簡(jiǎn)易井口平臺(tái)濕氣脫汞工藝研究

張春娥，趙方生，張 輝，陳 賓，黨 博

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

1 概述

東南亞氣田開發(fā)項(xiàng)目中，部分區(qū)域氣體中發(fā)現(xiàn)汞的存在，且天然氣中汞含量隨著開發(fā)年限延伸，呈現(xiàn)繼續(xù)上升的態(tài)勢(shì)。公開研究數(shù)據(jù)表明，東南亞及我國部分沿海區(qū)域，尤其是南海處于高含汞區(qū)域，個(gè)別區(qū)域汞含量高達(dá)200 μg/m3～2 000 μg/m3。此外，汞的存在往往呈現(xiàn)區(qū)域性特點(diǎn)，即一個(gè)氣田發(fā)現(xiàn)汞，周邊同一區(qū)域氣田隨著開發(fā)深入，也會(huì)檢測(cè)到汞。

汞具有高揮發(fā)性，高毒性，對(duì)人員危害極大。同時(shí)，對(duì)某些金屬有較強(qiáng)的腐蝕性。常規(guī)氣田終端多采用干氣脫汞工藝，即將脫汞設(shè)備放置于天然氣脫水單元下游。但是邊際氣田開發(fā)以井口平臺(tái)居多，如采用干氣脫汞工藝，勢(shì)必導(dǎo)致井口平臺(tái)工藝流程過于復(fù)雜，成本大幅提升。因此，簡(jiǎn)易井口平臺(tái)選擇簡(jiǎn)單、易維護(hù)的濕氣脫汞工藝非常必要。因此，在東南亞以及南海氣田開發(fā)中考慮適當(dāng)?shù)拿摴鞒蹋瑖?yán)格控制天然氣中汞含量十分必要。

2 天然氣脫汞工藝

為了避免天然氣中汞對(duì)下游設(shè)備造成影響，一般要求將天然氣中的汞含量降低至0.01 μg/m3以下。天然氣中分布的汞主要為元素汞，極少量為懸浮汞和離子汞。目前，天然氣脫汞主要分為再生型吸附劑脫汞及非再生型吸附劑脫汞兩大類。

2.1 再生型吸附劑脫汞工藝

再生型吸附劑脫汞工藝是利用了汞歧化原理[1]，也就是單質(zhì)汞與某種金屬(例如銀)發(fā)生歧化反應(yīng)。參與反應(yīng)的金屬被附著在特定的惰性載體上，比如分子篩球形顆粒。文章以專利產(chǎn)品HgSIVTM[2]為例分析再生型吸附劑脫汞的流程。

再生型含汞天然氣進(jìn)入裝有載銀吸附劑HgSIVTM的脫汞塔內(nèi)，氣體中的汞與銀發(fā)生反應(yīng)，得到無汞天然氣，然后進(jìn)入下游處理流程。載銀分子篩吸附汞之后，可利用高溫再生氣加熱，分解吸附劑上吸收的汞，使其氣化后隨再生氣一起由脫汞塔頂部排出，進(jìn)入分離器。汞冷凝為液態(tài)與水一起從分離器底部排出。含汞的廢氣可再經(jīng)過一臺(tái)小的脫汞裝置吸附脫汞后，混入天然氣管線?；蛘撸瑢⒑瘡U氣與燃料氣混合、稀釋至不會(huì)對(duì)下游設(shè)備產(chǎn)生影響后再利用。

經(jīng)此處理流程后，載銀吸附劑HgSIVTM不含汞，可重復(fù)利用，但含汞廢水需特殊處理。另外，平臺(tái)上需要配置高溫再生氣。因此，對(duì)于無人井口平臺(tái)而言，再生型吸附劑脫汞工藝系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜。

2.2 非再生型吸附劑脫汞工藝

非再生型吸附劑脫汞工藝主要是利用化學(xué)吸附原理。汞是親硫物質(zhì)，當(dāng)與硫接觸會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而被從氣體中脫除。主要包括活性炭基吸附劑和金屬硫化物吸附劑兩大類。

