3018干法脫硫工藝運行技術探討

李 凱 張賢波中國石油塔里木油田公司, 新疆 庫爾勒 841000

?

3018干法脫硫工藝運行技術探討

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用較為普遍,但該工藝尚無一套成熟可借鑒的運行經驗。為全面熟悉、掌握3018干法脫硫工藝的脫硫原理、運行技術、脫硫劑使用等主要內容,從3018干法脫硫工藝原理、工藝裝置、工藝參數、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進行充分說明和探討,對3018脫硫工藝生產運行標準化作業進行分析和總結。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,提高了作業效率,為3018干法脫硫工藝高效、安全、平穩運行提供了借鑒。

干法脫硫;生產運行;安全高效

0 前言

隨著塔中碳酸鹽巖油氣藏的開發,原油中硫化氫含量不斷增高,偏遠小區塊含硫量低的生產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,將硫化氫脫除至天然氣中硫化氫含量在規定范圍內。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中,因此更換脫硫劑時脫硫劑與氧氣接觸產生一種化學置換反應(放熱反應)[1],這種放熱反應是導致發生火災或爆炸事故的關鍵誘因。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,使脫硫塔內物料分布不均,影響脫硫效果、脫硫劑使用壽命及工藝產品質量。

1 工藝原理

3018-Ⅱ脫硫劑的反應原理是在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生反應,主要生成單質硫[2-3]。反應機理可用式(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、制氮系統及放空系統等構成[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;深化分離根據工藝需要,可以設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,設備將進料口設置于設備頂部,并將卸料口接管設計為斜接口,接管配有快開盲板方便開閉,氣出口管線應設計有在線硫化氫分析儀。

空氣系統由壓縮機、干燥器、計量設備、流量控制設備等組成[5-6]。進入脫硫塔內的空氣應為干氣,空氣流量可調節和計量,并設有防止天然氣竄入空氣系統的單流閥。壓縮機的壓力要求應滿足設計,空氣出口壓力應大于天然氣壓力0.3 MPa以上。

制氮系統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。在設計脫硫裝置時,應考慮在各重要容器設置有氮氣/水的外接口。

脫硫裝置的設計應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大于普通自卸式貨車高度,應有足夠空曠的場地以便于車輛轉彎和吊車作業。

3 工藝參數

3.1 空氣注入

考慮到工藝的特殊性,應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。

應保持注入的空氣為干氣,空氣儲罐應定期排污,尤其在冬季運行時,排污應加密。進行排污時應注意緩慢操作,防止因空氣系統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,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,計算硫容為實際生產中積累硫容[8]。硫容的計算公式為:

(3)

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

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計要求進行了脫硫劑裝填；3)檢查確認脫硫裝置已經經過氮氣吹掃，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過校驗，并在有效期范圍之內；5)檢查確認脫硫裝置閥門開關靈活；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，確認單流閥狀態良好，閥門狀態良好；8)檢查確認壓縮機、流量計狀態良好；9)測試確認脫硫裝置自動控制系統完好；10)根據投運前安全檢查清單逐項檢查所有其他事項裝置投運1)導通原料氣進分離器、脫硫塔及外輸流程，按照設計工藝要求對裝置進行緩慢建壓，原料氣溫度應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建壓，保持空氣系統去混合器流程關閉；3)當空氣壓力高于脫硫裝置正常運行壓力值0 3MPa時，導通空氣系統去混合器流程，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)導通分離器液相流程，按照設計工藝要求，調整分離器液位至設計值，避免出現原料氣帶液裝置運行1)脫硫塔出口硫化氫濃度應控制在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中規定硫化氫安全閾限值10×10-6時，應根據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，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硫及水分后，容易板結成塊，給后續更換脫硫劑的操作帶來不便，同時脫硫劑板結會造成含硫天然氣沿著脫硫塔內形成的固定通道流通，影響脫硫效果裝置停車1)迅速切斷空氣系統去混合器流程；2)切斷原料氣來氣流程，將脫硫裝置流程導出或切斷；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，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,應根據脫硫劑累計硫容、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1層30目不銹鋼篩網。

2)在30目篩網上鋪設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Φ 5～15 mm瓷球,約100 mm,刮平。

