含硫化氫低壓氣體解決方案

文海龍，胡 偉，董 超，杜 虹

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

1 項(xiàng)目背景

國內(nèi)部分油田產(chǎn)液中存在H2S，在實(shí)際設(shè)計(jì)工程中，油處理系統(tǒng)按照按350psig 和125°F（2 413kPaG，51.7℃）的工況條件下，在計(jì)量分離器氣體中的H2S濃度為500×10-6進(jìn)行設(shè)計(jì)考慮。在設(shè)計(jì)過程中發(fā)現(xiàn)除油氣處理系統(tǒng)外，含油污水處理系統(tǒng)在降壓后其設(shè)備上部氣體空間將從污油水中閃蒸出H2S 氣體并可能聚集而導(dǎo)致其冷放空氣體中含有高濃度H2S。

高濃度硫化氫的存在對(duì)工程產(chǎn)生兩個(gè)主要方向的影響，首先硫化氫為有毒氣體，尤其是高濃度的硫化氫將對(duì)平臺(tái)作業(yè)人員的安全產(chǎn)生嚴(yán)重威脅，其次對(duì)于管道及設(shè)備材料的選取是否能滿足相關(guān)規(guī)范的抗硫化氫的要求。因此，結(jié)合工程項(xiàng)目的實(shí)際狀態(tài)，通過合理論證和方案比選解決由于硫化氫的存在而帶來的潛在風(fēng)險(xiǎn)是十分必要的。

2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析

2.1 工藝組分模擬分析

對(duì)低壓水系統(tǒng)（斜板、氣浮，生產(chǎn)水罐，核桃殼，注水緩沖罐）開展HYSY 分析。通過計(jì)算分析水系統(tǒng)閃蒸汽存在如下特點(diǎn)，閃蒸汽混合氣量較少約800Sm3/h；熱值低，不可點(diǎn)燃；H2S 濃度高，變化范圍最高達(dá)7 000～11 000×10-6；硫化氫組分分壓超過0.3kPaA。

2.2 結(jié)論數(shù)據(jù)分析

根據(jù)HYSY 數(shù)據(jù)分析，低壓水系統(tǒng)閃蒸氣硫化氫濃度非常高，遠(yuǎn)超過人員接觸安全上限，就地放空已無法滿足安全需求，需重新尋找替代方案；閃蒸氣體氣量少、壓力低、無法被有效點(diǎn)燃；硫化氫分壓超過0.3kPaA，需要重新評(píng)估水系統(tǒng)管線及設(shè)備材料的可用性。

2.3 低壓水系統(tǒng)管線及設(shè)備材料選擇可用性分析

由于硫化氫分壓已超過材料選擇報(bào)告要求的0.3kPaA，但整個(gè)水系統(tǒng)為低壓系統(tǒng)，根據(jù)規(guī)范《GBT 20972.3—2008 石油天然氣工業(yè)油氣開采中用于含硫化氫環(huán)境的材料》描述，低于0.45MPa 的水處理設(shè)備是不在考慮硫化氫影響之內(nèi)的，水處理系統(tǒng)壓力為200kPa 以下，因此，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)水處理系統(tǒng)可不考慮硫化氫影響；同時(shí)同區(qū)域類似平臺(tái)水系統(tǒng)已安全運(yùn)行多年，因此結(jié)合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求和工程項(xiàng)目實(shí)際業(yè)績(jī)情況，排除系統(tǒng)材料重新選取，目前材料選取可以滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

3 低壓硫化氫氣體處理方案比選

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合項(xiàng)目的實(shí)際情況，對(duì)于含硫化氫的氣體處理方案主要有三個(gè)研究方向：

1）對(duì)氣體進(jìn)行加壓，加壓后進(jìn)入閉排系統(tǒng)并引入臨近平臺(tái)火炬臂與可燃?xì)怏w混合后燃燒；

2）增加脫硫設(shè)備，通過吸附或其他化學(xué)原理脫除H2S 后放空；

3）含硫化氫氣體集中高架直接放空。

3.1 加壓后進(jìn)入閉排系統(tǒng)與可燃?xì)怏w混合后燃燒方案

3.1.1 方案基本流程

此方案通過增加真空壓縮機(jī)將含硫化氫閃蒸汽增壓后進(jìn)入閉排/火炬系統(tǒng)，基本流程如圖1所示：

圖1 基本流程示意圖

3.1.2 方案分析

3.1.2.1 技術(shù)方案優(yōu)點(diǎn)

通過閉式排放可避免H2S 擴(kuò)散可能帶來的操作風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)通過臨近平臺(tái)火炬臂燃燒后可徹底避免有毒氣體的擴(kuò)散。

3.1.2.2 技術(shù)方案缺點(diǎn)

