煤層氣氣質(zhì)凈化分析與對(duì)策

張永琪 張鑒緒 張景輝 趙家攀 霍洪濤 王素穩(wěn)

1中國(guó)石油華北油田山西煤層氣勘探開發(fā)分公司

2青海油田采油五廠

我國(guó)在20 世紀(jì)70 年代就已有序組織相關(guān)煤勘地質(zhì)局對(duì)全國(guó)煤礦區(qū)進(jìn)行煤層氣的勘探工作，90年代初，國(guó)家石油部授權(quán)華北石油管理局到沁南盆地進(jìn)行煤層氣的勘探和試采工作，并獲得高產(chǎn)工業(yè)氣流。鑒于當(dāng)時(shí)低油價(jià)時(shí)代，還不具備煤層氣的經(jīng)濟(jì)開發(fā)。進(jìn)入21 世紀(jì)，隨著全球油氣價(jià)格的上揚(yáng)及煤礦安全事故頻發(fā)，考慮非常規(guī)油氣的補(bǔ)充及瓦斯治理，煤層氣的勘探開發(fā)已具有經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[1-5]，所以2005 年華北油田公司開始在山西沁南盆地進(jìn)行煤層氣勘探開采工作。

煤層氣井壓裂后啟抽排采，當(dāng)井筒液面降至煤儲(chǔ)層以下時(shí)，煤儲(chǔ)層甲烷氣體解吸并流入井筒[6]。隨著單井壓降影響范圍的擴(kuò)大，遠(yuǎn)井地帶的甲烷也逐漸解吸，并向近井地帶流動(dòng)，形成氣流且所攜帶粉煤灰量逐步增多[7]。以往的主力煤層為3#煤層，近3 年隨著15＃煤層的開發(fā)，硫化氫增加明顯，無(wú)法達(dá)到國(guó)家一類氣質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，且對(duì)集輸系統(tǒng)造成破壞與干擾[8-9]。同時(shí)，煤層解吸出的煤層氣含飽和水蒸氣[10-12]，進(jìn)入集輸管網(wǎng)后，隨著溫度和壓力的持續(xù)下降，會(huì)有游離水淅出，集存于管道低洼處，給生產(chǎn)運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)重影響[13-14]。為此，采取了降低吸收塔進(jìn)氣溫度、提高三甘醇吸水效果等方法將水露點(diǎn)控制在環(huán)境溫度5 ℃以下[15-17]。通過(guò)脫硫裝置將硫化氫的濃度控制在6 mg/m3以下；通過(guò)提高過(guò)濾分離器的濾芯精度并優(yōu)化結(jié)構(gòu)，最大限度地過(guò)濾粉煤灰固體顆等，達(dá)到了國(guó)家一類氣質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，便于外輸銷售和貿(mào)易計(jì)量[18]。從方案論證、新裝置投運(yùn)、工藝技術(shù)深化、生產(chǎn)操作優(yōu)化等進(jìn)行了試驗(yàn)和實(shí)施，整體實(shí)現(xiàn)了氣質(zhì)達(dá)標(biāo)。一年來(lái)，處理中心下游用氣單位對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的分析檢測(cè)結(jié)果為全部合格，符合國(guó)家一類天然氣標(biāo)準(zhǔn)（表1）。

表1 國(guó)家天然氣標(biāo)準(zhǔn)分類Tab.1 Classification of national natural gas standards

