氣井絡合鐵脫硫熱能利用與工藝優化

楊錦林 聶嵐 趙凱 張文忠

1中國石化西南油氣分公司采氣一廠

2中國石化工程設計有限公司

彭州氣田海相含硫氣井YS1井試采工程采用絡合鐵脫硫工藝，工藝流程復雜、設備眾多，開井難度大。井口天然氣經過四級節流后其壓力降到2.4 MPa，原料氣進入脫硫塔脫出H2S，脫硫塔產生的富液進入溶液再生與硫磺回收系統。一方面天然氣節流降壓過程需要吸收大量熱能，引起天然氣溫度下降，并產生水合物堵塞，因此流程中設計了功率為1 000 kW 水套加熱爐提供額外的熱能補償。同時，為預防井口節流降壓吸收熱能過程中水合物堵塞，在井口加注甲醇，降低水合物形成溫度，預防產生水合物。另一方面在脫硫和富液再生過程中，會產生大量的化學反應熱，引起溶液體系溫度升高，化學反應的最佳溫度為45～53 ℃，持續升溫不利于溶液再生，因此流程中設計了循環冷卻水系統，降低溶液體系的溫度。目前，YS1井試采工程未將節流降壓產生的冷源和脫硫過程及富液再生過程產生的熱源充分利用，既浪費了工藝本身產生的能源，又增加了投資運行成本，因此本文提出了能源綜合利用的裝置優化方案及工藝流程優化方案，分別利用工藝本身的熱源和冷源，進行系統各節點的溫度控制，從而降低脫硫工藝能耗，達到經濟開采含硫天然氣的目的。

1 工藝過程能量計算

YS1井工藝流程復雜、設備眾多，工藝過程涉及的能量主要在井口節流降壓過程和天然氣脫硫過程，YS1 井絡合鐵脫硫工藝流程如圖1 所示。井口節流降壓過程分四級節流，水套爐前節流壓差大，極易形成水合物，為防止地面堵塞，通過甲醇加注橇向井口一級節流后的高壓天然氣管道注入甲醇。井口至水套加熱爐三級、四級節流閥之間管道設計壓力等級為39.5 MPa，水套爐盤管采用非抗酸材質，為防止水套爐盤管腐蝕，在水套爐與井口之間增加設計壓力為20.0 MPa的分酸分離器橇塊，分離初期返排酸液，并通過緩蝕劑橇向管道注入緩蝕劑。天然氣脫硫過程主要包含絡合鐵吸收脫硫單元和硫磺沉降回收-氧化再生單元。脫硫工藝吸收和氧化過程釋放的化學反應熱能否滿足天然氣節流降壓過程吸收熱能需求是工藝優化的關鍵。

1.1 節流降壓熱負荷

YS1井井口天然氣在節流降壓過程中需要吸收熱能，該過程需要水套爐提供的熱負荷可根據被加熱介質的流量以及進、出口溫度來確定[1]，公式為

式中：cp為被加熱介質的比熱容，kJ/(kg·K)；Δt為被加熱介質進出口溫差，K；qv為被加熱介質的流量，kg/s。

按照氣井配產制度20×104m3/d，吸收塔控制溫度50 ℃為基礎進行節流降壓過程的熱負荷計算。通過計算可知，井口節流后，通過5級節流可以將30.0 MPa 天然氣降壓至2.0 MPa，所需熱負荷合計340 kW，計算結果如表1所示。

1.2 脫硫工藝化學反應熱

表1 YS1節流工藝熱能負荷需求計算數據Tab.1 Calculation data for heat load requirement of YS1 throttling process

脫硫工藝包括兩部分，一部分是脫硫液體系吸收H2S，一部分是液相體系再生，將富液轉換為貧液，循環使用。吸收和再生過程都釋放出熱量，利用有關化學反應熱計算理論[2-3]可以計算出整個脫硫過程釋放的化學熱。

1.2.1 H2S吸收

吸收塔吸收H2S 生成單質硫磺有3 個放熱過程和1個吸熱過程，其熱化學反應式如下。

1 mol 硫磺生成會有如下反應放熱，此過程熱量由于溶液循環均布于整個系統，吸收塔約占50%，這樣產生1 mol 硫磺在吸收過程放熱111.66 kJ/mol。

根據蓋斯定律，可以計算出試采井5.23%H2S含量，按照20×104m3/d配產，完全吸收H2S，產生約466 964 mol 硫磺，可以釋放化學反應熱5.21×107kJ，約合1.45×104kWh，等效于604 kW水套爐提供的熱量。

