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 項目背景

國內(nèi)部分油田產(chǎn)液中存在H2S，在實際設(shè)計工程中，油處理系統(tǒng)按照按350psig 和125°F（2 413kPaG，51.7℃）的工況條件下，在計量分離器氣體中的H2S濃度為500×10-6進行設(shè)計考慮。在設(shè)計過程中發(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致其冷放空氣體中含有高濃度H2S。

高濃度硫化氫的存在對工程產(chǎn)生兩個主要方向的影響，首先硫化氫為有毒氣體，尤其是高濃度的硫化氫將對平臺作業(yè)人員的安全產(chǎn)生嚴重威脅，其次對于管道及設(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)合工程項目的實際狀態(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險是十分必要的。

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。通過計算分析水系統(tǒng)閃蒸汽存在如下特點，閃蒸汽混合氣量較少約800Sm3/h；熱值低，不可點燃；H2S 濃度高，變化范圍最高達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、無法被有效點燃；硫化氫分壓超過0.3kPaA，需要重新評估水系統(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告要求的0.3kPaA，但整個水系統(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)標準水處理系統(tǒng)可不考慮硫化氫影響；同時同區(qū)域類似平臺水系統(tǒng)已安全運行多年，因此結(jié)合規(guī)范標準要求和工程項目實際業(yè)績情況，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)驗并結(jié)合項目的實際情況，對于含硫化氫的氣體處理方案主要有三個研究方向：

1）對氣體進行加壓，加壓后進入閉排系統(tǒng)并引入臨近平臺火炬臂與可燃氣體混合后燃燒；

2）增加脫硫設(shè)備，通過吸附或其他化學原理脫除H2S 后放空；

3）含硫化氫氣體集中高架直接放空。

3.1 加壓后進入閉排系統(tǒng)與可燃氣體混合后燃燒方案

3.1.1 方案基本流程

此方案通過增加真空壓縮機將含硫化氫閃蒸汽增壓后進入閉排/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

通過閉式排放可避免H2S 擴散可能帶來的操作風險，同時通過臨近平臺火炬臂燃燒后可徹底避免有毒氣體的擴散。

3.1.2.2 技術(shù)方案缺點

從安全性的角度分析，由于水系統(tǒng)各個設(shè)備均為常壓罐，各個罐體均設(shè)PVSV 保護閥。當罐內(nèi)壓力不足時，空氣可通過PVSV 進入罐內(nèi)，以確保罐體不會被壓潰，這會導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)與可燃氣體摻混，存在回火、爆燃等風險。

從可操作性角度分析，各個氣源設(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，緩沖罐的壓力波動范圍極小，一旦超壓或失壓，將會觸發(fā)整個水系統(tǒng)的關(guān)斷；同時，各常壓設(shè)備耐真空能力有限（-2kPaG），存被抽癟的風險。

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)定操作等風險，且無法為PVSV 應急泄放工況下找到安全合適的泄放方式等問題，技術(shù)方案風險高。

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；按照吸收機理為化學法和物理法；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)的應用情況來看，應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超重力技術(shù)的脫硫方案進行分析對比。含硫廢氣進入反應器，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)硫的富液進入緩沖罐，再進入沉降再生槽，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器繼續(xù)與硫化氫反應，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

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，達到穩(wěn)定時間短，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險，同時有利于平臺環(huán)保。

3.2.2.2 技術(shù)方案缺點

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，保守估計此成套裝置整橇尺寸10m×5m×7m，另外預留5m×5m 的濕硫磺存儲場地，整個油氣處理平臺需要重新搭建結(jié)構(gòu)并要對硫磺存儲重新進行安全性評估，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、投資運行成本高的缺點。

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行配合；同時，設(shè)備占地面積過大，對實際項目而言可能帶來安全評價、建造、調(diào)試、安裝和后期維護的一系列風險，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

集中收集平臺低壓含硫化氫氣體，在平臺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散，其濃度不斷降低，直至油田作業(yè)人員可接觸位置擴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)電機煙囪為油田設(shè)施最高點，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氣體，主發(fā)電機煙囪的高溫氣體對其無影響，因此通過分析確定冷放空管布置于主發(fā)電機煙囪側(cè)，依托主發(fā)電機煙囪結(jié)構(gòu)作為其支撐點。為保證放空氣管線壓降及擴散效果，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)電機排煙管平齊。

3.3.2.2 擴散分析

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

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散分析可知，在濃霧條件下的含硫化氫氣體10×10-6濃度擴散影響范圍可影響到周邊關(guān)鍵感觸點。由于在濃霧狀態(tài)下空氣較為穩(wěn)定，云團擴散較慢，如能提升流體速度、增加干擾并主動稀釋的情況下，其擴散效果應向好的方向發(fā)展。通過對新技術(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的附壁效應，用少量壓縮氣體作為氣源，以接近音速的高速通過一個可調(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，在其后形成一個巨大的真空區(qū)，帶動周邊氣流一同向前高速噴出，產(chǎn)生的氣體量可達驅(qū)動氣體量的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)有空壓機可提供公用氣約75Sm3/h，可以驅(qū)動近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，重新對濃霧狀態(tài)下以10×10-6和5×10-6濃度的硫化氫重新進行擴散分析，結(jié)論顯示其擴散云團均未到達關(guān)鍵感觸點，擴散效果較未增加空氣放大器前極大提升。

4 結(jié)論

通過上述三個主要研究方案的優(yōu)缺點分析，在技術(shù)層面，低壓硫化氫氣體加壓進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)定操作等風險；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，仍然需要后續(xù)處理，且后續(xù)單質(zhì)硫的存儲風險和人員傷害風險增大，上述兩個方案技術(shù)可執(zhí)行性較低。對于工程實際實施而言，增加空氣放大器的冷放空方案可執(zhí)行性強，產(chǎn)品體積小，技術(shù)原理簡單可靠，易維護，投資費用低，且能起到較大的氣體稀釋和擾動效果，是不利氣象條件下提高氣體擴散度的良好解決方案。