1 煤層氣物性及處理工藝流程

1.1 沁水盆地煤層氣田氣體物性

目前華北油田山西煤層氣分公司分別在晉城、長(zhǎng)治、臨汾等三個(gè)地級(jí)市進(jìn)行勘探開發(fā)，晉城地區(qū)的三個(gè)區(qū)塊分別為樊莊區(qū)塊、成莊區(qū)塊、鄭莊區(qū)塊，日均產(chǎn)氣280×104m3，開發(fā)的主力煤層系為3＃煤，近3年15#和9#煤開發(fā)逐步增多，而這兩系煤層皆不同程度的含有硫化氫氣體，單井硫化氫濃度約20 mg/m3，最高達(dá)70 mg/m3，給煤層氣開發(fā)帶來(lái)較大影響；同時(shí)隨著老井的逐步排采，大部分單井液面已降至煤儲(chǔ)層以下，近井地帶氣體的涌出所含粉煤灰顆粒亦逐漸增多，與3年前比粉煤灰顆粒粒徑更細(xì)，含量更多，大約增加50%。據(jù)粗略統(tǒng)計(jì)，粒徑1 μm以上占41%、0.5～1 μm占18%、0.3～0.5 μm以下占21%、0.3 μm以下占20%。煤層氣中所含的水蒸氣為飽和水蒸氣，煤層氣組分實(shí)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2，煤層氣集輸系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)H2S含量檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 煤層氣組分實(shí)測(cè)結(jié)果Tab.2 Measured results of coalbed methane components

表3 煤層氣集輸系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)H2S含量檢測(cè)結(jié)果Tab.3 Detection results of H2S content in key nodes of CBM gathering and transportation system

1.2 沁水盆地煤層氣田集輸工藝流程

在儲(chǔ)層壓力下，煤層氣從井筒排出，進(jìn)入采氣管網(wǎng)，并經(jīng)管網(wǎng)分路進(jìn)入集氣站進(jìn)行初次增壓，增壓后氣體進(jìn)入集輸管線輸送至中央處理廠，二次增壓后進(jìn)入幾家下游分銷公司。目前煤層氣單井井口平均套壓在0.05 MPa，流動(dòng)到集氣站入口時(shí)后壓力約降至0.035 MPa，集氣站內(nèi)為往復(fù)壓縮機(jī)兩級(jí)增壓，將壓力升至0.9 MPa。壓縮機(jī)組前有臥式分離器、粉塵過(guò)濾器，機(jī)組后有洗滌罐，在集氣站這一級(jí)對(duì)粉煤灰只是初步過(guò)濾，濾芯精度為1 μm，對(duì)游離水亦是初步分離，只是將氣體中的游離水分離出來(lái)。在中央處理廠，壓縮機(jī)前有中壓過(guò)濾分離器，將粉煤灰顆粒和游離水進(jìn)一步分離出。壓縮機(jī)后為高壓過(guò)濾分離器，主要是將增壓后的氣體再次過(guò)濾分離并送入脫水裝置脫水（圖1）。

圖1 煤層氣分公司晉城片區(qū)工藝管網(wǎng)集輸示意圖Fig.1 Schematic diagram of gathering and transportation process pipe network in Jincheng area of CBM Branch

2 新工藝裝置研究及相關(guān)措施提升

按照一類氣質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)粉煤灰顆粒量、水露點(diǎn)、硫化氫等指標(biāo)進(jìn)行深入研究。在處理廠現(xiàn)有工藝基礎(chǔ)上，從中、高壓過(guò)濾分離器濾芯技術(shù)改進(jìn)，水露點(diǎn)方面的工藝裝置投運(yùn)及操作流程優(yōu)化，脫硫工藝設(shè)計(jì)及投運(yùn)三方面重新統(tǒng)籌考慮了相關(guān)工藝裝置的增加、調(diào)改，技術(shù)深化及生產(chǎn)操作優(yōu)化等，實(shí)現(xiàn)效果最佳化，總體達(dá)到國(guó)家GB17820—2018《天然氣》一類氣標(biāo)準(zhǔn)，以保障銷售下游的平穩(wěn)暢通（圖2）。

圖2 煤層氣處理廠站內(nèi)工藝流程Fig.2 Process flow diagram of coal bed methane treatment plant

2.1 中、高壓過(guò)濾分離器濾芯技術(shù)改進(jìn)

