流花油田伴生氣脫硫回收利用研究

張 斌

(中海油能源發(fā)展邊際油田開(kāi)發(fā)項(xiàng)目組 天津300457)

流花油田伴生氣脫硫回收利用研究

張 斌

(中海油能源發(fā)展邊際油田開(kāi)發(fā)項(xiàng)目組 天津300457)

介紹了伴生氣脫硫的方法，遴選出適合流花油田南海“勝利號(hào)”生產(chǎn)儲(chǔ)油輪(FPSO)伴生氣系統(tǒng)脫硫的方案。通過(guò)分析對(duì)比，推薦使用超重力脫硫方案。超重力脫硫的優(yōu)點(diǎn)是增強(qiáng)了傳質(zhì)過(guò)程，整個(gè)設(shè)備占地面積小，相對(duì)于塔式設(shè)備高度較低，非常適合在海上平臺(tái)、FPSO和船舶上使用。作為首個(gè)在海上應(yīng)用的伴氣氣脫硫裝置，該研究為今后海洋石油平臺(tái)類(lèi)似伴生氣脫硫積累了經(jīng)驗(yàn)，具有一定的參考價(jià)值。

超重力 脫硫 伴生氣 FPSO

0 引 言

中海石油(中國(guó))有限公司深圳分公司流花作業(yè)區(qū)，位于香港東南200,km左右的南海東部海域。流花油田共有兩個(gè)海上設(shè)施，即南?！疤魬?zhàn)號(hào)”平臺(tái)和南海“勝利號(hào)”生產(chǎn)儲(chǔ)油輪(FPSO)。流花11-1油田生產(chǎn)的原油經(jīng)水下生產(chǎn)管匯系統(tǒng)收集并輸送至南?！皠倮?hào)”FPSO處理，2012年流花4-1油田投產(chǎn)后，其物流也送至“勝利號(hào)”FPSO處理。目前，F(xiàn)PSO處理系統(tǒng)的三相分離器和電脫水器分離出的油田伴生氣均送至火炬系統(tǒng)放空燃燒，伴生氣中H2S含量較高。為提高流花油田資源利用當(dāng)量，對(duì) FPSO系統(tǒng)油田伴生氣實(shí)施脫硫凈化回收，改造了現(xiàn)有鍋爐，以燒伴生氣替代原油，實(shí)現(xiàn)了 FPSO系統(tǒng)節(jié)能減排、降耗增效的目標(biāo)。

1 工程背景

流花油田現(xiàn)有兩臺(tái)熱介質(zhì)鍋爐，主要原料是處理合格的原油。油田伴生氣放空量為 2×104～3×104,Sm3/d。流花 4-1油田投產(chǎn)后，根據(jù)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)最大達(dá)到 5.7×104,Sm3/d。由于伴生氣中H2S含量很高，最高超過(guò)了1×104,m L/m3，現(xiàn)有的大量伴生氣無(wú)法利用，同時(shí)鍋爐每年消耗原油約 5,400,m3，造成了資源的極大浪費(fèi)。因此，有必要回收利用這部分伴生氣，以節(jié)約原油。

2 主要技術(shù)數(shù)據(jù)

根據(jù)本項(xiàng)目的整體實(shí)施思路(見(jiàn)表1)，后期預(yù)計(jì)增加伴生氣發(fā)電機(jī)，產(chǎn)品氣質(zhì)量需達(dá)到伴生氣發(fā)電機(jī)要求。根據(jù)伴生氣發(fā)電機(jī)要求，產(chǎn)品凈化氣H2S含量要求≤20,mg/m3，同時(shí)也滿(mǎn)足鍋爐的使用要求?？紤]到流花 4-1油田投產(chǎn)后，產(chǎn)氣量可能會(huì)有所增加，伴生氣處理量應(yīng)設(shè)置為 3.5×104,Sm3/d，同時(shí)為后期產(chǎn)量的增加預(yù)留相關(guān)接口。

