去除油田汙水中H2S 的氣提法

2019-02-27 16:17:53 湖北欧美色情在线環保石化設備有限公司

油田汙水的水質複雜,除具有較高的礦化度和溫度外,還有高含量的 H2S 等腐蝕性氣體〔1〕,特別是隨著高含硫油田的開發,部分油田汙水中的 H2S 高達 20~40 mg/L。 H2S 氣體溶於水中會導致水體的 pH 不斷下降,汙水整體呈現酸性,成為高含硫油田汙水處理係統管道腐蝕的主 要原因,而且現在大部分油田的注水水源都采用油 田采出水,更加重了注水係統的腐蝕 〔2〕。

  目前,油田汙水的處理方法主要是向汙水中投加緩蝕劑 、殺菌劑等藥劑〔3〕,緩蝕劑可在金屬壁上成膜以控製腐蝕 〔4〕。但緩蝕劑並不能完全去除汙水中引起腐蝕的因素, 無法從根本上解決腐蝕問題, 而且藥劑的消耗量較大,保護範圍有限, 容易引起二次汙染〔5〕。筆者從氣提角度出發, 擬開發一套有效處理汙水中H2S 的新工藝。

  1 實驗機理

  硫化氫是弱酸, 在水中分步電離:

 

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  硫化氫水溶液中含有 H+、HS-、S2-和 H2S 分子 ,其對金屬的腐蝕為氫去極化過程:

  陽 極 :

 

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  陰極:

 

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  氣提法就是利用氣液平衡原理來處理溶解於水中的H2S。在氣提設備中,使廢水與載氣接觸,並不斷排出氣體,始終保持氣相中的 H2S 實際濃度小於該條件下的平衡濃度,這樣廢水中溶解的 H2S 就不斷轉入氣相,廢水中的 H2S 可得到去除 〔6〕。

  2 實驗部分

  2.1 實驗材料與儀器

  材料:鹽酸 、無水乙醇, 均為分析純 ; 酚酞指示劑、97# 汽油 、0.01 mol/L 氫氧化鈉溶液、A3 碳鋼試片( D 76 mm ×13 mm ×1.5 mm)。

  儀器: CP214 電子天平, 奧豪斯儀器上海有限公司 ; LG-223 恒溫幹燥箱 , 上海愛斯佩克環境儀器有限公司 ; pHS-3D pH 計, 上海精科有限公司 ; 25DBZ- 0.37 單相自吸泵, 上海恒通自吸泵有限公司 。

  實驗用水: 取自勝利油田汙水處理站 , H2S 質量濃度為 7.5~8 mg/L, pH 為 6~6.5。

  2.2 實驗方法

  實驗采用氮氣作載氣 ,實驗工藝流程見圖 1 ( 模擬氣提裝置容積為 0.03 m3)。

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 圖 1 實驗工藝流程

  將含硫汙水倒入密封汙水儲罐,在不調節 pH、分別調節 pH 至 6、5、4.5 的條件下將水樣注入模擬氣提裝置內 ,開始通入氮氣 ,氮氣進入模擬氣 提裝置,將 H2S 氣體帶入中和吸收罐進行脫除。 控製載氣流量分別為 0.1 、0.2、0.3、0.4 m3/h,在各個流量下分別取通氣時間為 0、10、20、30、40、50、60、90、120 min 的水樣,測定餘量 H2S。

  3 實驗結果與討論

  3.1 餘量 H2S 變化

  載氣通量為 0.1 m3/h 時水樣的 H2S 變化見圖 2。

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 圖 2 不同 pH 下 H2S 餘量變化

  由圖 2 可以看出 ,隨著氣提時間的增加 ,汙水中的 H2S 持續降低 ,但如果不調節汙水的 pH,H2S 的去除速率很慢,甚至不能完全去除 ,如將汙水 pH 調至酸性,則去除效率大大增加 。 這是因為汙水中的 H2S 大部分以硫化物的形式存在 ,應先將硫化物轉化為 H2S,再通過氣提法將其完全除去 ,而轉化方法就是將汙水 pH 調至酸性。

