煤層氣井硫化氫治理裝置及脫硫方案設(shè)計(jì)

摘 要 保德區(qū)塊煤層氣井硫化氫含量普遍較高，為了有效脫除煤層氣中的硫化氫，保障煤層氣井的正常安全生產(chǎn)，以保德區(qū)塊含硫煤層氣井為研究對(duì)象，在分析煤層氣井含硫化氫現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，開(kāi)展了煤層氣井硫化氫治理裝置和脫硫方案設(shè)計(jì)研究，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)。結(jié)果表明：目標(biāo)區(qū)塊內(nèi)有19口煤層氣井的硫化氫含量超過(guò)30 mg/m3，硫化氫含量較高。采用氧化鐵固體脫硫試驗(yàn)裝置對(duì)目標(biāo)區(qū)塊煤層氣井進(jìn)行脫硫方案設(shè)計(jì)，首先將含硫井場(chǎng)采出的煤層氣使用輔助分離裝置進(jìn)行分離，然后將煤層氣輸送至脫硫塔底部，與其中的氧化鐵型固體脫硫劑充分接觸反應(yīng)完成脫硫，脫硫后的煤層氣輸送到集輸管網(wǎng)，即完成脫硫工藝流程?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明：B12X1井采取氧化鐵固體脫硫工藝處理后24個(gè)檢測(cè)樣品中的硫化氫含量均降低至0 mg/m3，達(dá)到了良好脫硫處理效果。

關(guān)鍵詞 煤層氣井 硫化氫 脫硫裝置 脫硫劑 脫硫效果

中圖分類(lèi)號(hào) TD841" "文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A" "文章編號(hào) 0254?6094（2024）05?0753?07

基金項(xiàng)目：中石油煤層氣有限責(zé)任公司基金項(xiàng)目（批準(zhǔn)號(hào)：2022?xzkj?03?05）資助的課題。

作者簡(jiǎn)介：張頌飛（1988-），工程師，從事煤層氣地面集輸工藝方面的研究工作，zhangsf19880@163.com。

引用本文：張頌飛，趙芹，陳中良，等.煤層氣井硫化氫治理裝置及脫硫方案設(shè)計(jì)［J］.化工機(jī)械，2024，51（5）：753-758；763.

我國(guó)的煤層氣資源主要分布在青藏地區(qū)、東北地區(qū)、西北地區(qū)及華北地區(qū)等區(qū)域，煤層氣儲(chǔ)量相對(duì)比較豐富［1～4］，據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，從2015年開(kāi)始至2021年，我國(guó)的煤層氣資源產(chǎn)量基本呈現(xiàn)出逐漸增長(zhǎng)的趨勢(shì)，2021年我國(guó)的煤層氣總產(chǎn)量已突破100億立方米，同比增長(zhǎng)2.35%左右。煤層氣屬于一種相對(duì)比較清潔的化石能源，但從地層中產(chǎn)出的煤層氣不可避免地會(huì)含有一定量的硫化氫，由于儲(chǔ)層特點(diǎn)的不同，某些區(qū)塊內(nèi)煤層氣中硫化氫的含量相對(duì)較高。硫化氫的存在不僅會(huì)對(duì)煤層氣儲(chǔ)層井下設(shè)備產(chǎn)生腐蝕等危害，還可能造成嚴(yán)重的人身安全事故，影響煤層氣井的正常安全生產(chǎn)［5～7］。因此，研究高效的煤層氣脫硫凈化技術(shù)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前，針對(duì)煤層氣的凈化脫硫技術(shù)主要有干法脫硫、濕法脫硫、膜分離法脫硫及生物法脫硫等［8～12］。其中，干法脫硫技術(shù)主要包括氧化鐵法、氧化鋅法、分子篩法及活性炭法等，干法脫硫技術(shù)主要是通過(guò)固體吸收劑等藥劑來(lái)與煤層氣中的硫化氫發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，達(dá)到脫除硫化氫的目的，該技術(shù)具有脫硫效率高、施工簡(jiǎn)便、成本低廉及脫硫劑來(lái)源廣泛等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)硫容量相對(duì)較低，脫硫劑需要間歇性的更換或者再生，限制了其大規(guī)模的推廣應(yīng)用，目前主要應(yīng)用于氣體的精細(xì)脫硫領(lǐng)域［13～15］。濕法脫硫技術(shù)主要包括液體吸收法、濕式氧化法等，該技術(shù)具有設(shè)備處理量大、可連續(xù)操作和適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也具有投資成本高和效率較低的缺點(diǎn)，濕法脫硫技術(shù)是目前石油與天然氣行業(yè)較為常用的傳統(tǒng)脫硫技術(shù)，其應(yīng)用范圍較為廣泛，但技術(shù)上仍存在一定的缺陷［16～18］。綜合來(lái)看，針對(duì)煤層氣的脫硫工藝比較有發(fā)展前途的是氧化鐵法脫硫工藝，該工藝具有脫硫效率高、硫容量大、經(jīng)濟(jì)使用性強(qiáng)的特點(diǎn)，雖然此類(lèi)方法目前還存在溶液穩(wěn)定性、副反應(yīng)控制及脫硫劑再生等方面的問(wèn)題，但可以通過(guò)添加其他化學(xué)藥劑來(lái)加以彌補(bǔ)。

