氣中硫化氫的體積分?jǐn)?shù)從35 000×10-6降低至14×10-6。但在項(xiàng)目調(diào)試運(yùn)行中，存在諸多需要改進(jìn)的地方。為了解決影響該工藝系統(tǒng)正常運(yùn)行的問題，在生產(chǎn)過程中，根據(jù)實(shí)際情況對脫硫系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造，包括增加和優(yōu)選處理設(shè)備，優(yōu)化工藝流程和罐體設(shè)計等，使整套系統(tǒng)的運(yùn)行更加平穩(wěn)，藥劑使用量降低，設(shè)備運(yùn)行時率進(jìn)一步提高。同時為該工藝在海上平臺的應(yīng)用提供一定的借鑒作用。

油田伴生氣；超重力脫硫裝置；工藝優(yōu)化

某油田生產(chǎn)系統(tǒng)的三相分離器和電脫鹽脫水器分離出的油田伴生氣均送火炬系統(tǒng)放空燃燒，伴生氣中H2S的體積分?jǐn)?shù)高達(dá)35 000×10-6。為提高該油田開發(fā)資源利用當(dāng)量，對該油田伴生氣實(shí)施超重力脫硫凈化回收[1]，將硫化氫的體積分?jǐn)?shù)降低到14×10-6，同時對現(xiàn)有鍋爐進(jìn)行改造，以伴生氣替代原油作為燃料，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，節(jié)省原油。此項(xiàng)目是海上油田第一次采用超重力脫硫工藝脫除伴生氣中硫化氫氣體的項(xiàng)目。

1 超重力脫硫裝置

該油田脫硫工藝系統(tǒng)的最大伴生氣處理量為3.5×104m3/d（0℃，101.325 kPa），最小設(shè)計處理量為2.0×104m3/d，最大硫磺產(chǎn)量558.24 kg/d。由于伴生氣中H2S含量較高，其體積分?jǐn)?shù)達(dá)到了35 000×10-6；因此，伴生氣脫硫及硫磺回收采用超重力脫硫工藝系統(tǒng)，它包括超重力吸收氧化單元、硫磺沉降與脫硫劑再生單元、硫磺真空過濾及回收單元，藥劑的循環(huán)量為80 m3/h，硫磺的回收率為99.9%，凈化氣中H2S的體積分?jǐn)?shù)低于14×10-6，滿足后續(xù)使用要求。

1.1 工藝說明

超重力脫硫工藝是一種氣-液相吸收氧化還原工藝[2]。工藝裝置主要包括伴生氣超重力脫硫設(shè)備、絡(luò)合鐵脫硫劑與單質(zhì)硫的分離凈化設(shè)備和絡(luò)合鐵脫硫劑再生設(shè)備，以及絡(luò)合鐵脫硫劑和輔助添加劑儲罐等輔助設(shè)備，工藝過程如圖1所示。

1.1.1 超重力吸收氧化脫硫單元

超重力吸收氧化脫硫系統(tǒng)主要作用是脫除伴生氣中含有的硫化氫氣體，主要設(shè)備有酸性氣體過濾器、預(yù)反應(yīng)器、超重力脫硫機(jī)、脫硫平衡罐、氣液分離器、閃蒸罐。

來自壓縮機(jī)的含硫伴生氣首先進(jìn)入酸性氣體過濾器，除去伴生氣中所含雜質(zhì)，包括大分子烴類物質(zhì)、游離水及固體雜質(zhì)，并起到穩(wěn)流作用。脫除雜質(zhì)的伴生氣進(jìn)入預(yù)脫硫管式反應(yīng)器，與絡(luò)合鐵吸收劑反應(yīng)除去伴生氣中大部分的硫化氫，帶有硫磺的吸收劑進(jìn)入脫硫平衡罐；脫除大部分硫化氫后的伴生氣從脫硫平衡罐進(jìn)入超重力脫硫機(jī)，伴生氣進(jìn)入超重力脫硫機(jī)內(nèi)部后，通過旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子與吸收劑在離心力作用下進(jìn)行充分的接觸，使氣相中殘留硫化氫轉(zhuǎn)化生成單質(zhì)硫，隨同富液進(jìn)入脫硫平衡罐，并使超重力脫硫機(jī)與脫硫平衡罐達(dá)到連通穩(wěn)壓的作用。經(jīng)過超重力脫硫機(jī)脫硫后的伴生氣則進(jìn)入氣液分離器，除去氣體中夾帶的藥液，最后進(jìn)入后續(xù)鍋爐系統(tǒng)燃燒。而產(chǎn)生的富液通過脫硫平衡罐進(jìn)入閃蒸罐內(nèi)，減壓脫除富液中溶解的少量伴生氣，最終通過閃蒸泵將富液打入沉降-氧化再生系統(tǒng)。