(1)活性炭基吸附劑

活性炭基吸附劑如浸硫活性炭，多用于氣田處理廠及液化工廠脫水單元下游，也就是干氣脫汞環(huán)境。脫汞工藝效果比較可靠，成本也相對(duì)較低。但是對(duì)于濕氣脫汞，效果不盡如人意。

活性炭基吸附劑的主要優(yōu)勢(shì)是其內(nèi)部有大量微孔，比表面積大，吸附效果好。但如果將活性炭基吸附設(shè)備布置在工藝流程的上游位置，由于天然氣來自于井口，操作溫度偏低，可能在露點(diǎn)或接近露點(diǎn)的條件下運(yùn)行，導(dǎo)致氣體中夾帶液滴。另外，即使是高溫原料氣，也往往會(huì)夾帶游離水分和烴類等液體。這些都會(huì)導(dǎo)致活性炭吸附劑內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生毛細(xì)管冷凝問題。濕氣中的水分持續(xù)不斷地被吸附進(jìn)活性碳內(nèi)部，堵塞微孔。

活性炭自身與濕氣接觸時(shí)，硫浸活性炭中的硫也會(huì)溶解到水中，與水一起堵塞活性炭微孔，降低有效吸附面積和吸附反映能力。已經(jīng)有吸附劑廠家對(duì)硫浸活性碳吸附劑在濕氣和干氣條件下的脫汞效率進(jìn)行過測(cè)量和比對(duì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在濕氣條件下，吸附劑的脫汞效率僅為4%。而干氣條件下，效率可達(dá)10%以上。

因此，當(dāng)采用活性炭基吸附工藝脫除濕氣中的汞時(shí)，必須增大吸附劑用量，延長接觸時(shí)間，才能滿足脫汞效果。這就導(dǎo)致脫汞裝置的實(shí)際占地面積更大，投資偏高。對(duì)于無人井口平臺(tái)而言，這顯然是不利的。

此外，活性炭中析出的硫，可能會(huì)隨著氣體進(jìn)入下游，而損壞下游設(shè)備。另外，長期使用過程中，活性炭會(huì)產(chǎn)生粉塵問題，因此，通常需要加裝粉塵濾器進(jìn)行攔截。由此導(dǎo)致設(shè)備增加，費(fèi)用上升。

因此，對(duì)于濕氣脫汞，不推薦活性炭基吸附工藝，效率低，裝置壽命無法保證。

(2)金屬硫化物吸附劑

目前，脫汞吸附劑廠家普遍推薦金屬硫化物吸附劑脫汞，吸附劑中的活性成分是金屬硫化物，載體通常為金屬，如氧化鋁。該工藝可以適用于工藝流程中的各個(gè)位置，以及不同的操作溫度范圍，對(duì)于接近露點(diǎn)溫度的工況也同樣適用。

即使氣體中夾帶一定的液滴，該類型的吸附劑也同樣具備一定的適應(yīng)性。通過與UOP、莊信、AXENS等廠家技術(shù)咨詢，目前金屬硫化物吸附劑的使用壽命可滿足10 a以上。當(dāng)初次填裝后，只要進(jìn)入脫汞裝置的流體符合要求，使用得當(dāng)，10 a之內(nèi)基本不需要額外的人員干預(yù)。因此，對(duì)于無人井口平臺(tái)的操作非常有利。但是一旦濕氣中攜帶液滴超過吸附劑規(guī)定值，則受到影響的吸附劑仍然會(huì)發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的損壞。因此，設(shè)計(jì)中，需要考慮控制進(jìn)入脫汞裝置的濕氣氣質(zhì)，同時(shí)吸附劑考慮足夠的余量，以應(yīng)對(duì)后期突發(fā)工況。

相比于浸硫活性炭吸附劑，金屬硫化物吸附劑的硫固定在金屬基體上，不會(huì)溶解或隨氣體進(jìn)入到下游設(shè)備。而且，由于其強(qiáng)度高，也不易形成粉塵，不需要再額外設(shè)置粉塵濾器。流程更加簡(jiǎn)單、可靠。

