李 凱 張賢波中國石油塔里木油田公司, 新疆 庫爾勒 841000

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3018干法脫硫工藝運行技術(shù)探討

李 凱 張賢波
中國石油塔里木油田公司, 新疆 庫爾勒 841000

目前3018干法脫硫工藝在油田伴生氣脫硫中應(yīng)用較為普遍,但該工藝尚無一套成熟可借鑒的運行經(jīng)驗。為全面熟悉、掌握3018干法脫硫工藝的脫硫原理、運行技術(shù)、脫硫劑使用等主要內(nèi)容,從3018干法脫硫工藝原理、工藝裝置、工藝參數(shù)、脫硫裝置操作、脫硫劑使用等5個方面對3018干法脫硫工藝運行技術(shù)進行充分說明和探討,對3018脫硫工藝生產(chǎn)運行標準化作業(yè)進行分析和總結(jié)。通過3018干法脫硫工藝的標準化運行,不僅加深了對該工藝的認識,而且降低了安全風險,提高了作業(yè)效率,為3018干法脫硫工藝高效、安全、平穩(wěn)運行提供了借鑒。

干法脫硫;生產(chǎn)運行;安全高效

0 前言

隨著塔中碳酸鹽巖油氣藏的開發(fā),原油中硫化氫含量不斷增高,偏遠小區(qū)塊含硫量低的生產(chǎn)裝置多采用干法脫硫工藝。塔中油田干法脫硫多采用3018-Ⅱ脫硫劑脫硫工藝。

干法脫硫是利用脫硫劑與硫化氫反應(yīng),將硫化氫脫除至天然氣中硫化氫含量在規(guī)定范圍內(nèi)。運用3018-Ⅱ脫硫劑需要在工藝中注入空氣,使空氣中的氧氣參與到與硫化氫的反應(yīng)中,因此更換脫硫劑時脫硫劑與氧氣接觸產(chǎn)生一種化學(xué)置換反應(yīng)(放熱反應(yīng))[1],這種放熱反應(yīng)是導(dǎo)致發(fā)生火災(zāi)或爆炸事故的關(guān)鍵誘因。另外,脫硫劑裝填不僅影響脫硫劑的裝填量及其性能發(fā)揮,更為主要的是在裝填過程中,如果脫硫劑床層疏密不均,容易造成物料走“短路”或偏流,使脫硫塔內(nèi)物料分布不均,影響脫硫效果、脫硫劑使用壽命及工藝產(chǎn)品質(zhì)量。

1 工藝原理

3018-Ⅱ脫硫劑的反應(yīng)原理是在3018-Ⅱ脫硫劑孔隙表面上形成一層液膜,在催化劑的作用下使天然氣中的硫化氫在液膜表面上與氧氣發(fā)生反應(yīng),主要生成單質(zhì)硫[2-3]。反應(yīng)機理可用式(1)表示:

(1)

工作溫度為0～50 ℃,工作空速≤2 000 h-1,原料氣氧硫比為2～5。

由于3018系列脫硫劑主要成分為活性炭,當天然氣中含凝析油、水及其他固體顆粒時會對脫硫劑造成污染,影響催化效果,因此天然氣在進入脫硫塔前必須脫水、脫烴、去除固體顆粒。同時,應(yīng)保證前段分離器的除液效率。

2 工藝裝置

該裝置主要由分離器、混合器、脫硫塔、空氣系統(tǒng)、制氮系統(tǒng)及放空系統(tǒng)等構(gòu)成[4]。工藝裝置示意圖見圖1。

圖1 3018干法脫硫工藝裝置示意圖

分離器分為氣液初步分離和深化分離兩部分:初步分離采用氣液兩相分離器,氣相進入下一級深化分離,液相進行單獨處理,不進入固體脫硫系統(tǒng);深化分離根據(jù)工藝需要,可以設(shè)置分離精度較高的旋流分離器和過濾分離器,其中,旋流分離器可以分離5 μm的固體顆粒和10 μm以上的液體顆粒,過濾分離器可以過濾1 μm的粉塵和液滴。

固體脫硫塔為該工藝的核心設(shè)備[4],考慮到填料裝填量比較大、更換周期較短等因素,為盡量減少裝卸工作量,設(shè)備將進料口設(shè)置于設(shè)備頂部,并將卸料口接管設(shè)計為斜接口,接管配有快開盲板方便開閉,氣出口管線應(yīng)設(shè)計有在線硫化氫分析儀。

