渝淺8井干法脫硫影響因素分析及對策

肖仁維，熊蘭瓊，柯凌云

1.中國石油西南油氣田分公司 重慶氣礦（重慶 400021）

2.中國石油西南油氣田分公司 通信與信息技術(shù)中心（重慶 400021）

干法脫硫是將含硫天然氣通過脫硫塔與其中的氧化鐵產(chǎn)生反應(yīng)，生成固體硫化鐵吸附于脫硫劑中，從而實(shí)現(xiàn)脫出硫化氫的目的。該方法具有工藝簡單、占地小、安全系數(shù)高、無需專人看守、工程投資少、生產(chǎn)成本低、無污染的特點(diǎn)，廣泛用于居民生活、工業(yè)用天然氣、CNG加氣站等行業(yè)[1-3]。渝淺2井天然氣硫化氫濃度1.112 g/m3，日產(chǎn)天然氣1.8×104～2.5×104m3。根據(jù)GB 17820—2018《天然氣》，為防止配氣系統(tǒng)的腐蝕和保證居民健康，本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定二類天然氣中硫化氫濃度不大于20 mg/m3標(biāo)準(zhǔn)，需對渝淺2 井天然氣進(jìn)行脫硫處理，達(dá)標(biāo)后才能直接供居民用氣。渝淺2 井所產(chǎn)天然氣從2018 年開始在渝淺8 井脫硫站脫硫，存在脫硫劑硫容低、更換頻繁、脫硫劑消耗量大、經(jīng)濟(jì)效益不佳等問題，對干法脫硫因素進(jìn)行綜合分析研究，尋找解決對策。

1 基本情況

渝淺2井于1999年3月18日投產(chǎn)，天然氣密度為1.017～1.221 g/m3，投產(chǎn)初期產(chǎn)量為0.6×104m3/d，最高為2.1×104m3/d，一般控制產(chǎn)量在2.0×104m3/d 左右。該井站原產(chǎn)出氣輸?shù)接鍦\8 井，匯集混合脫硫達(dá)標(biāo)外輸重慶燃?xì)饧瘓F(tuán)水口門站，直接供重慶主城居民用氣，在渝淺8井產(chǎn)氣量下降后，混合后的天然氣不能達(dá)到GB 17820—2018《天然氣》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的二類天然氣中硫化氫濃度不大于20 mg/m3的要求。2018 年實(shí)施渝淺8 井脫硫站改造，實(shí)現(xiàn)了對渝淺2井來氣脫硫。

渝淺8 井脫硫站采用干法脫硫，使用的脫硫劑為CT8-6B，雙塔，可使用單塔或者串聯(lián)等方式，單塔容量11 t，2004年4月20日投入使用，一般年脫硫劑消耗 60 t。2018 年 1 月 15 日開始，對渝淺 2 井所產(chǎn)天然氣進(jìn)行脫硫，含硫氣處理量為2.0×104～2.5×104m3/d，發(fā)現(xiàn)單塔使用周期由原來100 d 以上降到最短不足20 d，硫容最低僅3.42%，最高14.0%，平均8.46%（表1），脫硫處理效果不正常。

2 CT8-6B 固體脫硫劑的脫硫原理及使用范圍

CT8-6B固體脫硫劑的主要活性組分為水合氧化鐵，它與H2S發(fā)生如下反應(yīng)：

其活性將天然氣中H2S 濃度由0.02～30 g/m3脫至20 mg/m3以下，雙塔操作工作硫容不小于13.0%。

表1 渝淺8井脫硫站脫硫劑消耗情況

硫容（R）計(jì)算公式為：

式中：R為脫硫劑硫容量；λ1為入口原料氣硫化氫濃度，g/m3，λ2為出口原料氣硫化氫濃度，取0.02 g/m3；Q為累計(jì)處理氣量，m3；T為裝填脫硫劑質(zhì)量，t。