1.1.2 絡(luò)合鐵吸收劑沉降-氧化再生單元

吸收劑沉降-氧化再生系統(tǒng)主要作用是對吸收劑進(jìn)行再生循環(huán)利用[3-4]，降低成本。主要設(shè)備有氧化-沉降槽、再生超重力機(jī)、再生平衡罐、再生氣液分離罐。

圖1 超重力脫硫裝置工藝流程

絡(luò)合鐵吸收劑沉降-氧化再生系統(tǒng)采用靜態(tài)沉降槽進(jìn)行沉降-氧化再生，和動態(tài)再生超重力機(jī)再生補(bǔ)償?shù)姆绞焦ぷ?。?dāng)伴生氣含硫量低，對吸收劑富液再生要求不高時，僅用沉降槽沉降再生吸收劑富液。當(dāng)伴生氣含硫量高，對吸收劑富液再生負(fù)荷要求很高時，僅用沉降槽沉降再生吸收劑富液達(dá)不到要求，此時采用再生超重力機(jī)進(jìn)行再生補(bǔ)償，達(dá)到吸收劑富液再生要求。

在用沉降-再生氧化槽進(jìn)行沉降-再生時，由閃蒸罐過來的富液通過泵打進(jìn)沉降槽第1室內(nèi)，在沉降槽前4室內(nèi)與空氣充分反應(yīng)，吸收劑被氧化再生，其中硫單質(zhì)在最后一室進(jìn)行沉降，沉積在沉降槽底部；而上部再生好的吸收劑貧液通過泵再次進(jìn)入脫硫系統(tǒng)，沉積在沉降槽底部的硫磺漿通過硫磺漿泵進(jìn)入硫磺顆粒分離系統(tǒng)。

當(dāng)需再生超重力機(jī)進(jìn)行再生時，由閃蒸罐過來的富液通過泵打進(jìn)沉降槽第2室內(nèi)，在第5室硫單質(zhì)進(jìn)行沉降，沉積在沉降槽底部；則上部吸收劑清液通過泵進(jìn)入再生超重力機(jī)與空氣充分接觸反應(yīng)，使吸收劑達(dá)到再生要求，再生的吸收劑貧液進(jìn)入再生平衡罐，通過泵打入沉降槽第1室內(nèi)，再由泵從沉降槽第1室將再生好的貧液輸送到脫硫系統(tǒng)與原油伴生氣反應(yīng)。再生平衡罐上方直接連通到氣體出口再生氣液分離罐，防止吸收劑夾帶空氣進(jìn)入再生平衡罐，同時起到平衡壓力的作用。再生超重力機(jī)反應(yīng)后的氣體由出口進(jìn)入再生氣液分離罐，脫除夾帶的藥劑后放空到安全管線中，分離液由氣液分離罐底部進(jìn)入再生平衡罐。

1.1.3 硫磺顆粒分離單元

硫磺顆粒分離系統(tǒng)的作用在于將產(chǎn)生的單質(zhì)硫與絡(luò)合鐵吸收劑分離，同時將絡(luò)合鐵吸收劑循環(huán)使用，降低成本。本系統(tǒng)為轉(zhuǎn)鼓過濾機(jī)系統(tǒng)，主要裝置包括真空轉(zhuǎn)鼓過濾機(jī)、真空泵、真空罐、氣液分離器和空冷器。

1.2 工藝特點(diǎn)

1）利用高硫容量的吸收劑，在超高傳質(zhì)效率的超重力機(jī)中進(jìn)行硫化氫的吸收氧化和吸收劑的再生過程。物料在設(shè)備內(nèi)的滯流時間極短，約為10-2～10-3s；易于操作，易于開停車，可在數(shù)分鐘內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)[5]。

2）采用沉降槽有利于液固的分離，且因直接生成硫磺，不存在二次污染問題。

3）超重力法脫硫，傳質(zhì)強(qiáng)度高，可大幅度地減少設(shè)備的體積，降低設(shè)備投資，大幅度增強(qiáng)傳遞效應(yīng)；使用改進(jìn)的鐵基脫硫劑，氣液在高速旋轉(zhuǎn)中接觸脫硫，脫出精度高，脫硫效率99%以上[6]。

4）占地小，投資適當(dāng)，處理量大，即使工況大范圍變化，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和藥劑流量依然能夠達(dá)到要求。受原料氣含硫量的影響很小，不受CO2濃度的影響。