筆者以保德區(qū)塊含硫煤層氣井為研究對(duì)象，在分析煤層氣井含硫化氫現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，開(kāi)展了適合煤層氣井的硫化氫脫硫治理裝置和脫硫方案設(shè)計(jì)研究，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)，為煤層氣井的高效脫硫技術(shù)研究提供參考。

1 保德區(qū)塊煤層氣井含硫化氫現(xiàn)狀

2015～2018年保德區(qū)塊煤層氣井進(jìn)行全面氣體取樣檢測(cè)，區(qū)塊共抽檢321口井，發(fā)現(xiàn)11口井H2S含量超過(guò)30 mg/m3，主要集中在B12、B21、B26和B27井組附近。2019～2021年開(kāi)始對(duì)H2S含量高值區(qū)附近進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。區(qū)塊共抽檢148口井（新增加102口井），累計(jì)發(fā)現(xiàn)19口井中H2S含量超過(guò)30 mg/m3，具體統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1，平均產(chǎn)氣量約為4×104 m3/d。

2 硫化氫治理裝置及脫硫方案設(shè)計(jì)

2.1 總體技術(shù)方案

煤層氣硫化氫治理過(guò)程中，筆者設(shè)計(jì)的總體脫硫方案如下：含硫井場(chǎng)采出煤層氣首先進(jìn)入輔助分離裝置進(jìn)行分離，然后進(jìn)入脫硫塔底部，上升的煤層氣在脫硫塔床層與脫硫劑接觸完成脫硫，脫硫后的煤層氣進(jìn)入集輸管網(wǎng)，其工藝流程如圖1所示。

本方案設(shè)計(jì)兩臺(tái)脫硫塔，采用兩塔可切換使用的組合方式：當(dāng)其中一臺(tái)塔脫硫劑失效后可拆除進(jìn)行脫硫劑更換，另一臺(tái)脫硫塔備用；當(dāng)單脫硫塔進(jìn)入到使用后期時(shí)，凈化氣中的硫化氫含量逐漸升高時(shí)，說(shuō)明脫硫劑床層已穿透。切換為雙塔串聯(lián)模式，由后脫硫塔把關(guān)，前脫硫塔中的脫硫劑充分反應(yīng)完全，脫硫劑使用充分；當(dāng)處理量增加超過(guò)單脫硫塔的設(shè)計(jì)處理量時(shí)，可切換雙塔并聯(lián)使用；脫硫劑失效后，可由脫硫劑供應(yīng)單位運(yùn)回工廠卸劑、維護(hù)保養(yǎng)，避免現(xiàn)場(chǎng)裝、卸劑及廢劑自燃等帶來(lái)的安全、環(huán)境污染等問(wèn)題，廢劑的處理交由專(zhuān)業(yè)的環(huán)保公司處理。

2.2 技術(shù)特點(diǎn)

該設(shè)備本體不需電力供應(yīng)，僅需在排污管線處設(shè)置電伴熱，總體耗電量符合國(guó)家倡導(dǎo)的低能消耗要求。該工藝選用處理后的飽和富劑交予第三方合理化利用，提取出有效的鐵元素和水泥原材料為國(guó)家的基礎(chǔ)建設(shè)貢獻(xiàn)力量。本套設(shè)備設(shè)計(jì)和制造時(shí)都考慮到了60%～120%的彈性使用量，只要是在設(shè)計(jì)合理范圍內(nèi)使用，都可保障本套設(shè)備的外輸氣合格?？刹僮餍詮?qiáng)、有效期長(zhǎng)、能大幅降低勞動(dòng)成本。內(nèi)部的脫硫劑更換周期長(zhǎng)，撬裝化設(shè)備的好處是可以不在生產(chǎn)場(chǎng)地（高危場(chǎng)地）進(jìn)行更換脫硫劑施工，從而將安全風(fēng)險(xiǎn)降到最低。該設(shè)備操作簡(jiǎn)單，無(wú)需增加新的人員，只需原站場(chǎng)工作人員稍加熟悉即可。脫硫裝置適用范圍廣，可適用于煤層氣、天然氣、油田伴生氣、合成氣、火炬氣及各種含硫尾氣等物體的脫硫凈化，尤其適用于含CO2體系的氣體脫硫?？捎糜谟吞铩⑻烊粴獍l(fā)生企業(yè)及石化等領(lǐng)域?？蛇m應(yīng)高、低濃度，大氣量，不同氣體物質(zhì)的脫硫凈化處理。設(shè)備的能耗低，占地面積小。