3 流花油田伴生氣回收利用方案

3.1 伴生氣脫硫的主要方法

脫除伴生氣中的硫化物的方法較多，一般分為濕法脫硫和干法脫硫兩大類(lèi)。

3.1.1 濕法脫硫

濕法脫硫是采用溶液吸收的方法進(jìn)行脫除，根據(jù)其吸收和再生性質(zhì)，又可分為物理吸收法、化學(xué)吸收法和物理化學(xué)吸收法。①物理吸收法是利用 H2S在溶液中的溶解度性質(zhì)，通常在加壓條件下吸收，減壓、加壓或氣提解吸將 H2S釋放出來(lái)，并使溶液再生。在吸收過(guò)程中不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。常用的物理吸收法有水洗法、甲醇法等。②化學(xué)吸收法是利用在吸收過(guò)程中某種化學(xué)反應(yīng)達(dá)到消除 H2S的目的，這類(lèi)方法有較好的凈化效果和較好的選擇性。在化學(xué)吸收中，利用H2S溶液具有酸性和還原性的特點(diǎn)，又可分為中和法和氧化法。中和法是利用 H2S溶液的酸性，采用堿性吸收劑來(lái)吸收。從經(jīng)濟(jì)角度考慮，欲使吸收劑可以再生后使用，必須選擇能與H2S發(fā)生可逆反應(yīng)的弱堿為吸收劑。常用的堿性吸收劑有NaHCO3溶液、氨水和各種烷基醇胺等。氧化法首先利用堿性溶液吸收 H2S，然后借溶液中載氧體的催化作用把被吸收的 H2S轉(zhuǎn)化為元素S，使溶液獲得再生。常用的氧化法有氨水催化法、改良 ADA法、栲膠法等。③物理化學(xué)吸收法是化學(xué)吸收法和物理吸收法的綜合，如環(huán)丁法等。

表1 流花油田伴生氣組份及伴生氣氣量Tab.1 Com position and volume of associated gas in the LiuHua oilfield

3.1.2 干法脫硫

干法脫硫采用固體脫硫劑來(lái)脫除硫化物。干法脫硫最早采用的是 Fe(OH)3法和活性炭法。但近代化學(xué)合成工業(yè)常用干法脫硫作為脫除有機(jī)硫和精細(xì)脫硫的一種手段，如 Fe2O3法、ZnO法、鈷鉬加氫法和分子篩法等。

3.2 流花油田伴生氣脫硫方案選擇

干法脫硫多用于精細(xì)脫硫，整個(gè)脫硫設(shè)備及填料的更換占地面積較大，不適合本項(xiàng)目的要求。而氨水催化法、改良ADA法、改良PDS法、LO-DES法、栲膠法等濕法脫硫，雖在陸地上都已成熟應(yīng)用，但其設(shè)備占地面積大，且多用較高的塔式設(shè)備，考慮到 FPSO的操作環(huán)境始終處于搖晃或顛簸狀態(tài)，塔式設(shè)備的操作不易穩(wěn)定，且過(guò)高的設(shè)備對(duì) FPSO的穩(wěn)定性也會(huì)產(chǎn)生影響。

綜合各種脫硫方法的特點(diǎn)，本項(xiàng)目推薦采用超重力脫硫法，該方法屬于濕法脫硫的一種，由于使用了體積較小的超重力機(jī)替換傳統(tǒng)的塔式設(shè)備，此方法具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：①傳質(zhì)強(qiáng)度高，可大幅度減少設(shè)備體積，降低設(shè)備投資，增強(qiáng)傳遞效應(yīng)；②采用改進(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，脫硫效率達(dá) 99%以上；③物料在設(shè)備內(nèi)的滯流時(shí)間短，僅為 10-2～10-3s；④易于操作，易于開(kāi)停車(chē)，可在數(shù)分鐘內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；⑤不易發(fā)泡，填料不易堵塞，維修方便，填料易于更換，且填料價(jià)格便宜；⑥不受震動(dòng)與顛簸的影響，安裝要求簡(jiǎn)單，可垂直、水平或任意方向安裝，適用于海上石油平臺(tái)、船舶等；⑦占地小，投資適當(dāng)，處理量大，即使工況大范圍變化，通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和藥劑流量依然能夠達(dá)到要求，且受原料氣含硫量的影響較小(見(jiàn)圖1)。

圖1 超重力脫硫系統(tǒng)流程圖Fig.1 Flow chart of high gravity desulfurization system

3.3 流花油田伴生氣超重力脫硫方案

3.3.1 流程概述

來(lái)自 FPSO三相分離器和電脫水器的含 H2S伴生氣，經(jīng)過(guò)入口緩沖分液罐，分離出液相后由超重力脫硫機(jī)的氣相進(jìn)口進(jìn)入超重力脫硫機(jī)內(nèi)，與脫硫液逆流接觸，在超重力的作用下，將氣體中的 H2S脫除至小于 20 mg/m3。脫硫后的伴生氣由超重力脫硫機(jī)的氣相出口排至出口緩沖分液罐緩沖，成為凈化氣，送至用戶(hù)。

3.3.2 流程圖(見(jiàn)圖1)

3.3.3 伴生氣脫硫原理

使用脫硫劑溶液脫除氣體中的硫，脫硫劑中包括絡(luò)合鐵、消泡劑、穩(wěn)定劑、NaHCO3等化學(xué)藥劑，這些化學(xué)藥劑屬于粉劑，反應(yīng)的基本原理如下：