從安全性的角度分析，由于水系統(tǒng)各個(gè)設(shè)備均為常壓罐，各個(gè)罐體均設(shè)PVSV 保護(hù)閥。當(dāng)罐內(nèi)壓力不足時(shí)，空氣可通過PVSV 進(jìn)入罐內(nèi)，以確保罐體不會(huì)被壓潰，這會(huì)導(dǎo)致閃蒸氣有空氣存在的可能性，將空氣引入閉排火炬系統(tǒng)與可燃?xì)怏w摻混，存在回火、爆燃等風(fēng)險(xiǎn)。

從可操作性角度分析，各個(gè)氣源設(shè)備的操作壓力為2～6kPaG，為保證水系統(tǒng)的正常工作，對(duì)方案中新增的真空泵、儀表控制回路和閥門操作要求很高，緩沖罐的壓力波動(dòng)范圍極小，一旦超壓或失壓，將會(huì)觸發(fā)整個(gè)水系統(tǒng)的關(guān)斷；同時(shí)，各常壓設(shè)備耐真空能力有限（-2kPaG），存被抽癟的風(fēng)險(xiǎn)。

3.1.2.3 技術(shù)方案綜述

該方案存在影響火炬系統(tǒng)和常壓設(shè)備安全，系統(tǒng)難以穩(wěn)定操作等風(fēng)險(xiǎn)，且無法為PVSV 應(yīng)急泄放工況下找到安全合適的泄放方式等問題，技術(shù)方案風(fēng)險(xiǎn)高。

3.2 脫硫后冷放空方案

3.2.1 方案基本原理

目前脫硫方案有多種分類。如按照脫硫工藝為干法、半干法和濕法；按照脫硫產(chǎn)物的處理方法分為回收法和拋棄法；按照吸收機(jī)理為化學(xué)法和物理法；按照脫硫劑分為鈣法、鈉法、氨法、雙堿法和磷酸鹽法等；按照吸收劑是否可再生和循環(huán)使用情況分為再生法和非再生法。目前從世界各國主要煙氣脫硫技術(shù)的應(yīng)用情況來看，應(yīng)用最多的是濕式再生煙氣脫硫技術(shù)。而濕式再生煙氣脫硫的工藝差別與使用的脫硫設(shè)備有關(guān)。

本文基于北京化工大學(xué)超重力技術(shù)的脫硫方案進(jìn)行分析對(duì)比。含硫廢氣進(jìn)入反應(yīng)器，在脫硫劑的作用下，尾氣中的硫化氫直接氧化成單質(zhì)硫，脫硫尾氣氣液分離后直接排放。含單質(zhì)硫的富液進(jìn)入緩沖罐，再進(jìn)入沉降再生槽，鼓入氧氣，使脫硫劑再生，再生后的脫硫劑通過貧液泵返回超重力反應(yīng)器繼續(xù)與硫化氫反應(yīng)，分離后的硫磺漿泵入硫磺顆粒分離系統(tǒng)，脫水形成硫磺餅，脫出的水循環(huán)回再生槽。

3.2.2 方案分析

3.2.2.1 技術(shù)方案優(yōu)點(diǎn)

通過脫硫系統(tǒng)的設(shè)置，可以脫除絕大多數(shù)氣體中所含硫化氫，開車和停車方便，達(dá)到穩(wěn)定時(shí)間短，填料層具有自清洗作用，安裝維修方便，可以降低硫化氫放空帶來的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)有利于平臺(tái)環(huán)保。

3.2.2.2 技術(shù)方案缺點(diǎn)

目前現(xiàn)有的H2S 脫除或吸附方案均不能完全的脫除和吸附，如上述方案脫硫后其排放尾氣硫化氫濃度50～100×10-6，仍然高于人可直接接觸不產(chǎn)生傷害的濃度水平，其依然要通過設(shè)置高架放空來解決后續(xù)尾氣問題，脫硫解決不徹底；對(duì)于現(xiàn)有工藝系統(tǒng)，低壓氣體的脫硫需要考慮在脫硫設(shè)備中氣體壓降可能帶來的問題，系統(tǒng)PCV 均需更換或重新設(shè)定；此外，保守估計(jì)此成套裝置整橇尺寸10m×5m×7m，另外預(yù)留5m×5m 的濕硫磺存儲(chǔ)場(chǎng)地，整個(gè)油氣處理平臺(tái)需要重新搭建結(jié)構(gòu)并要對(duì)硫磺存儲(chǔ)重新進(jìn)行安全性評(píng)估，并且需要采用設(shè)備作為吸收和再生裝置，因此還存在再生能耗高、設(shè)備體積大、工藝長(zhǎng)、投資運(yùn)行成本高的缺點(diǎn)。

3.2.2.3 技術(shù)方案綜述

該方案解決H2S 問題不徹底，仍需高架冷放空方案進(jìn)行配合；同時(shí)，設(shè)備占地面積過大，對(duì)實(shí)際項(xiàng)目而言可能帶來安全評(píng)價(jià)、建造、調(diào)試、安裝和后期維護(hù)的一系列風(fēng)險(xiǎn)，投資大，效果不明顯。