1.2.2 溶液再生

溶液再生其實質是鐵離子再生反應，在氧化塔中將Fe2+氧化成Fe3+，過程包括以下兩步。

（1）氧氣溶于水釋放熱量：

（2）亞鐵再生釋放熱量：

綜合上述再生放熱量：

結合硫磺生成熱反應及其在氧化塔中比例，氧化反應再生過程放熱149.2 kJ/mol。由此計算YS1井按照20×104m3/d 配產，完全吸收H2S，產生約466 964 mol硫磺，可釋放化學反應熱6.97×107kJ，約合1.94×104kWh，等效于808 kW 水套爐提供的熱量。

通過上述計算可知，脫硫工藝吸收和氧化過程全天釋放的化學反應熱為3.39×104kWh，等效于1 412 kW水套爐提供的熱量，遠高于天然氣節流降壓過程所需熱負荷340 kW，脫硫工藝過程釋放的化學反應熱能夠滿足站場節流降壓對熱能的需求，因此可對YS1井工藝裝置及流程進行優化改造，減少熱能的浪費。

2 熱能利用裝置

熱能回收利用在油氣田已經有初步的應用[4]，最常用的方法是利用高效換熱器回收熱量用于加熱產出液及天然氣。將當前各種強化傳熱技術[5-7]與絡合鐵脫硫工藝的反應塔、水套加熱爐結合，可以實現化學反應熱降溫需求與氣井節流降壓加熱需求互補性綜合利用。以YS1井工藝裝置為改進對象，可以通過以下三個途徑實現：①改進吸收塔為吸收換熱塔；②改進氧化塔為氧化換熱塔；③調整水套加熱爐的換熱介質，水套加熱爐變成貧液換熱器。

2.1 吸收換熱塔

在絡合鐵脫硫吸收塔（圖2a）中，泵入塔內的脫硫貧液和天然氣中的H2S發生化學反應，此反應為放熱過程。在脫硫吸收塔內增加高壓直通天然氣的螺紋管作為換熱盤管，就將YS1脫硫吸收塔轉變成吸收換熱塔（圖2b），利用吸收H2S 與生成硫磺釋放的化學熱〔化學式（4）〕對天然氣加熱，在各級換熱盤管出口增加節流閥進行節流降壓。通過多級節流，將高壓天然氣降至工藝設計處理壓力，進入分離器，分離含硫天然氣中游離水后再進入流量分布器，與進入吸收換熱塔的富液充分接觸，吸收天然氣中的H2S氣體，凈化后天然氣從吸收換熱塔頂部輸出，富含H2S/硫磺的富液從底部流出，進入富液再生流程。

由于節流效應吸收大量的熱量，有利于吸收塔內溶液體系溫度控制在50～53 ℃的最佳溫度范圍。

圖2 絡合鐵脫硫工藝吸收塔結構優化示意圖Fig.2 Structure optimization diagram of absorption tower for complex iron desulfurization process

2.2 氧化換熱塔

富液再生變成貧液是在氧化塔中完成的。脫硫劑富液依次進入一級和二級氧化塔，羅茨鼓風機將空氣增壓鼓入氧化塔，將Fe2+氧化成Fe3+實現溶液再生。再生后的脫硫劑貧液經貧液循環泵泵入吸收塔循環利用。YS1 氧化塔如圖3 所示由5 列10 個氧化塔組成，每列氧化塔又包括一級、二級氧化塔，每個塔高12 m，塔直徑3 m。

圖3 溶液再生系統結構示意圖Fig.3 Structure schematic diagram of solution regeneration system

圖4 氧化換熱塔結構示意圖Fig.4 Structure schematic diagram of oxidation heat exchanger tower

將圖3所示氧化塔優化為氧化換熱塔，只需要在氧化塔內布設圖4 所示的換熱螺紋盤管，塔內50 ℃左右的液體對天然氣“水浴”伴熱后，天然氣溫度上升，出塔后節流適當降壓，再進入第二列氧化換熱塔，依次通過所有氧化換熱塔。在氧化換熱塔內，富液再生化學反應釋放熱能作為熱源，對節流后低溫天然氣加熱，避免節流后產生水合物。各級節流后的低溫天然氣作為冷源，吸收再生溶液化學熱，將溶液體系溫度控制在50～53 ℃最佳范圍內，保證溶液再生效果。