隨著氣量逐年增加和粉煤灰含量的增多，現(xiàn)有的濾芯結(jié)構(gòu)和精度已不能滿足要求。結(jié)合多年的過(guò)濾分離經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)現(xiàn)有生產(chǎn)工藝的不足，從濾芯結(jié)構(gòu)適應(yīng)性和過(guò)濾精度需求上進(jìn)行了分析研究，提出相關(guān)措施并進(jìn)行實(shí)施，使粉煤灰含量大幅下降。

由圖2 可知，中壓過(guò)濾分離器在壓縮機(jī)組上游，其作用是將集氣站來(lái)氣中的游離水和粉煤灰進(jìn)行過(guò)濾分離。在分離器內(nèi)，氣體中所攜帶的游離水在重力和機(jī)械作用下分離出來(lái)，而含飽和水蒸氣的煤層氣再進(jìn)入壓縮機(jī)增壓，這樣游離水不會(huì)涌入機(jī)組對(duì)其造成傷害。前期使用的濾芯經(jīng)常出現(xiàn)壓癟、破損等現(xiàn)象，這是由于其內(nèi)骨架為塑料材質(zhì)，承壓有限所致。經(jīng)對(duì)比與技術(shù)分析，更換為不銹鋼材材質(zhì)作為內(nèi)骨架，保證濾芯承壓力。過(guò)濾精度方面，將之前簡(jiǎn)單的纖維纏繞方式的濾層結(jié)構(gòu)（纏繞型濾芯主要缺點(diǎn)是納污量?。?，優(yōu)化調(diào)整為從外向內(nèi)梯度配置，由粗到精配合使用，其目的是讓每一層濾層都能將相應(yīng)粒徑的雜質(zhì)攔截，并充分納污，提高濾芯使用壽命。濾芯過(guò)濾精度由1 μm提高至0.5μ m（圖3）。

圖3 中壓分離器濾芯更換前、后結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of medium pressure separator filter element before and after replacement

高壓過(guò)濾分離器在壓縮機(jī)組的下游，其作用是進(jìn)一步過(guò)濾增壓后高壓氣體中的粉煤灰顆粒、攔截增壓后氣體中的機(jī)油，并利用濾芯聚凝作用，析出部分氣態(tài)水。機(jī)組出口壓力5.0 MPa 左右，壓力較高，原濾芯為鋼制內(nèi)骨架，普通纖維纏繞式，初步滿足過(guò)濾要求，承壓能力較強(qiáng)，損壞較少，但精度只為0.5 μm，銷售下游仍含較多粉煤灰顆粒。經(jīng)進(jìn)一步分析研究，對(duì)結(jié)構(gòu)及濾層濾料進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，并形成自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。在原鋼制內(nèi)骨架基礎(chǔ)上，外層增加鋼制金屬網(wǎng)作為外骨架，形成骨籠狀，內(nèi)襯為多級(jí)濾層，從外向內(nèi)分別為聚結(jié)折波層和高效纏繞層。聚結(jié)折波層主要由不同精度多層進(jìn)口硅硼纖維組成，當(dāng)氣體通過(guò)聚結(jié)折波層時(shí)，氣體首先進(jìn)入濾孔直徑較小的攔截層，攜帶的小液滴在攔截層表面被纖維攔截并吸附，隨著氣體向前流動(dòng)，小液滴被送入深層纖維，和其他小液滴碰撞后聚結(jié)成大液滴，當(dāng)液滴的重力大于氣體浮力時(shí)，液滴從最里層的排液層脫落下來(lái)；高效纏繞層結(jié)構(gòu)由多層進(jìn)口硼纖維組成，作用是進(jìn)一步攔截從聚結(jié)層逃逸過(guò)來(lái)的固體顆粒，使氣體純度進(jìn)一步凈化，提高過(guò)濾效率，另一方面和聚結(jié)層形成梯度過(guò)濾，讓每一級(jí)充分納污，提高濾芯使用壽命。該結(jié)構(gòu)可吸納更多的固體顆粒，精度由0.5 μm 提高至0.3 μm（圖4、圖5）。