使用條件：常壓、加壓均可；0～45 ℃；單塔天然氣表觀停留時(shí)間應(yīng)大于3 min；氣體線速度小于1.5 m/min；處理氣體含水量為飽和水[4]。

適用范圍：低含硫天然氣脫硫，當(dāng)硫化氫濃度小于1 g/m3，處理量在6×104m3/d以內(nèi)或硫化氫濃度小于0.5 g/m3，處理量在15×104m3/d以內(nèi)的天然氣采用比較經(jīng)濟(jì)；當(dāng)硫化氫濃度小于5 g/m3且硫化氫總量小于50 kg/d，也可使用該脫硫劑。

3 脫硫影響因素分析

干法脫硫劑的脫硫反應(yīng)機(jī)理決定了飽和狀態(tài)下的含硫氣體能夠達(dá)到最佳的脫硫效果，原料氣太干將嚴(yán)重影響脫硫效果。溫度的控制，實(shí)質(zhì)上是對含硫氣濕度的控制，脫硫工藝中，含硫氣的濕度對脫硫效率的影響很大[5]。

1）加濕器未啟用。渝淺8井脫硫裝置建設(shè)時(shí)考慮到2口井為干氣的特點(diǎn)，工藝上設(shè)計(jì)有加濕器（圖1），通過對原料氣增濕提高裝置脫硫效果，但未使用。由于井下條件的變化，采出天然氣氣體濕度不同，造成硫容量下降。

圖1 渝淺8井脫硫工藝改造前流程

2）支撐墊層不適應(yīng)脫硫工藝要求。發(fā)現(xiàn)塔底支撐墊層為扁平狀鵝卵石，且大小不一（圖2），影響天然氣通道不均勻，存在天然氣氣流通道單邊僅部分脫硫劑起作用。在脫硫廢劑清掏時(shí)發(fā)現(xiàn)部分脫硫劑仍為新劑，未失效，嚴(yán)重影響了脫硫劑使用效果[6]。

3）裝料不規(guī)范，不平整。2018年在脫硫劑裝料中，發(fā)現(xiàn)包裝袋掉入脫硫塔中，在裝料結(jié)束前未對脫硫塔頂部脫硫劑趕平整。進(jìn)氣口下端，氣流進(jìn)入從上至下靠脫硫塔邊部優(yōu)先通過，導(dǎo)致中部進(jìn)氣量較小，從而影響脫硫效果。

圖2 渝淺8井脫硫塔原有支撐墊

4）未充分使用串聯(lián)脫硫塔。單塔使用僅發(fā)揮部分脫硫劑的功能，造成浪費(fèi)。從開展單塔與串塔現(xiàn)場試驗(yàn)來看：單塔僅使用50～55 d，硫容僅為6.31%，而將過期脫硫塔作為前塔先對天然氣進(jìn)行粗脫硫，再串入新塔進(jìn)行二次脫硫，串塔后脫硫塔使用90 d左右，硫容提高到14.01%。

4 采取的措施

2019 年 3 月 16 日開始，調(diào)整渝淺 8 井脫硫站脫硫工藝，采取以下工藝措施。

1）啟用該站加濕器對含硫天然氣進(jìn)行加濕。天然氣加濕器針對不同的天然氣流量自動(dòng)調(diào)節(jié)飽和水加入量，達(dá)到及時(shí)控制天然氣加濕程度的目的。且提供一種天然氣凈化系統(tǒng)，對凈化的天然氣進(jìn)行加濕，再將天然氣導(dǎo)入到脫硫器中脫硫，有助于將難以脫去的有機(jī)硫轉(zhuǎn)化為無機(jī)硫，進(jìn)一步提高無機(jī)硫脫除的速率[7-9]。

2）改變脫硫塔支撐墊層。將原來塔底支撐墊層的扁平狀鵝卵石更換為標(biāo)準(zhǔn)球形瓷球（圖3），以改善氣流分布，不會(huì)因墊層堵塞而造成偏流，確保天然氣氣流均勻通過。