空氣系統(tǒng)由壓縮機、干燥器、計量設(shè)備、流量控制設(shè)備等組成[5-6]。進入脫硫塔內(nèi)的空氣應(yīng)為干氣,空氣流量可調(diào)節(jié)和計量,并設(shè)有防止天然氣竄入空氣系統(tǒng)的單流閥。壓縮機的壓力要求應(yīng)滿足設(shè)計,空氣出口壓力應(yīng)大于天然氣壓力0.3 MPa以上。

制氮系統(tǒng)的作用一是在對脫硫劑更換時對脫硫塔進行置換,二是為裝置的檢維修提供氮氣以便進行裝置置換。在設(shè)計脫硫裝置時,應(yīng)考慮在各重要容器設(shè)置有氮氣/水的外接口。

脫硫裝置的設(shè)計應(yīng)考慮更換脫硫劑的方便性和安全性,脫硫塔的卸料口高度應(yīng)大于普通自卸式貨車高度,應(yīng)有足夠空曠的場地以便于車輛轉(zhuǎn)彎和吊車作業(yè)。

3 工藝參數(shù)

3.1 空氣注入

考慮到工藝的特殊性,應(yīng)對空氣注入量進行嚴格控制[7]。空氣注入量計算公式為:

(2)

式中:Q空氣為空氣注入量,m3;Ф為天然氣中硫化氫的平均值,10-6;Δ為氧氣與硫化氫的比值,范圍值1～3;Q總量為天然氣的總體積,m3。

應(yīng)保持注入的空氣為干氣,空氣儲罐應(yīng)定期排污,尤其在冬季運行時,排污應(yīng)加密。進行排污時應(yīng)注意緩慢操作,防止因空氣系統(tǒng)壓力波動過大造成注入量不足或天然氣反竄。

3.2 硫容

硫容是衡量干法脫硫效果的重要參數(shù),分為理論硫容和計算硫容,理論硫容為脫硫劑廠家提供的參考參數(shù),計算硫容為實際生產(chǎn)中積累硫容[8]。硫容的計算公式為:

(3)

式中:MS為反應(yīng)生成的單質(zhì)硫的質(zhì)量,kg;MT為單塔脫硫劑的填裝質(zhì)量,kg。由于硫化氫中氫元素的質(zhì)量較少,可以直接將吸收的硫化氫的質(zhì)量看作為生成的單質(zhì)硫的質(zhì)量。