3.3 含硫化氫氣體集中高架直接放空

3.3.1 方案基本原理

集中收集平臺(tái)低壓含硫化氫氣體，在平臺(tái)尋找合適高處合適位置直接大氣放空，含硫化氫氣體在大氣中自由擴(kuò)散，其濃度不斷降低，直至油田作業(yè)人員可接觸位置擴(kuò)散后氣體硫化氫含量低于人體傷害值。

3.3.2 方案分析

3.3.2.1 高架冷放空位置選取

通過總體布置分析，目前主發(fā)電機(jī)煙囪為油田設(shè)施最高點(diǎn)，高于上層操作層27m，且其巨大的煙管可作為放空管線的支撐結(jié)構(gòu)；此外，根據(jù)氣體組分的分析此氣體為不可燃?xì)怏w，主發(fā)電機(jī)煙囪的高溫氣體對(duì)其無影響，因此通過分析確定冷放空管布置于主發(fā)電機(jī)煙囪側(cè)，依托主發(fā)電機(jī)煙囪結(jié)構(gòu)作為其支撐點(diǎn)。為保證放空氣管線壓降及擴(kuò)散效果，管匯尺寸取12寸，管匯頂端縮徑為2寸，泄放背壓小于2kPaG，排放口噴射速度約100m/s，排放口高度為60m（海拔），與主發(fā)電機(jī)排煙管平齊。

3.3.2.2 擴(kuò)散分析

集中冷放空后，通過Phast 軟件對(duì)放空氣體進(jìn)行擴(kuò)散分析，結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，一般認(rèn)定硫化氫對(duì)人體有傷害的閾值濃度為10×10-6，因此在計(jì)算硫化氫放空擴(kuò)散分析時(shí)，主要以10×10-6濃度擴(kuò)散范圍為邊界條件。從以往分析結(jié)果上看，霧天條件下對(duì)硫化氫的擴(kuò)散最不利。

3.3.3 增加空氣放大器的冷放空方案分析

從高架冷放空自由擴(kuò)散分析可知，在濃霧條件下的含硫化氫氣體10×10-6濃度擴(kuò)散影響范圍可影響到周邊關(guān)鍵感觸點(diǎn)。由于在濃霧狀態(tài)下空氣較為穩(wěn)定，云團(tuán)擴(kuò)散較慢，如能提升流體速度、增加干擾并主動(dòng)稀釋的情況下，其擴(kuò)散效果應(yīng)向好的方向發(fā)展。通過對(duì)新技術(shù)的追蹤，考慮在冷放空口位置增加空氣放大器，通過混合空氣稀釋原有氣體、增大氣體擾動(dòng)并提高含硫化氫氣體的放空口噴射速度。

空氣放大器的基本原理為流體力學(xué)的附壁效應(yīng)，用少量壓縮氣體作為氣源，以接近音速的高速通過一個(gè)可調(diào)節(jié)的、內(nèi)部環(huán)形的噴口噴出，這種管狀的高度氣體沿前段噴出，在其后形成一個(gè)巨大的真空區(qū)，帶動(dòng)周邊氣流一同向前高速噴出，產(chǎn)生的氣體量可達(dá)驅(qū)動(dòng)氣體量的10～50倍，具體如圖2所示。

圖2 脫硫工藝原理圖

圖2 空氣放大器基本原理圖

在冷放空出口增加空氣放大器后，通過現(xiàn)有空壓機(jī)可提供公用氣約75Sm3/h，可以驅(qū)動(dòng)近800Sm3/h 閃蒸氣+1 100Sm3/h 空氣，從其噴口噴出，具有明顯提高放空口噴射速度以及稀釋效果。增加空氣放大器后，重新對(duì)濃霧狀態(tài)下以10×10-6和5×10-6濃度的硫化氫重新進(jìn)行擴(kuò)散分析，結(jié)論顯示其擴(kuò)散云團(tuán)均未到達(dá)關(guān)鍵感觸點(diǎn)，擴(kuò)散效果較未增加空氣放大器前極大提升。

4 結(jié)論

通過上述三個(gè)主要研究方案的優(yōu)缺點(diǎn)分析，在技術(shù)層面，低壓硫化氫氣體加壓進(jìn)入閉排存在影響火炬系統(tǒng)和常壓設(shè)備安全，系統(tǒng)難以穩(wěn)定操作等風(fēng)險(xiǎn)；硫化氫吸附方案存在吸附無法一次解決問題，其殘余氣體硫化氫含量依然超標(biāo)，仍然需要后續(xù)處理，且后續(xù)單質(zhì)硫的存儲(chǔ)風(fēng)險(xiǎn)和人員傷害風(fēng)險(xiǎn)增大，上述兩個(gè)方案技術(shù)可執(zhí)行性較低。對(duì)于工程實(shí)際實(shí)施而言，增加空氣放大器的冷放空方案可執(zhí)行性強(qiáng)，產(chǎn)品體積小，技術(shù)原理簡(jiǎn)單可靠，易維護(hù)，投資費(fèi)用低，且能起到較大的氣體稀釋和擾動(dòng)效果，是不利氣象條件下提高氣體擴(kuò)散度的良好解決方案。