圖4 高壓分離器濾芯更換前、后結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure schematic diagram of high pressure separator filter element before and after replacement

圖5 高壓分離器新型濾芯結(jié)構(gòu)剖面圖Fig.5 Profile of the new filter element structure of high pressure separator

2.2 水露點(diǎn)方面的工藝裝置投運(yùn)及操作流程優(yōu)化

處理中心廠區(qū)內(nèi)有三臺(tái)脫水裝置，日均凈化處理煤層氣能力600×104m3左右，年均20×108m3。采用先增壓后脫水、以三甘醇為吸咐劑的脫水方式。其工藝主要包括吸收塔和三甘醇再生橇兩套裝置。從主要工藝參數(shù)分析，只要保證了煤層氣的入塔溫度、三甘醇貧液的入塔溫度、三甘醇再生橇重沸器的溫度、再生裝置中開米爾泵的泵次（亦泵入的貧液量），以及氣體的日均處理量等綜合因素可確保指標(biāo)完成（圖6）。

圖6 廠區(qū)脫水裝置工藝流程Fig.6 Process flow of the dehydration device in the plant area

結(jié)合上述水露點(diǎn)控制的4個(gè)因素，四季中，夏季水露點(diǎn)控制難度極大，而春、秋、冬季基本較平穩(wěn)。隨著夏季大氣溫度的升高，壓縮機(jī)空冷器效果逐漸變?nèi)?，排氣溫度隨之升高，致進(jìn)入吸收塔氣體溫度居高不下，7月份一度達(dá)50 ℃，嚴(yán)重影響脫水效果，這與空冷器長(zhǎng)年運(yùn)轉(zhuǎn)老舊和氣量增加超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)等綜合因素有關(guān)，所以降低吸收塔煤層氣進(jìn)入溫度是關(guān)鍵?？绽錃馀艢鉁囟仍?0～40 ℃時(shí)是三甘醇吸水效果最佳點(diǎn)，如何在現(xiàn)有條件下降低排氣溫度是解決問(wèn)題的切入點(diǎn)。經(jīng)分析研究，決定在空冷器處增加簡(jiǎn)易冷卻噴淋，來(lái)降低排溫，該方式既簡(jiǎn)便、快捷，成本費(fèi)用又很低，可做到即投即用（圖7）。

圖7 自動(dòng)控制冷卻噴淋工藝流程Fig.7 Automatic controlled cooling spray process flow

另一方面，強(qiáng)化三甘醇[19]再生橇的維護(hù)保養(yǎng)和日常管理是保證甘醇貧液入塔溫度、重沸器溫度和開米爾泵等三個(gè)控制點(diǎn)的基本要素。結(jié)合三臺(tái)裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)周期，定期對(duì)再生橇輪流進(jìn)行檢修保養(yǎng)，無(wú)論是設(shè)備設(shè)施檢修，還是相關(guān)附件保養(yǎng)，都是保證設(shè)備良性運(yùn)轉(zhuǎn)的根本。及時(shí)更換壞損、失靈部件，不定期檢查更換活性炭、濾布過(guò)濾器，確保相關(guān)閥門、泵、溫變及壓變?cè)O(shè)備等狀態(tài)良好，都是保障性工作。同時(shí)強(qiáng)化日常管理，重沸器溫度須控制在198～202 ℃，它是保證三甘醇再生效果的最佳溫度范圍。結(jié)合閥門過(guò)液量開度及緩沖罐狀態(tài)，確保三甘醇入塔溫度控制在25～35 ℃，及開米爾泵周期一般控在11～18 min，皆依據(jù)水露點(diǎn)變化結(jié)果進(jìn)行有效調(diào)節(jié)。通過(guò)開展以上兩方面工作，水露點(diǎn)基本受控（表4）。

表4 三甘醇再生及脫水最佳參數(shù)范圍表Tab.4 Table of optimal parameter ranges for triethylene glycol regeneration and dehydration