2.3 硫化氫治理裝置設(shè)備參數(shù)

硫化氫治理裝置設(shè)備的參數(shù)為：設(shè)計(jì)氣量為10 000 Nm3/d，遵循脫硫劑設(shè)計(jì)空速不超過(guò)200 h-1的原則，裝填高度與脫硫塔內(nèi)徑比值大于2：1，設(shè)計(jì)脫硫塔內(nèi)直徑為1 200 mm，裝填高度2 480 mm，單脫硫塔可裝填脫硫劑為2.8 m3。單臺(tái)脫硫塔的設(shè)計(jì)脫硫劑裝填容量為2.8 m3，裝填質(zhì)量2.25 t。設(shè)備尺寸為聚結(jié)過(guò)濾器?800 mm，脫硫塔尺寸為?1200 mm×4100 mm，整體占地面積不超過(guò)20 m2，具體參數(shù)見(jiàn)表2。

2.4 脫硫劑設(shè)計(jì)

氧化鐵脫硫主要是用固體吸收劑來(lái)脫除煤層氣中的硫化物，氧化鐵成型脫硫劑對(duì)硫化氫有很高的脫除效率，對(duì)硫醇類(lèi)有機(jī)硫和大部分氮氧化物也有一定的脫除效果。本項(xiàng)目選擇玻璃態(tài)羥基氧化鐵脫硫劑對(duì)目標(biāo)區(qū)塊煤層氣井進(jìn)行脫硫方案設(shè)計(jì)，玻璃態(tài)羥基氧化鐵脫硫劑中的主要活性成分在脫硫過(guò)程中與氣體中的硫化氫反應(yīng)，生成巰基硫化鐵和水，從而將煤層氣中的硫化氫脫除。

本方案使用的氧化鐵固體脫硫劑是以玻璃態(tài)羥基氧化鐵為主要成分，添加特殊助劑而成的條形脫硫產(chǎn)品，主要用于天然氣、油田伴生氣及煤層氣等氣體的精脫H2S。該劑脫硫速度快、硫容量大、精度高、不分化、不泥化，脫硫過(guò)程無(wú)需補(bǔ)氧，無(wú)水分或含飽和水情況下均能高效脫硫，也能適用于任何濃度CO2原料，該脫硫劑的物化性能指標(biāo)如下：

外觀 黃褐色條形

毒性 無(wú)毒

粒度 4.0～4.2 mm

堆積密度 0.8～0.9 kg/L

顆?？箟核榱?不小于40 N

脫硫劑在脫硫塔內(nèi)以不規(guī)則形態(tài)排列，吸附硫化氫后存在橫向膨脹，體積增加，但是容器容積一定，所以會(huì)擠壓脫硫劑排列空間，容易形成板結(jié)，造成壓降增大，因此建議脫硫劑的更換周期小于1.5年。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 試驗(yàn)井基本情況

表3為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)井（B12X1井）的排采統(tǒng)計(jì)情況，統(tǒng)計(jì)日期為2022年11月1日至2022年11月10日，由表3可以看出，B12X1井生產(chǎn)狀態(tài)較為穩(wěn)定，日產(chǎn)氣量均穩(wěn)定在2 100 m3/d以上。

表4為B12X1井近年來(lái)硫化氫含量檢測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，由表4可以看出，B12X1井近幾年來(lái)檢測(cè)的硫化氫含量在67.00～150.76 mg/m3之間，硫化氫含量均比較高，需要對(duì)其進(jìn)行脫硫處置。

3.2 試驗(yàn)方案

結(jié)合上述試驗(yàn)井基本情況分析結(jié)果，決定采用氧化鐵固體脫硫法對(duì)B12X1井進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)脫硫試驗(yàn)，施工現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示。

具體實(shí)施方案如下：

a. 擴(kuò)建井場(chǎng)圍欄，井場(chǎng)長(zhǎng)度延長(zhǎng)2.5 m，以滿(mǎn)足脫硫設(shè)備安裝空間；

b. 設(shè)備基礎(chǔ)安裝，首先進(jìn)行三七灰土換填、夯實(shí)，在吊裝擺放設(shè)備基礎(chǔ)；

c. 脫硫設(shè)備吊裝就位、安裝固定；

d. 脫硫設(shè)備進(jìn)出口氣管線安裝，對(duì)井場(chǎng)氣計(jì)量撬管道進(jìn)行改造，并與脫硫設(shè)備進(jìn)行連頭；

e. 脫硫設(shè)備排污管線安裝；

f. 氣水管線進(jìn)行保溫安裝；

g. 脫硫設(shè)備安裝完成后，進(jìn)行流程切換開(kāi)展調(diào)試、試運(yùn)行。

3.3 硫化氫檢測(cè)方法及檢測(cè)原理

本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用硫化氫氣體檢測(cè)管進(jìn)行日常檢測(cè)，硫化氫氣體檢測(cè)管是一種用于快速確定氣體中硫化氫氣體濃度的工具。在細(xì)玻璃管中填充一定量的檢測(cè)劑（即指示劑），并用材料固定，然后將其兩端加熱并熔融密封。通常硅膠、活性氧化鋁和玻璃顆粒用作檢測(cè)劑的載體，因此用于確定污染物濃度的檢測(cè)管優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單和快速。