表1 3018干法脫硫工藝裝置操作步驟

階段具體操作步驟裝置投運前檢查1)檢查確認裝置流程連接完畢，所有盲板已拆除；2)檢查確認脫硫塔已按設(shè)計要求進行了脫硫劑裝填；3)檢查確認脫硫裝置已經(jīng)經(jīng)過氮氣吹掃，并且氣密性和試壓合格；4)檢查確認脫硫裝置電氣儀表完好并且經(jīng)過校驗，并在有效期范圍之內(nèi)；5)檢查確認脫硫裝置閥門開關(guān)靈活；6)檢查確認脫硫裝置壓力容器安全附件良好，安全閥校驗合格；7)檢查確認空氣工藝流程完好，確認單流閥狀態(tài)良好，閥門狀態(tài)良好；8)檢查確認壓縮機、流量計狀態(tài)良好；9)測試確認脫硫裝置自動控制系統(tǒng)完好；10)根據(jù)投運前安全檢查清單逐項檢查所有其他事項裝置投運1)導(dǎo)通原料氣進分離器、脫硫塔及外輸流程，按照設(shè)計工藝要求對裝置進行緩慢建壓，原料氣溫度應(yīng)符合脫硫劑正常運行要求；2)啟動高壓空壓機對高壓空氣系統(tǒng)建壓，保持空氣系統(tǒng)去混合器流程關(guān)閉；3)當空氣壓力高于脫硫裝置正常運行壓力值0 3MPa時，導(dǎo)通空氣系統(tǒng)去混合器流程，按照空氣注入量計算公式計算得出的空氣注入量，由小到大緩慢調(diào)整空氣注入量至計算值；4)注意觀察脫硫塔的溫度，控制溫升<10℃/h，脫硫塔塔頂及塔底壓差<100kPa；5)導(dǎo)通分離器液相流程，按照設(shè)計工藝要求，調(diào)整分離器液位至設(shè)計值，避免出現(xiàn)原料氣帶液裝置運行1)脫硫塔出口硫化氫濃度應(yīng)控制在5×10-6～10×10-6，嚴格將空氣與天然氣壓差控制在>0 3MPa；2)正常運行，2h對脫硫裝置檢查脫硫塔壓力、差壓是否正常，空氣壓力及流量是否正常；3)正常運行時，12h對脫硫塔排液1次，12h對空氣儲罐排污1次，保證注入空氣為干氣；4)控制好脫硫塔前端分離器液位，防止液體進入脫硫塔，導(dǎo)致脫硫劑污染；5)在脫硫塔氣出口硫化氫含量超過SY/T6137-2005中規(guī)定硫化氫安全閾限值10×10-6時，應(yīng)根據(jù)油氣井井口硫化氫含量、脫硫劑累計硫容、空氣注入量、脫硫塔氣出口硫化氫含量綜合衡定脫硫劑是否失效。在累計硫容達到工作硫容時，應(yīng)適當增加空氣注入量，如脫硫塔氣出口硫化氫含量仍不能達標時，則需要進行脫硫塔的切換操作；6)在脫硫塔達到工作硫容時，可以將單臺脫硫塔與其他脫硫塔串聯(lián)，已達到降低運行成本、提高脫硫劑利用率的目的，在脫硫塔達到穿透硫容時，脫硫塔不再使用；7)脫硫劑在吸附了大量單質(zhì)硫及水分后，容易板結(jié)成塊，給后續(xù)更換脫硫劑的操作帶來不便，同時脫硫劑板結(jié)會造成含硫天然氣沿著脫硫塔內(nèi)形成的固定通道流通，影響脫硫效果裝置停車1)迅速切斷空氣系統(tǒng)去混合器流程；2)切斷原料氣來氣流程，將脫硫裝置流程導(dǎo)出或切斷；3)打開脫硫塔排污閥進行排液；4)打開脫硫裝置手動放空閥進行手動放空，裝置泄壓至0MPa；5)如長期停產(chǎn)，則需要對脫硫塔進行氮氣置換并封存，空氣儲罐需放空泄壓

在脫硫塔氣出口硫化氫含量超過國家商品天然氣標準[9]的14×10-6時,應(yīng)根據(jù)脫硫劑累計硫容、空氣注入量綜合衡定脫硫劑是否失效。在累計硫容達到工作硫容時,應(yīng)適當增加空氣注入量,如脫硫塔氣出口硫化氫含量仍不能達標,則需要進行脫硫塔的切換操作,進行隔離或串入新的脫硫塔繼續(xù)進行脫硫。

4 脫硫工藝裝置操作

3018干法脫硫工藝裝置操作步驟見表1。

5 脫硫劑使用

5.1 脫硫劑裝填

3018干法脫硫工藝脫硫塔內(nèi)部脫硫劑裝填見圖2,具體步驟如下:

1)在脫硫塔底部柵板上鋪設(shè)1層30目不銹鋼篩網(wǎng)。

2)在30目篩網(wǎng)上鋪設(shè)Φ 10～25 mm瓷球,高度約100 mm,刮平。

3)在Φ 10～25 mm瓷球上部鋪設(shè)Φ 5～15 mm瓷球,約100 mm,刮平。

4)在Φ 10～25 mm瓷球上部鋪設(shè)一層100目不銹鋼篩網(wǎng)。

5)裝填脫硫劑至塔內(nèi),高度距上部壓差計取壓口300 mm處,脫硫劑裝填高度約9 000 mm,用木板刮平。

6)在脫硫劑頂部平面鋪設(shè)100目不銹鋼篩網(wǎng)一層。

7)在100目不銹鋼篩網(wǎng)上鋪設(shè)Φ 5～15 mm瓷球約100 mm,刮平。

8)在Φ 5～15 mm瓷球上鋪設(shè)一層約100 mm的Φ 10～25 mm瓷球,刮平。

9)最后在Φ 10～25 mm大瓷球固定一層30目不銹鋼篩網(wǎng)。

瓷球用于支撐和覆蓋脫硫劑床層。瓷球的規(guī)格與脫硫劑的粒度應(yīng)匹配,由脫硫劑供貨商一同提供。瓷球應(yīng)清潔、干凈,無雜質(zhì)及塵土等,裝填之前的瓷球應(yīng)為干品。

