超重力旋轉填料床中絡合鐵脫硫工藝處理海上油田含硫伴生天然氣

胡徐彥

（中海石油（中國）有限公司 湛江分公司，廣東 湛江 524057）

某海上新開發油田日產原油1×103m3、天然氣2×105m3，氣相硫化氫的質量濃度為2 000 mg/L，經檢測該油田油井的井液中不含硫酸鹽還原菌。油井的含水率隨時間的延長而逐步增加，硫化氫的含量隨含水率的增加而逐漸增加［1］。另一方面，由于海上平臺的生產區、公用設施區和生活區設計緊湊，平臺建成后可利用空間有限，在如此狹小的海上平臺空間，如何選擇合適的脫硫工藝，已成為實施脫硫技術的關鍵。

本工作通過對國內外天然氣脫硫工藝進行考察，最終選擇了超重力旋轉填料床中絡合鐵脫硫工藝（簡稱超重力絡合鐵脫硫工藝）［2］處理海上油田含硫伴生天然氣。該技術既能滿足平臺布局的要求，同時運行成本低廉，脫硫效率高，具有可觀的經濟效益和社會效益。

1 伴生天然氣脫硫工藝的選擇

目前，天然氣脫硫的方法主要有濕法、干法、膜法和生物法［3］。其中，膜分離脫硫工藝和生物脫硫工藝還處在研究階段或小規模試驗性應用階段，距離大規模的工業化應用仍有一定的距離［4-5］。濕法脫硫工藝和干法脫硫工藝［6］是較為成熟的天然氣脫硫工藝，在國內外已有很廣泛的工業應用。濕法脫硫工藝適合處理氣量大、硫化氫含量高的含硫天然氣，運行費用較低，缺點是投資費用高、設備龐大且設備腐蝕較為嚴重；干法脫硫工藝適合處理氣量小、硫化氫含量低的含硫天然氣，具有投資少、占地小、結構簡單和易于操作等優點，缺點是運行費用較高、失活脫硫劑處理難度大。

海上平臺為減少投資費用，整體布置緊湊，后期改造可利用空間小。同時該油田天然氣中硫化氫的含量相對較高，如采用干法脫硫工藝，需要建造3座脫硫塔，將面臨平臺無法承重、脫硫溶液裝卸困難等問題。為了解決這一瓶頸，采用一種新型濕法脫硫工藝——超重力絡合鐵脫硫工藝處理含硫伴生天然氣。

2 超重力絡合鐵脫硫工藝的原理

超重力絡合鐵脫硫工藝以絡合鐵為脫硫劑，天然氣中的硫化氫在超重力旋轉填料床（也稱超重力機）中與絡合鐵發生反應，轉化成單質硫而被脫除，同時回收硫磺。為減小設備占用空間，將高30～40 m、直徑3～5 m的塔設備縮小為高3 m、直徑1.5 m的超重力裝置，同時顯著提高了絡合鐵與硫化氫的反應速率。為保證脫硫劑的使用壽命、減少副反應的發生、便于分離產物硫磺及減輕對設備的腐蝕，在脫硫溶液中加入消泡劑、碳酸鈉、硫分散劑、硫磺改進劑和緩蝕劑等化學藥劑。

超重力絡合鐵脫硫工藝是一種鐵基液相催化氧化脫硫工藝。采用堿性水溶液吸收硫化氫，反應生成HS-；通過高價態鐵離子將HS-氧化成單質硫，同時高價態鐵離子被還原成低價態鐵離子；低價態鐵離子與空氣接觸，氧化成高價態鐵離子，使溶液恢復氧化能力而再生［7］。反應過程見式（1）～（3）。

3 超重力絡合鐵脫硫工藝的流程

超重力絡合鐵脫硫工藝的流程見圖1。含硫伴生天然氣依次通過預反應器和超重力機，在絡合鐵脫硫劑的作用下，伴生天然氣中的硫化氫可直接氧化生成單質硫。脫硫后的伴生天然氣經分離器洗滌后可直接供給用戶；含單質硫的富液從超重力機底部進入閃蒸罐，然后通過富液泵進入氧化-沉降槽中，利用空氣中的氧將絡合亞鐵氧化為絡合鐵，使脫硫劑再生；從氧化-沉降槽中分離出再生后的脫硫劑，通過貧液泵返回至超重力機與硫化氫進行反應；分離出的硫磺漿由硫磺漿泵排入硫磺顆粒分離系統，使硫磺漿脫水成硫磺餅，液體通過循環泵返回至氧化-沉降槽。