2.3 脫硫工藝設(shè)計(jì)及投運(yùn)

在煤層氣開發(fā)中，硫化氫濃度逐年增加，給地面集輸管網(wǎng)、設(shè)備設(shè)施將造成一定的傷害，同時(shí)對(duì)銷售下游亦有影響，在GB 17820—2018《天然氣》中，要求硫化氫濃度不超過(guò)6 mg/m3，這些因素給煤層氣的勘探開發(fā)工作帶來(lái)了較大挑戰(zhàn)，亦對(duì)地面集輸工藝系統(tǒng)提出了一個(gè)新課題。原處理廠無(wú)脫硫工藝[20]，考慮到當(dāng)前實(shí)際情況，需在現(xiàn)行生產(chǎn)工藝中，通過(guò)調(diào)改、擴(kuò)建，增加脫硫工藝裝置。經(jīng)方案論證、初步設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)、施工、竣工調(diào)試投產(chǎn)等一系列環(huán)節(jié)，脫硫工藝裝置已于2021年1月快速高效投產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)外輸氣硫化氫濃度達(dá)標(biāo)（圖8）。

圖8 脫硫裝置工藝流程Fig.8 Process flow of desulfurization device

脫硫工藝采用的是超重力濕式氧化高效脫硫技術(shù)，相關(guān)工藝設(shè)計(jì)指標(biāo)：天然氣處理能力為330×104～600×104m3/d，可以適應(yīng)到650×104m3/d；外輸壓力為0.65～0.9 MPa；硫化氫濃度為6.5～42.3 mg/m3，可適應(yīng)至71 mg/m3；硫化氫總量為257 kg/d；年產(chǎn)硫磺約110 t；處理后硫化氫濃度小于4.8 mg/m3，可達(dá)一類氣標(biāo)準(zhǔn)。硫磺產(chǎn)量小于19 t/d（經(jīng)濟(jì)效益最佳）。技術(shù)原理為催化劑可再生、液相硫化氫脫除，可將H2S 直接轉(zhuǎn)化為硫磺，無(wú)反應(yīng)平衡限制；轉(zhuǎn)化率最高可達(dá)99%，處理后硫化氫濃度可降至6 mg/m3以下，滿足國(guó)家最新一類天然氣要求。優(yōu)點(diǎn)是工藝裝置流程短，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，生產(chǎn)過(guò)程基本無(wú)三廢排放和污染。脫硫裝置工藝原理如圖9所示。

圖9 脫硫裝置工藝原理示意圖Fig.9 Schematic diagram of the process principle of desulfurization device

3 新工藝系統(tǒng)應(yīng)用

經(jīng)過(guò)近一年的研究分析及實(shí)踐應(yīng)用，在粉煤灰顆粒過(guò)濾，水露點(diǎn)控制，硫化氫處理三方面取得了突出效果，保證滿足國(guó)家最新一類天然氣要求，對(duì)促進(jìn)下游銷售起到了有力支撐。

粉煤灰顆粒方面：對(duì)過(guò)濾器濾芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，中壓濾芯精度從1 μm 提高至0.5 μm，高壓濾芯精度從0.5 μm 提高至0.3 μm，大量粉煤灰阻截于這兩個(gè)分離器內(nèi)，銷售下游固體顆粒減少總量達(dá)75%。

水露點(diǎn)方面：通過(guò)增壓后加裝水冷卻工藝裝置，夏季進(jìn)塔溫度由50 ℃降至35 ℃以下；通過(guò)人工與智能雙控，確保三甘醇進(jìn)塔溫度控制40 ℃以下，三甘醇再生重沸器溫度在198～202 ℃時(shí)，露點(diǎn)降最佳；并根據(jù)水露點(diǎn)監(jiān)測(cè)值調(diào)節(jié)開米爾泵的泵次進(jìn)行充分有效調(diào)節(jié)，確保水露點(diǎn)控制在低于最低環(huán)境溫度5 ℃以下，銷售下游各單位均未有液態(tài)水淅出。