① 堿液吸收含硫原料氣中的H2S到液相：

Na2CO3＋H2S→NaHS＋NaHCO3

② Fe3+＋與HS-反應(yīng)生成單質(zhì)硫：

Fe3+＋(絡(luò)和態(tài))＋HS-→Fe2＋(絡(luò)和態(tài))＋S↓＋H+

③ 再生塔中通入空氣將Fe2＋氧化成Fe3＋，脫硫液再生：

4Fe2＋(絡(luò)和態(tài))＋O2＋2H2O→4Fe3＋(絡(luò)和態(tài))＋4OH-

④ 總反應(yīng)：

2H2S＋O2→2S↓＋2,H2O脫硫溶劑在超重力脫硫機(jī)中吸收了 H2S之后成為含有大量硫的富硫液，富硫液在富硫液緩沖罐內(nèi)緩沖，加入沉降藥劑后進(jìn)入超重力再生機(jī)，并通入O2(空氣)進(jìn)行脫硫溶劑的再生，以避免污染環(huán)境和浪費(fèi)脫硫劑，同時(shí)在超重力再生機(jī)內(nèi)被 O2氧化成硫單質(zhì)，這些硫單質(zhì)處于硫末的狀態(tài)。再生之后，富硫液中硫的含量大大減少，成為貧硫液，從超重力再生機(jī)的底部流出，由沉降液提升泵輸送到沉降罐中進(jìn)行沉降分離，分離出的含硫較高的液體從沉降罐的底部進(jìn)入下一級(jí)的離心分離機(jī)以分離出濃縮的硫單質(zhì)。在沉降罐中分離出的上層清液和離心分離機(jī)分離出的稀液由于富含脫硫劑，被送至貧液罐回收，并加入新鮮的吸收藥劑(包括絡(luò)合鐵、殺菌劑、消泡劑、NaHCO3、去離子水等)實(shí)現(xiàn)了脫硫溶液的再生。最后，使用貧液泵將再生后的脫硫溶液送回至超重力脫硫劑循環(huán)使用。

3.3.4 硫單質(zhì)回收

硫磺的理論回收量計(jì)算：

R0——硫磺的理論回收量，kg/d；

G——原料氣的氣量，Sm3/d；

g1——原料氣中硫化氫含量，g/ Sm3；

g2——凈化后氣體中的H2S含量，g/ Sm3；

32——S元素的相對(duì)原子質(zhì)量；

34——H2S的相對(duì)原子質(zhì)量。

通過(guò)計(jì)算，流花油田伴生氣經(jīng)過(guò)脫硫處理，回收的硫磺最大產(chǎn)量為350 kg/d。離心分離機(jī)濃縮得到的單質(zhì)硫約有20%的含水量，暫時(shí)考慮裝在 2 m3的玻璃鋼罐內(nèi)，定期返回陸地處理。

4 結(jié) 論

超重力脫硫法通過(guò)優(yōu)化氣液接觸的環(huán)節(jié)，從很大程度上減小了設(shè)備尺寸，對(duì) FPSO的穩(wěn)定性影響較小。該方法通過(guò)改變脫硫液的循環(huán)量，使裝置具有較大的操作彈性。實(shí)際裝置為閉式循環(huán)，減小了運(yùn)行過(guò)程H2S氣體對(duì)環(huán)境的影響。由于在超重力機(jī)中 H2S氣體和液體的接觸時(shí)間極短，減小了對(duì)設(shè)備的腐蝕。本項(xiàng)目回收利用伴生氣，減少了原油消耗及伴生氣的排放，回收了硫磺，具有較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。作為首個(gè)應(yīng)用在海上的伴生氣脫硫裝置，項(xiàng)目的成功運(yùn)行對(duì)今后類(lèi)似項(xiàng)目的研究與應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值?！?/p>

［1］ 《海洋石油工程設(shè)計(jì)指南》編委會(huì). 海洋石油工程設(shè)計(jì)概論與工藝設(shè)計(jì)[M]. 北京：石油工業(yè)出版社，2007.

［2］ 馬慧明，陳萍，蔡曉霞，等. 位組胺超重力脫硫技術(shù)評(píng)述[J]. 河南化工，2010，27(5)：21-23.

［3］ 王劍，張曉萍，李恩田，等. 天然氣脫硫技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J]. 常州大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，25(3)：23-27.

Desulfurization and Recycle of Associated Gas in LiuHua Oilfield

ZHANG Bin
(CNOOC Energy Development Marginal Field Development Project Team，Tianjin 300457，China)

Desulfurization methods of oilfield associated gas were introduced and suitable desulfurization schemes for the Victory FPSO in LIUHUA oilfield in South China Sea were selected out. Through comparison and analysis，a high gravity desulfurization solution was recommended as this scheme enhances the mass transfer process，decreases whole block size，erects lower than normal tower equipment and is very suitable for applications in offshore platforms，F(xiàn)PSOs and ships. This study，as the first offshore application of an associated gas desulfurization device，accumulates experience for similar desulfurization projects in the future and has a certain reference value.

high gravity；desulfurization；associated gas；FPSO

TE992.1

：A

：1006-8945(2015)03-0051-03

2015-02-09