硫化氫氣體檢測(cè)管的工作原理是：各種氣體檢測(cè)管在一定長(zhǎng)度和內(nèi)徑的玻璃管中填充一定量的檢測(cè)劑，用塞子材料固定，然后密封并在玻璃管的兩端進(jìn)行處理。使用時(shí)將管子兩端割斷，讓含有被測(cè)物質(zhì)的氣體定量地通過(guò)管子，被測(cè)物質(zhì)即和管中檢測(cè)試劑發(fā)生定量化學(xué)反應(yīng)，部分檢測(cè)劑被染色，其染色長(zhǎng)度與被測(cè)物濃度成正比，從檢測(cè)管上已印制好的刻度即得知被測(cè)氣體的濃度。

3.4 應(yīng)用效果

表5為B12X1井脫硫試驗(yàn)應(yīng)用效果統(tǒng)計(jì)結(jié)果，由表5可以看出，24個(gè)檢測(cè)樣品中脫硫處理前硫化氫平均含量為54.375 mg/m3，而經(jīng)過(guò)氧化鐵固體脫硫法脫硫處理后硫化氫的含量均為0 mg/m3，處理效果較好。

4 結(jié)論

4.1 保德區(qū)塊煤層氣井普遍具有硫化氫含量高的特點(diǎn)，2019～2021年對(duì)區(qū)塊內(nèi)148口煤層氣井進(jìn)行抽檢，結(jié)果表明，有19口煤層氣井的硫化氫含量超過(guò)30 mg/m3。

4.2 針對(duì)保德區(qū)塊煤層氣井開(kāi)展了硫化氫治理裝置和脫硫工藝方案設(shè)計(jì)，并分析了技術(shù)特點(diǎn)、設(shè)備參數(shù)和脫硫劑特點(diǎn)。首先將含硫井場(chǎng)采出的煤層氣使用輔助分離裝置進(jìn)行分離，然后進(jìn)入脫硫塔底部，上升的煤層氣在脫硫塔床層與脫硫劑接觸完成脫硫，脫硫后的煤層氣進(jìn)入集輸管網(wǎng)，本方案設(shè)計(jì)兩臺(tái)脫硫塔，采用兩塔可切換使用的組合方式。

4.3 氧化鐵固體脫硫工藝在保德區(qū)塊B12X1井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)，結(jié)果表明，24個(gè)檢測(cè)樣品中脫硫處理前硫化氫平均含量為54.375 mg/m3，而經(jīng)過(guò)氧化鐵固體脫硫法脫硫處理后硫化氫的含量均為0 mg/m3，達(dá)到了良好脫硫處理效果。

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（收稿日期：2023-11-07，修回日期：2024-09-19）

Design of Hydrogen Sulfide Treatment Device and Desulfurization Scheme for Coalbed Methane Wells

ZHANG Song?fei1， ZHAO Qin1， CHEN Zhong?liang1， LI Ji?feng2， LI Xin?hai2， TAN Qiu?rong2

（1. Xinzhou Branch Co.， PetroChina Coalbed Methane Co.， Ltd.； 2. Shandong Haijia Petrochemical Co.， Ltd.）

Abstract" "Considering higher hydrogen sulfide content in Baode coalbed methane wells， having it taken as the object of research to analyze hydrogen sulfide in coalbed methane wells there was implemented， including designing a hydrogen sulfide treatment device and preparing desulfurization schemes for coalbed methane wells， as well as conducting" on?site application tests. The results indicate that， the hydrogen sul"fide content of 19 coalbed methane wells there exceeds 30 mg/m3. In addition， having the iron oxide solid desulfurization test device applied to desulfurizing coalbed methane wells there was proposed. In which， having the coalbed gas extracted from the sulfur well site via the auxiliary separation device， and then having the coalbed gas transported to the bottom of the desulfurization tower for fully contacting with the solid desulfurization agent so as to complete the desulfurization. The field test results show that， the hydrogen sulfide content in 24 test samples from the Well B12X1 desulfurized can be reduced to 0 mg/m3 along with a good desulfurization effect.

Key words" " coalbed methane well， hydrogen sulfide， desulfurization device， desulfurizer， desulfurization effect