5）將靜態(tài)沉降-氧化再生法脫硫藥劑再生和超重力脫硫藥劑再生結(jié)合使用，提高藥劑的再生利用，減少消耗量。

2 項(xiàng)目實(shí)施過程中的問題及優(yōu)化改造

2.1 填料床堵塞問題

建造初期未考慮高含硫化氫的伴生氣通過超重力機(jī)后，產(chǎn)生的大量硫磺對于金屬附著性較強(qiáng)，在為了增加傳質(zhì)效率的基礎(chǔ)上，填料床的孔隙度不可以太大，這樣大大增加了填料床堵塞的可能性；當(dāng)填料床堵塞時，超重力機(jī)將失去脫硫的作用，且不易清洗。因此，預(yù)計在脫硫平衡罐的入口處增加預(yù)混器，使預(yù)混器的脫硫效率在80%以上，確保超重力機(jī)內(nèi)產(chǎn)生的硫磺隨藥劑一同流出，降低填料床堵塞的概率。在與建造廠家積極協(xié)商，充分利用脫硫撬的空間，并在實(shí)驗(yàn)室模擬該設(shè)備的最小尺寸后，確定了預(yù)混器的外形尺寸及結(jié)構(gòu)（圖2）。在試運(yùn)行時，預(yù)混器的進(jìn)出口伴生氣中硫化氫的體積分?jǐn)?shù)分別為35 000×10-6和1600×10-6，脫硫效率在90%以上，大大降低了超重力機(jī)堵塞的概率。

圖2 預(yù)混器結(jié)構(gòu)

2.2 脫硫劑再生效率

脫硫藥劑成本較高，在設(shè)計之初，僅考慮改進(jìn)的LO-DES法再生或者超重力機(jī)再生就可以滿足藥劑再生的需求。為了確保藥劑再生效率，合理利用優(yōu)化脫硫工藝流程，多方論證認(rèn)為將兩種藥劑再生方式串聯(lián)是可行的。對流程的改動較小，只需要將富液進(jìn)入第五室的接口改到進(jìn)入第二室即可，富液通過沉降槽的再生后，進(jìn)入超重力機(jī)再生，再生好的貧液進(jìn)入沉降槽第一室（圖3），通過貧液泵增壓去脫硫超重力機(jī)脫硫（圖4），可100%確保脫硫藥劑的再生效率。

2.3 容器底部硫磺堆積

考慮到硫磺對金屬的附著性，幾個儲存富硫液的容器都有硫磺堆積的可能性，如果硫磺堆積量較大時，還可能繼續(xù)影響下游設(shè)備。一旦出現(xiàn)堆積問題，就需要停止設(shè)備運(yùn)行，進(jìn)行清理，影響設(shè)備的運(yùn)行時間。因此，在脫硫平衡罐、再生平衡罐的底部和側(cè)面加裝預(yù)留接口（圖5），可以通過氮?dú)饣蛘叩诰€吹掃、清洗硫磺，解決硫磺的堆積問題。

圖3 藥劑再生流程

圖4 伴生氣脫硫流程

在沉降槽的錐形部位，加裝氮?dú)獯祾吖芫€，通過PLC控制開關(guān)閥自動進(jìn)氮?dú)獯祾?，防止硫磺在錐形容器壁堆積，影響硫磺的沉降。在離心泵的進(jìn)口安裝預(yù)留接口，沖洗堆積在離心泵流道內(nèi)的硫磺，使整個系統(tǒng)的硫磺堵塞問題得到有效解決。

圖5 脫硫平衡罐

3 項(xiàng)目運(yùn)行階段的問題及優(yōu)化改造

1）來自壓縮機(jī)的含硫伴生氣首先進(jìn)入酸性氣體過濾器，除去伴生氣中所含雜質(zhì)，包括大分子烴類物質(zhì)、游離水及固體雜質(zhì)，并起到穩(wěn)流作用。脫除雜質(zhì)的伴生氣進(jìn)入預(yù)混器，與絡(luò)合鐵吸收劑反應(yīng)除去伴生氣中大部分的硫化氫，帶有硫磺的吸收劑進(jìn)入脫硫平衡罐。調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，這一水平管段易發(fā)生硫磺堆積堵塞，造成預(yù)混器壓差過大，從而使壓縮機(jī)電流持續(xù)在高位運(yùn)行，甚至出現(xiàn)過載關(guān)停。將預(yù)混器至脫硫平衡罐現(xiàn)有3 in（1 in=25.4 mm）管線改造為4 in管線，并局部改變工藝布局，將預(yù)混器的位置移動到盡量靠近脫硫平衡罐的正上方，從而減小了硫磺在管段中堆積的概率。

2）沉降罐T-3110底部易發(fā)生硫磺堆積堵塞，使硫磺漿泵P-3111供液不足，破壞硫磺回收系統(tǒng)的正常運(yùn)行，造成系統(tǒng)被迫停車。沉降罐底部至P-3111進(jìn)口的4 in管線加裝2 in沖洗管線，利用貧液泵P-3110的高壓頭（12～13 kg/cm2）定期對沉降罐T-3110底部進(jìn)行反沖洗，有效避免了沉降罐底部硫磺堵塞。