圖3 渝淺8井脫硫塔球形瓷球支撐墊

3）裝料規(guī)范。派技術(shù)人員和中心井站員工一道現(xiàn)場監(jiān)督把關(guān)，實(shí)施全過程監(jiān)控，確保裝料規(guī)范有序。

4）充分串聯(lián)使用，堅(jiān)持二次脫硫，延長脫硫劑使用時(shí)間。將已失效的脫硫塔串入新塔，天然氣先通過失效脫硫塔中脫硫劑進(jìn)行初脫硫，再通過新塔脫硫劑進(jìn)行精細(xì)脫硫（二次脫硫），確保氣質(zhì)達(dá)到國家二類區(qū)天然氣標(biāo)準(zhǔn)，外輸直供居民用戶。

天然氣干法脫硫技術(shù)是天然氣脫硫中一種常用的技術(shù)，但是脫硫工藝選擇不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致天然氣處理費(fèi)用偏高，企業(yè)的運(yùn)行成本增加，因此在滿足氣質(zhì)要求的情況下，應(yīng)高效利用干法脫硫劑。四川盆地北部雙探1井為2016年1月投產(chǎn)的超高壓含硫風(fēng)險(xiǎn)探井，井口壓力100.47 MPa，通過現(xiàn)場潛流量和安全運(yùn)行時(shí)間的計(jì)算，確定先串塔運(yùn)行后單塔運(yùn)行、優(yōu)化脫硫劑使用周期，達(dá)到了降本增效和保障安全的雙重目的，具有重要的推廣意義[2]。

5）加濕器工藝區(qū)增加旁通及放空排放流程（圖4）。增加旁通目的是確保加濕器加水期間，天然氣氣流走旁通流程，實(shí)現(xiàn)不關(guān)井連續(xù)生產(chǎn)，降低安全風(fēng)險(xiǎn)，不影響天然氣生產(chǎn)，加水結(jié)束后恢復(fù)含硫天然氣優(yōu)先通過加濕器。放空排放流程是天然氣氣流導(dǎo)入旁通后，需對加濕器進(jìn)行放空泄壓至0，同時(shí)排污一次，清潔后，再實(shí)施向加濕器內(nèi)定期補(bǔ)充水，以增加濕度，原則上每周加水1次（加滿）。

圖4 渝淺8井脫硫工藝改造后流程

5 措施應(yīng)用效果

1）原來雙塔使用時(shí)間約46 d，平均硫容8.46%，采取措施后雙塔使用時(shí)間大于90 d，平均硫容大于24%（圖5）。

2）采取措施后每年可減少60 t 脫硫劑用量，有效地提高了裝置脫硫效果，節(jié)約脫硫成本28萬元，節(jié)能技術(shù)措施效果明顯。

圖5 渝淺8井脫硫劑使用時(shí)間對比

6 結(jié)論與建議

1）利用串聯(lián)，以廢脫劑作前塔挖掘廢脫硫劑硫容，加強(qiáng)出口H2S 檢測監(jiān)測工作，及時(shí)評價(jià)脫硫效果，在氣質(zhì)達(dá)標(biāo)安全前提下有效延長脫硫劑更換周期。

2）加強(qiáng)脫硫劑更換的管理和干法脫硫現(xiàn)場跟蹤評價(jià)分析、脫硫劑選型、工藝適應(yīng)性、技術(shù)與經(jīng)濟(jì)效益等方面相關(guān)研究工作，進(jìn)一步優(yōu)化干法脫硫技術(shù)，實(shí)現(xiàn)天然氣安全、優(yōu)質(zhì)、清潔、高效使用。

3）建議加強(qiáng)脫硫凈化氣在線監(jiān)測，最大限度利用脫硫劑使用效率，確保氣質(zhì)安全可控。