5.2 脫硫劑更換

對3018-Ⅱ脫硫劑從更換前準備、單塔脫硫劑卸料、單塔脫硫劑填裝、更換后恢復(fù)4方面進行標準化規(guī)范。3018-Ⅱ脫硫劑更換步驟見圖3。

5.2.1 脫硫劑卸料

脫硫塔脫硫劑裝卸示意圖見圖4。

1)首先打開塔頂人孔,并實時監(jiān)測可燃氣體和有毒有害氣體濃度,在符合安全要求的情況下,人員佩戴長管呼吸器進入塔內(nèi),將塔頂脫硫劑的大小篩網(wǎng)、大小瓷球進行回收。

2)在將脫硫劑上部瓷球回收后,打開底部卸料口,脫硫劑依靠重力卸放至卸料口,人員轉(zhuǎn)運至傳送帶,見圖4-a)。

3)如脫硫劑板結(jié)嚴重,不能自卸,立即使用外接水源,如圖4-a)所示從塔頂沖洗脫硫劑,使其進入卸料口。注水過程中密切觀察卸料口出水情況,控制沖洗水的排量、壓力。

4)在卸脫硫劑過程中,嚴密控制廢脫硫劑溫度<70 ℃,如果溫度有上升趨勢,應(yīng)立即用清水噴灑脫硫劑表面,防止高溫自燃[10]。

5)在脫硫劑卸放至卸料口位置、底部人孔稍上部時,人員在實時檢測的條件下佩戴長管呼吸器由底部人孔進入塔內(nèi),對底部的大小篩網(wǎng)、大小瓷球進行清理。

a)卸料

b)裝料圖4 脫硫塔脫硫劑裝卸示意圖

5.2.2 脫硫劑裝料

1)人員進入脫硫塔底部按照圖2所示填裝方式對脫硫劑底部的大小篩網(wǎng)、大小瓷球進行交叉鋪設(shè),裝填速度要均勻,每裝完一層瓷球后要刮平,四個方向達到標高后用水平尺測量達到水平,然后進行下一步裝填,這一步必須嚴格執(zhí)行,底部鋪設(shè)的不銹鋼絲網(wǎng)捆綁在格柵上,絲網(wǎng)邊緣向上翻起高度不少于100 mm。

2)將每袋30 kg脫硫劑裝至尺寸為DN 400～DN 800、容量1 t的專用漏斗中,漏斗底部有抽取插板并帶有脫硫劑輸送布套,通過布套控制脫硫劑的自由落體高度小于1 m。使用30 t吊車將裝滿脫硫劑的漏斗安裝至脫硫塔頂部頂蓋處,并保證漏斗與頂蓋之間密封,見圖4-b)。

3)安裝好后,抽取漏斗底部插板,盡量緩慢抽取以控制脫硫劑入塔速度,不宜太快,以防脫硫劑破碎或“架橋”。

4)脫硫劑填裝入塔后,將漏斗吊離塔頂,在地面繼續(xù)裝料。

5)重復(fù)步驟2)～4),在填裝過程中,保持脫硫劑表面的均勻整體上升。

6)在保證安全的情況下,人員佩戴長管呼吸器進入塔內(nèi)施工刮平。

7)在脫硫劑填裝至指定高度時,交叉鋪設(shè)上部大小瓷球、大小篩網(wǎng),相關(guān)要求符合5.1內(nèi)容。

8)在填裝過程中,每個步驟完成后都必須仔細確認操作完畢,方可進行下一步工作。

6 結(jié)論

通過對3018干法脫硫工藝特點、裝置特點、生產(chǎn)運行的總結(jié),對3018-Ⅱ脫硫劑有了進一步認識,累積了豐富運行經(jīng)驗、增強了工藝裝置故障判斷處理能力,從工藝、設(shè)備、人員等多方面提出了改進措施,降低了安全風險,提高了工作效率。

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2015-01-11

李 凱(1983-)，男，陜西渭南人，工程師，學(xué)士，主要從事采油生產(chǎn)管理工作。

10.3969/j.issn.1006-5539.2015.04.006