3）富液（Fe2+）在沉降罐T-3110中與空氣充分接觸，氧化生成貧液（Fe3+），多余的氣體通過放空管線放空；由于沉降罐中的藥劑溫度在50℃左右，盡管沉降罐氣出口設(shè)置有捕霧器，但放空氣體仍會將一部分藥劑夾帶出去，造成藥劑的浪費(fèi)。在沉降罐T-3110的放空管線上加裝“U”型管段并安裝隔離閥，平時保持隔離閥在一定開度，從而及時將放空氣體中夾帶的藥劑回收，一定程度上節(jié)約了藥劑成本。

4）沉降罐T-3110內(nèi)部加熱器在脫硫撬初始啟動時，或者周圍環(huán)境溫度出現(xiàn)變化時，會影響沉降罐內(nèi)藥劑溫度，致使藥劑達(dá)不到再生所需要的最佳溫度（48～52℃）；況且沉降罐規(guī)格為高約6 m，直徑3 m，儲存大量藥劑，這對整個脫硫撬處理效果不利。更換新電加熱器。由于沉降罐內(nèi)部空間限制，以及安裝法蘭端面尺寸限制，新電加熱器尺寸規(guī)格需跟原電加熱器保持一致，功率增加到50 kW，能夠有效應(yīng)對環(huán)境及生產(chǎn)流程變化，使藥劑保持在最佳溫度范圍內(nèi)，一定程度上提高了系統(tǒng)的運(yùn)行時率。

5）通過對沉降槽進(jìn)罐檢查，發(fā)現(xiàn)沉降槽內(nèi)部罐壁沒有硫磺堆積，只是在沉降槽錐部存在大量的硫磺，說明硫磺堆積風(fēng)險在錐部，而且只有當(dāng)硫磺漿排不出去的時候，使硫磺在沉降槽錐部結(jié)塊而堵塞。對沉降罐內(nèi)部進(jìn)行改造，將氮?dú)獯祾叻较蚋臑榍邢颍叶际峭较蛐毕蛳?，不但增大了單個吹掃閥對沉降槽罐壁面積的吹掃，更重要的是使罐壁附近的硫磺漿產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，增大了沉降罐的處理能力，也減小了堵塞的風(fēng)險。

4 效果及效益

本項(xiàng)目主要是回收伴生氣，綜合利用于蒸汽鍋爐。在項(xiàng)目投用后，效果及效益明顯：

1）降低了原油消耗，減少了伴生氣排放，回收了硫磺。

2）每年脫出硫磺254 t，減少排放天然氣量493×104m3，節(jié)省原油4900×104m3，節(jié)能量達(dá)到7198 t標(biāo)煤。

3）通過安裝、調(diào)試及使用后，根據(jù)實(shí)際問題對脫硫系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造，使整套系統(tǒng)的運(yùn)行更加穩(wěn)定，藥劑使用量降低，處理伴生氣消耗5.2 mL/m3脫硫藥劑，設(shè)備運(yùn)行時率進(jìn)一步提高。

[1]汪家銘.超重力脫硫技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用[J].天然氣化工：C1化學(xué)與化工，2011（3）：69.

[2]劉杰，梁作中，侯瑞，等.超重力藥劑循環(huán)脫除海洋平臺天然氣中硫化氫中試研究[J].能源化工，2015（5）：68-70.

[3]冷繼斌.超重力氧化還原法用于天然氣脫硫的研究[D].北京：北京化工大學(xué)，2007.

[4]于召洋，李振虎，郭鍇，等.超重力技術(shù)在脫硫液再生中的探索性研究[J].化學(xué)工業(yè)與工程技術(shù)，2007，28（2）：10-12.

[5]邱尚煌，劉有智，韓江則，等.超重力環(huán)境下選擇性脫除氣體中的硫化氫的工藝研究[J].天然氣化工：C1化學(xué)與化工，2011（1）：30-33.

[6]舒煉，賴治屹，吳旭.高含硫天然氣脫硫工藝概況[J].化工生產(chǎn)與技術(shù)，2012，19（3）：36-38.

10.3969/j.issn.2095-1493.2017.04.009

2017-01-22

（編輯 張興平）

郭偉，工程師，2003年畢業(yè)于中國海洋大學(xué)（海洋技術(shù)專業(yè)），從事海洋平臺管理和油氣田工藝技術(shù)研究，E-mail：guowei3@cnooc.com.cn，地址：天津市塘沽區(qū)萬通上北新新家園63-2-903，300459。