4)在Φ 10～25 mm瓷球上部鋪設一層100目不銹鋼篩網。

5)裝填脫硫劑至塔內,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100目不銹鋼篩網一層。

7)在100目不銹鋼篩網上鋪設Φ 5～15 mm瓷球約100 mm,刮平。

8)在Φ 5～15 mm瓷球上鋪設一層約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。

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

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4方面進行標準化規范。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,將塔頂脫硫劑的大小篩網、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,人員轉運至傳送帶,見圖4-a)。

3)如脫硫劑板結嚴重,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,對底部的大小篩網、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、大小瓷球進行交叉鋪設,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,這一步必須嚴格執行,底部鋪設的不銹鋼絲網捆綁在格柵上,絲網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,在地面繼續裝料。

5)重復步驟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施工刮平。

7)在脫硫劑填裝至指定高度時,交叉鋪設上部大小瓷球、大小篩網,相關要求符合5.1內容。

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 結論

通過對3018干法脫硫工藝特點、裝置特點、生產運行的總結,對3018-Ⅱ脫硫劑有了進一步認識,累積了豐富運行經驗、增強了工藝裝置故障判斷處理能力,從工藝、設備、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。

[1] 陳洪亮,賀婷婷.淺析干法脫硫工藝技術[J].中國化工貿易,2011,6(12):4-7. Chen Hongliang,He Tingting.Analysis of Dry Desulfurization Technology [J].China Chemical Trade,2011,6(12):4-7.

[2] 舒 欣,李春光,任家君,等.國內天然氣干法脫硫劑的比較研究[J].廣東化工,2010,37(1):89-90. Shu Xin,Li Chunguang,Ren Jiajun,et al.Comparative Study on Domestic Natural Gas Desulfurizer of Dry Method[J].Guangdong Chemical Industry,2010,37(1):89-90.

[3] 劉 峰,李曙華,李 琦.3018固體脫硫劑在長慶第一天然氣凈化廠的應用[J].石油與天然氣化工,2000,29(3):130-133.Liu Feng,Li Shuhua,Li Qi.Application of 3018 Solid Desulfurizing Agent in Changqing First Natural Gas Purification Plant [J].Chemical Engineering of Oil & Gas,2000,29(3):130-133.

[4] 廉永紅,韓 莉,李婷婷.沙漠工程中超限設備的運輸吊裝及費用[J].天然氣與石油,2010,28(4):43-47. Lian Yonghong,Han Li,Li Tingting.Over-sizing Equipment Transportation,Lift and Installation and Relative Costs in Desert Project [J].Natural Gas and Oil,2010,28(4):43-47.

[5] GB 150-1998,鋼制壓力容器[S]. GB 150-1998,Steel Pressure Vessels [S].

[6] SY/T 0599-2006,天然氣地面設施抗硫化物應力開裂和抗應力腐蝕開裂的金屬材料要求[S]. SY/T 0599-2006,Sulfide Stress Cracking Resistant Metallic Material Requirements for Gas Surface Equipment [S].

[7] 張賢波,喻友均,劉光炳,等.固體脫硫工藝運行中的問題及解決方案[J].天然氣與石油,2012,30(5):31-33. Zhang Xianbo,Yu Youjun,Liu Guangbing,et al.Problems in Solid Desulfurization Process and Corresponding Solutions [J].Natural Gas and Oil,2012,30(5):31-33.

[8] 張建平,趙麥玲,方 蕾.干法脫硫連續加入空氣提高脫硫劑硫容技術[J].煤化工,1999,27(2):35-36. Zhang Jianping,Zhao Mailing,Fang Lei.Continuous Addition of Air to Increase the Sulfur Capacity of Desulfurizer Dry Desulfurization [J].Coal Chemical Industry,1999,27(2):35-36.

[9] GB 17820-2012,天然氣[S]. GB 17820-2012,Natural Gas [S].

[10] GB 6441-86,企業職工傷亡事故分類[S]. GB 6441-86,The Classification for Casualty Accidents of Enterprise Staff and Work [S].

2015-01-11

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

10.3969/j.issn.1006-5539.2015.04.006