硫化氫方面：通過(guò)脫硫裝置投運(yùn)，目前含硫濃度已控制在6 mg/m3以下。以銷售下游的國(guó)家管網(wǎng)西氣東輸為例，采用新工藝系統(tǒng)以來(lái)，其小嶺增壓站進(jìn)站未再有液態(tài)水淅出、未再出現(xiàn)大量粉煤灰積壓，硫化氫含量一直控制在合理的指標(biāo)范圍內(nèi)，達(dá)到了國(guó)家的一類天然氣標(biāo)準(zhǔn)（圖10、圖11、表5）。

圖10 粉煤灰含量變化柱狀圖Fig.10 Histogram of fly ash content variation

圖11 硫化氫濃度變化曲線Fig.11 H2S concentration change curve

表5 水露點(diǎn)效果參數(shù)Tab.5 Effect parameters of water dew point

日常管控方面：處理中心對(duì)外輸煤層氣水露點(diǎn)、硫化氫含量實(shí)施在線監(jiān)測(cè)，在線監(jiān)測(cè)儀皆采用一用一備，通過(guò)信號(hào)傳輸，將監(jiān)測(cè)結(jié)果上傳至站控DCS系統(tǒng)；設(shè)置高限自動(dòng)報(bào)警，在水露點(diǎn)及硫化氫數(shù)據(jù)指標(biāo)超標(biāo)前可以進(jìn)行預(yù)警；并設(shè)置有《產(chǎn)銷應(yīng)急處置方案》，將各種可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)上升的突發(fā)情況預(yù)設(shè)了處置措施，提前發(fā)現(xiàn)、及時(shí)處置，保證了兩指標(biāo)的平穩(wěn)可控；另外針對(duì)粉煤灰含量定期取樣送檢化驗(yàn)，確保煤層氣氣質(zhì)全過(guò)程受控。

4 結(jié)論

（1）將高精度過(guò)濾濾芯首次應(yīng)用于煤層氣集輸站場(chǎng)，并結(jié)合壓力及工藝特性對(duì)濾芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，開創(chuàng)了國(guó)內(nèi)煤層氣高精度過(guò)濾的先河，大幅過(guò)濾粉煤灰顆粒，同時(shí)提高過(guò)濾效率及使用壽命。

（2）隨著簡(jiǎn)易冷卻水工藝裝置的投運(yùn)，降低空冷器排溫，強(qiáng)化三甘醇再生橇的檢修保養(yǎng)及脫水工藝的日常操作，確保生產(chǎn)參數(shù)在合理區(qū)間范圍，探索最優(yōu)工藝操作，形成最佳生產(chǎn)數(shù)據(jù)，保證了脫水效果。銷售下游LNG 工廠和管網(wǎng)增壓站均未再有液態(tài)水淅出，這改變了國(guó)內(nèi)同行業(yè)目前對(duì)脫水工藝系統(tǒng)的技術(shù)認(rèn)知，同時(shí)更新了煤層氣入塔溫度的最佳值是25～35 ℃。

（3）脫硫裝置的投運(yùn)，填補(bǔ)了目前煤層氣開發(fā)生產(chǎn)和集輸工藝系統(tǒng)的空白，對(duì)相關(guān)煤層氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)完善和更新起到了積極推動(dòng)作用。隨著其他煤儲(chǔ)層系的開發(fā)轉(zhuǎn)移，煤層氣含硫?qū)⒊蔀槌B(tài)，新系統(tǒng)的投運(yùn)刷新了煤層氣含硫的認(rèn)知，發(fā)現(xiàn)了前期技術(shù)處理工藝的欠缺，并進(jìn)行了完善與革新；不僅對(duì)煤層氣的勘探開發(fā)起到促進(jìn)作用，更是為今后進(jìn)一步開發(fā)的安全環(huán)保起到借鑒作用。