吸附汞后的金屬硫化物，到達(dá)使用壽命后，由于含有大量汞，因此需要特殊的處置方式。例如，請(qǐng)專業(yè)廠家回收，通過真空蒸餾除汞，然后賣給專業(yè)用戶重復(fù)使用。由于殘留的活性金屬符合金屬回收程序，可通過冶煉進(jìn)行回收然后回銷到市場(chǎng)。

綜合上述分析，金屬硫化物吸附劑相比于活性炭吸附劑更適應(yīng)濕氣脫汞工況，濕氣中攜帶少量烴類或游離液滴仍可正常運(yùn)行。對(duì)于無人井口平臺(tái)而言，采用金屬硫化物吸附脫汞，工藝簡(jiǎn)單，設(shè)備少，易維護(hù)，優(yōu)勢(shì)更加明顯。

3 金屬硫化物吸附脫汞工藝流程及優(yōu)化

理想狀態(tài)下，對(duì)于簡(jiǎn)易井口平臺(tái)，井口產(chǎn)出的濕氣，如能直接進(jìn)入脫汞單元脫汞，然后經(jīng)海管外輸，則既滿足下游流程需要，同時(shí)工藝也最簡(jiǎn)單。但實(shí)際上，即使是東南亞的干氣氣藏，井流中也會(huì)伴有大量游離水。金屬硫化物吸附劑被游離水淹沒時(shí)，會(huì)受到不可逆轉(zhuǎn)的損壞，進(jìn)而縮短使用壽命。因此，脫汞單元對(duì)入口濕氣有一定的技術(shù)要求。

表1為幾個(gè)典型廠家對(duì)濕氣脫汞單元的入口參數(shù)要求。

表1 廠家對(duì)濕氣脫汞單元入口參數(shù)要求Tab.1 Requirements of manufacturers for inlet parameters of moisture demercuration unit

從表1可以看出，為了保證脫汞單元的使用壽命，所有廠家均要求控制脫汞單元入口濕氣的液滴含量和顆粒粒徑。可見，金屬硫化物吸附劑對(duì)于游離液滴和顆粒還是比較敏感的。

因此，工藝流程設(shè)計(jì)需要考慮如下幾點(diǎn)：

(1)必須設(shè)置生產(chǎn)分離器，分離出井流中的大量液體，同時(shí)控制氣相出口攜液量應(yīng)小于0.014 m3液/MMS m3氣。

(2)脫汞單元入口應(yīng)設(shè)置聚結(jié)濾器，處理指標(biāo)應(yīng)至少滿足99.7%以上脫除0.3 μm固體顆粒，攜液量需小于0.01 mg/kg。

(3)過熱加熱器可以不用設(shè)置，因?yàn)闊o人井口平臺(tái)供電緊張，因此可適當(dāng)擴(kuò)大脫汞吸附劑體積。

(4)脫汞單元出口可根據(jù)下游要求考慮是否設(shè)置除塵濾器。

因此，對(duì)于井口平臺(tái)采用非再生型金屬硫化物脫汞單元的工藝流程如圖1所示。井流經(jīng)生產(chǎn)分離器分離分出大量液體后，濕氣進(jìn)入聚結(jié)濾器，進(jìn)一步除掉大的液滴和固體顆粒，然后進(jìn)入脫汞單元除汞后，經(jīng)海管外輸。

圖1 井口平臺(tái)濕氣處理流程Fig.1 Wet gas treatment process of wellhead platform

4 結(jié)論

對(duì)于含汞氣田采用井口平臺(tái)開發(fā)模式的項(xiàng)目，為滿足下游處理設(shè)備的防腐要求，保護(hù)人員安全，可在天然氣處理流程采用聚結(jié)濾器+金屬硫化物脫汞單元的濕氣脫汞工藝。這種處理工藝為非再生型，使用壽命長，系統(tǒng)流程簡(jiǎn)單，維護(hù)成本低，可大大降低投資成本和操作費(fèi)用，為邊際氣田開發(fā)提供新的思路。