2.3 貧液水套加熱爐優化

水套加熱爐優化，主要是將水套爐的水浴介質改為氧化塔再生后的貧液，讓氧化塔再生后溫度較高的貧液作為熱交換介質，經過熱交換后再經貧液泵泵入吸收塔，吸收H2S氣體。

3 工藝流程與平面布局優化

YS1 采氣集輸部分（圖5）工藝復雜，主要是因為氣井投產后相當長時間內（6個月左右）都會間斷地返排出井下作業過程中進入地層的殘酸。返排的殘酸對水套加熱爐盤管有腐蝕性，因此在進入水套加熱爐前增加耐酸腐蝕的臨時分酸分離器分離返排的殘酸，并在分酸分離器后加注緩蝕劑，保護水套爐盤管不被腐蝕。分酸分離器壓力等級有限，因此需要在進入分酸分離器前將壓力降至18 MPa以下，降壓幅度超過30 MPa。降壓引起的天然氣膨脹，需要吸收大量熱能，會形成水合物，引起管道堵塞，帶來超壓、甚至爆管風險，因此又在井口節流之后增加甲醇加注工藝，預防水合物生成。根據上述分析可以看出，工藝流程復雜的原因主要有兩點，一是水套爐盤管材質不耐酸腐蝕，二是管道設計壓力低，可能超壓。基于上述分析，對水加熱爐盤管及爐前管道設計壓力提升至大于或等于井口最高壓力，并且統一采用INCOLLOY 825材質的抗酸、抗硫管道，采氣集輸工藝可以優化為圖6所示工藝路線。

圖5 YS1絡合鐵脫硫工藝采氣集輸部分工藝流程示意圖Fig.5 Process flow diagram of gas gathering and transportation part of YS1 complex iron desulfurization process

圖6 壓力等級、盤管材質、工藝流程優化示意圖Fig.6 Pressure grade，coil material，and process flow optimizing diagram

與圖5相比，優化后工藝流程減少了甲醇加注橇、井口BDV 放空閥、井口二級節流、分酸分離器、緩蝕劑加注橇5 個部分，不僅工藝路線簡單，而且由于加熱爐前不再節流，超壓與堵塞的風險降低，操作可靠性更高。

通過上述熱能綜合利用之后，站場加熱、冷卻系統會發生變化，因此工藝技術路線和平面布局都可以進行優化。平面布置原則上將涉硫天然氣工藝流程區作為整體布置在全年最小頻率風向的上風向，地層水儲罐設置在靠近進場道路附近，便于地層水處理與運輸。由于利用脫硫吸收塔放熱反應與溶液再生氧化塔放熱反應作為熱源保證節流降壓所需熱能，站場不再布置水套加熱爐。與YS1井現有平面布局相比，消除了含H2S流程區與凈化氣流程區、公用工程區交織現象，提升了生產過程運行安全性，同時天然氣、富液、貧液工藝路線清晰、簡單明了。

4 現場應用效果分析

YS1井通過上述熱能裝置改造優化及工藝流程優化后，取得了以下兩方面的效果（表2）：

（1）降低工藝資源消耗負荷。根據前述分析，YS1氣井絡合鐵脫硫工藝優化后，一方面可取消水套加熱爐，減少水套爐燃料氣消耗2 400 m3/d；另一方面減少循環冷卻水量及相應動力設備功率和數量，降低站場供水供電系統負荷。根據計算，冷卻循環系統熱負荷由1 412 kW 降低到1 072 kW，循環水量可以由原來的250 m3/h 減少到190 m3/h，減少24.1%（循環冷卻水進口32 ℃，出口40 ℃計算）；與此相關的泵數量、循環水管道工程量也減少，電力負荷降低約30 kW。

表2 YS1井絡合鐵脫硫工藝優化效果Tab.2 Optimization effects of complex iron desulfurization process of Well YS1

（2）節約用地。氣井采氣集輸工藝部分由于取消水套加熱爐、甲醇加注橇、井口BDV 放空閥、井口二級節流閥、分酸分離器、緩蝕劑加注橇5項工藝裝置，此外冷卻循環水負荷降低，可以減少部分裝置，預計可以減少用地300 m2；整套工藝裝置沒有明火火源，與此相關的防火安全間距[8-9]發生變化，預計還可節約用地100 m2。除此以外，工藝簡化，橇塊數量優化，減少高等級特殊材質管道，降低水耗、電耗和燃料氣自耗，實現甲醇、緩蝕劑零消耗等，可以節約數千萬建設投資與運行費用。

5 結論

（1）熱化學反應理論與節流降壓理論計算表明，絡合鐵脫硫工藝釋放化學反應熱大于氣井節流降壓的熱能補償需求，可以加以利用。

（2）工藝裝置優化和平面布置優化可行，并且能有效節約加熱裝置、換熱裝置、冷卻循環水等的工程量和設備數量，降低各種資源消耗和化學劑消耗，節約建設與運行期間相關費用。

（3）提高高壓管道壓力等級、合理選用吸收塔前的管道材質，可以極大地簡化工藝流程，并且提高生產運行可操作性，降低事故風險。