圖1 超重力絡合鐵脫硫工藝的流程

4 超重力絡合鐵脫硫工藝的工業應用效果

該海上油田超重力絡合鐵脫硫系統投資1 500萬元，設備總占用面積不足48 m2，于2011年8月建成投用，年運行成本低于20 萬元，天然氣處理量2×105m3/d。脫硫設備進口伴生天然氣中硫化氫的質量濃度為2 000～2 500 mg/L，經脫硫處理后硫化氫的質量濃度低于3 mg/L，可滿足GB 17820—2012《天然氣》中硫化氫含量的要求［8］，每天約可回收硫磺400 kg。該超重力絡合鐵脫硫系統投用2 a，運行平穩，系統未出現故障及腐蝕泄露事件。超重力絡合鐵脫硫工藝處理伴生天然氣的效果見圖2。

圖2 超重力絡合鐵脫硫工藝處理伴生天然氣的效果

該海上平臺脫硫裝置采用超重力機替代常規吸收塔，大幅節約了整個脫硫系統的占地面積。在脫硫劑中加入消泡劑和硫磺改進劑，抑制了泡沫硫的形成，增大了硫的粒度，解決了傳統的濕式氧化法在脫硫過程中硫磺難以完全回收的問題，并改善了富液的過濾性能，避免了硫磺通過富液泵進入超重力機所導致的管線和設備的堵塞。

相對于傳統的干法脫硫工藝和濕法脫硫工藝，超重力絡合鐵脫硫工藝主要具有以下優點：1）占地小，處理量大，受原料氣中硫化氫含量的影響小；2）傳質強度高，減小了設備的體積，增強了傳質速率和傳質界面的更新強度，物料在設備內的停留時間極短（0.001～0.01 s）；3）采用改進的鐵基脫硫劑，脫硫效率可達99%以上；4）易于操作，設備啟動后在數分鐘內即達到穩定狀態；5）脫硫劑成本低、可再生，不受CO2和硫化氫含量的影響。

5 結論

a）采用超重力絡合鐵脫硫工藝處理海上油田伴生天然氣，解決了海上平臺空間緊張、結構承重有限等問題，同時運行成本低廉，裝置運行穩定，避免了設備腐蝕，運行效果顯著，具有良好的經濟效益和社會效益。

b）海上油田超重力絡合鐵脫硫系統投資1 500萬元，設備總占用面積不足48 m2，天然氣處理量2×105m3/d，回收硫磺400 kg/d。進口伴生天然氣中硫化氫的質量濃度為2 000～2 500 mg/L，經脫硫處理后硫化氫的質量濃度低于3 mg/L，可滿足GB 17820—2012《天然氣》中硫化氫含量的要求。

［1］ 《中國海上油氣田開發志》總編纂委員會. 中國海上油氣田開發志：南海西部油氣區油氣田卷［M］. 北京：石油工業出版社，2011：287-288．

［2］ 曹會博，李振虎，郝國均，等. 超重力絡合鐵法脫除石油伴生天然氣中H2S的中試研究［J］. 石油化工，2009，38（9）：971-974.

［3］ 徐海升，劉永毅，薛崗林，等. 天然氣脫硫化氫技術進展［J］. 石化技術與應用，2012，30（4）：365-369.

［4］ 岑兆海. 膜分離處理非常規天然氣的應用前景［J］. 石油與天然氣化工，2012，41（4）：370-372.

［5］ 易成高，于寒穎，趙歡，等. 石油和天然氣生物脫硫技術分析和展望［J］. 石油化工，2010，39（6）：681-685.

［6］ 蔡培，王樹立，趙會軍. 天然氣脫硫工藝的研究與發展［J］. 管道技術與設備，2008（4）：17-19.

［7］ 朱紅彬. 絡合鐵脫硫技術在油田伴生天然氣脫硫中的應用［J］. 中國石油和化工標準與質量，2012，32（2）：23.

［8］ 中國石油西南油氣田公司天然氣研究院，中國石油集團工程設計有限責任公司西南分公司. GB 17820—2012 天然氣［S］. 北京：中國標準出版社，2012.