湿式氧化法脱硫工艺在辽河油田伴生气处理中的应用

卢洪源

（中油辽河工程有限公司）

0 引言

辽河油田稠油区块普遍含有 H2S，其伴生气具有压力低、H2S含量低、潜硫量小、碳硫比高的特点［1］。目前，辽河油田采用不可再生固定床法脱硫工艺［2］处理含H2S伴生气，脱硫剂采用无定型羟基氧化铁，属于非再生固体脱硫剂，废脱硫剂委托有处理资质的单位进行回收。

不可再生固定床法属于干法脱硫，对于低潜硫量伴生气具有较好的适应性，且一次投资低、运行成本适中。但是，随着稠油热采的深入，辽河油田油井伴生气体中H2S含量由100～1 000 mg/m3逐渐上升至5 000～15 000 mg/m3，伴生气量也逐步上升至原来的1.2～1.8倍，潜硫量也由0.001～0.200 t/d升高至0.200～3.000 t/d。现有脱硫工艺不能适应H2S含量的大幅增加，加速了药剂更换频率，大幅提高了运行成本，同时，伴生气量的增大对前端气液分离系统造成冲击，导致脱硫塔水淹、药剂反应不充分、药剂板结失效等现象时而发生，进而造成脱硫塔出口伴生气中H2S含量超标。针对这一情况，通过研究和现场实验，拟采用 LO-CAT（液相氧化催化法硫磺回收技术）演变的湿式氧化法作为部分高潜硫量区块伴生气脱硫接替技术。

1 湿式氧化法脱硫工艺简介

LO-CAT法［3］是一种湿法脱硫技术，其原理是H2S在碱性溶液中被络合铁氧化成单质硫，被还原的催化剂用空气再生。该技术能高效脱除 H2S，脱除效率高达 99.9%，且操作弹性大，能处理不同浓度的含H2S气体。目前，以LO-CAT法为代表的络合铁法液相氧化还原脱硫技术［4-7］已成为天然气净化中重要的脱硫工艺之一。

湿式氧化法是借鉴LO-CAT液相氧化催化技术原理而研发的。针对辽河油田伴生气气量大、H2S含量相对较低的特点，以螯合铁离子作为脱硫液中的催化剂，降低运行成本，催化效率高。

湿式氧化法工艺流程见图1所示。其主要工艺流程为：含有H2S的气体进入吸收塔后与催化剂溶液接触，H2S被转换成单质硫，并随已使用的催化剂溶液离开吸收塔进入氧化塔，脱硫气体则离开吸收塔回到天然气系统；空气通过压缩机被鼓入氧化塔中，与已使用的含硫催化剂溶液发生反应，重新生成铁催化剂，单质硫则沉淀入氧化塔底部的漏斗形成浓缩的硫浆，硫浆被泵到过滤机经过冲洗后以硫饼形式收集。大部分催化剂被回收并循环使用，而小部分催化剂随硫饼离开脱硫橇。

图1 湿式氧化法脱硫工艺流程

湿式氧化法脱硫工艺特点：

（1）H2S脱除率高，可达99.9%；

（2）操作弹性大，原料气流量可在 0～100%范围内大幅度波动；

（3）适应性强，该法能够适应不同H2S含量的原料气；

（4）环境友好，无三废产生，避免了饱和脱硫剂的卸除及后续处理的问题；

（5）工艺简单，易于操作，占地面积小；

（6）运行可靠，氧化塔底部可定期吹扫，防止锥体处硫磺堆积，保证长周期稳定运行。

2 湿式氧化法的实验应用

由于湿式氧化法在辽河油田未有应用，为验证该脱硫工艺在辽河油田的适用性，在欢喜岭采油厂30#站进行了实验应用。以30#站集输伴生气为实验气源，原料气组分详见表1。该站天然气进站压力为50 kPa，最大原料气量为7 000 m3/d，伴生气中H2S平均浓度为4 500 mg/m3。

表1 实验原料气组分

2.1 实验流程

实验装置主要由吸收塔、氧化塔、溶液罐、循环泵、硫浆泵、鼓风机、离心过滤机、溶液加热器等组成，主要设备规格及数量详见表2。

表2 实验装置内主要工艺设备

实验装置为橇装，其现场图片见图2所示。实验工艺流程详见图3。

图2 湿式氧化法脱硫实验装置

图3 湿式氧化法脱硫实验工艺流程

在原伴生气脱硫塔的进口管道上开口，将伴生气通过管道导入实验装置。伴生气进入吸收塔后，采用鼓泡+喷淋氧化吸收方法，通过气体分布器与脱硫液接触，气体中的H2S与脱硫液发生反应，生成单质硫，溶液中的 Fe3+被还原成 Fe2+；处理后的气体经过塔顶的丝网进行液体分离捕集后回到原伴生气管道；含硫溶液经循环泵导入氧化塔，在氧化塔内，溶液中的 Fe2+被空气氧化为 Fe3+，剩余空气经活性炭吸附后排放；沉降在塔底的单质硫通过硫浆泵抽到离心机中进行单质硫和吸附液的分离。

2.2 实验操作要点

实验过程中对溶液 pH值、原料气进出口 H2S浓度、吸收塔和氧化塔液位、空气供给量、反应温度等参数进行监测和调整，伴生气经处理后H2S含量小于6 mg/m3，达到GB 17820—2012《天然气》中的相关要求。操作要点如下：

（1）温度影响反应进程。反应温度在25～40 ℃时，随着温度上升，H2S与溶液的催化反应效果也越来越好。

（2）空气流量影响氧化塔内溶液再生效果。为保证溶液完全再生，以及维持吸收塔与氧化塔液位平衡，空气流量应与伴生气流量相匹配。

（3）应根据伴生气的流量及H2S含量，定期进行硫磺回收，以避免硫磺沉积过多，造成管路堵塞。

（4）伴生气与溶液的接触时间对于H2S的脱除至关重要，因此，应保证吸收塔、氧化塔内液位高度。液位越高，处理效果越好。

2.3 经济性分析

湿式氧化法与已建不可再生固定床法脱硫工艺的经济性对比见表3。表3仅对脱硫工艺中不同的工程内容进行了对比。

表3 湿式氧化法与已建脱硫工艺经济性对比

由表3可知，与已建脱硫工艺相比，湿式氧化法脱硫工艺在综合一次投资及运行成本后，年值较低，同时，湿式氧化法可产出硫磺，具有较好的经济性。

3 结论

由于稠油热采的深入，辽河油田部分区块潜硫量升高，现有不可再生固定床法脱硫工艺无法满足生产需求。现场实验表明，借鉴LO-CAT液相氧化催化技术原理研发的湿式氧化法脱硫技术可行，可作为部分高潜硫量区块伴生气脱硫接替技术。