  由圖 2 還可以看出 ,pH 為 5、4.5 時 H2S 的去除效果很好,可將汙水中的 H2S 完全去除 ,以 pH 為 4.5 時的去除效率最高。

  圖 3 是不同載氣通量下的 H2S 餘量變化。 由圖 3可以看出 ,時間一定時,H2S 的去除率隨著載氣通量的增加而增加,載氣通量為 0.3、0.4 m3/h 時,40 min 時可將 H2S 完全去除。

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 圖 3 不同載氣通量下 H2S 餘量變化

  分析其原因 : 向汙水中通入純淨的氮氣後 ,根據氣液平衡原理,液相中的 H2S 會向氮氣中擴散直到飽和 ,隨後排除氮氣,可將 H2S 一並去除。 當氮氣通量增加時,其容納 H2S 氣體的能力更強 ,氮氣與汙水的接觸麵積也增大 ,H2S 向氮氣擴散的速率變快,所以去除效果更好。 由此可見,載氣通量選擇 0.3 m3/h 或 0.4 m3/h 最為適合。

  3.2 pH 變化

  實 驗 對 水 樣 pH 隨 時 間 的 變 化 情 況 及 不 同 載氣通量下 pH 的變化進行考察 ,分別如圖 4、圖 5所示 。

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 圖 4 pH 隨時間的變化
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圖 5 不同載氣通量下 pH 與時間的關係

  由圖 4 可以看出 ,水樣的 pH 隨氣提時間的增加逐漸升高,由反應式 (1 ) 可知原因有二 : 一方麵加入的氫離子和汙水中的硫離子反應生成 H2S,導致氫離子減少 ,pH 上升; 另一方麵隨著 H2S 氣體不斷被排出 ,汙水中的 H2S 濃度減小 ,平衡向著生成 H2S 氣體的方向移動 ,氫離子濃度降低 ,水樣 pH 升高。

  從圖 5 還可看出 ,原水 pH 為 5 時載氣通量的增加會加快 pH 的升高速度 。 由於酸性條件下碳鋼的腐蝕速率會明顯加快 ,所以 pH 控製在 6.5 ~7.5 之間時最為合適 ,即通氣時間在 40~60 min 為宜 。

  3.3 腐蝕速率的變化

  考察了不同 pH 原水的腐蝕速率隨氣提時間的變化 ,見圖 6。

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 圖 6 原水的腐蝕速率隨時間的變化

  由圖 6 可以看出 ,隨著氣提時間的增加 ,汙水中的 H2S 不斷減少 ,腐蝕速率隨之下降,0~20 min 時腐蝕速率下降最快。 調節 pH 後 ,腐蝕速率在一定時間內可達到較低水平 ,當 pH 為 5 時 ,通氣 40~50 min 即可將腐蝕速率降到 0.02 mm/a。 但原水 pH

  圖 7 為 pH 為 5 的原水在不同載氣通量下的腐蝕速率隨氣提時間的變化。 可以看出腐蝕速率都得到降低 ,在載氣通量為 0.4 m3/h 時效果最佳。 由於 0.3 m3/h 的載氣通量下也可以達到預期的效果 ,從成本方麵考慮,選擇 0.3 m3/h 的載氣通量較為合適。

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 圖 7 不同載氣通量下腐蝕速率與時間的關係

  4 結論

  (1)為完全去除 H2S,將氣提裝置進口水樣的pH 調節到 5,氣提時間為 40~50 min,載氣通量為0.3 m3/h ( 即 氣 水 比 為 6 ∶1 )。 在 此 條 件 下 既 可 將 H2S 完全去除,又可使汙水 pH 保持在 7.0~7.5,降低了碳鋼腐蝕程度。

  (2)上述操作條件下腐蝕速率可下降到 0.020 mm/a,有效控製了油田汙水對碳鋼的腐蝕。

  (3)為降低成本,可在後續工藝中加入氮氣回收裝置,將氮氣循環利用 。

  實驗表明采用氣提法去除油田 汙水中的 H2S 氣體效果良好。 如推廣到工業應用 ,則可延長油井管柱的使用壽命,減少修井次數,節約大量修井作業費用 ,同時穩定水質 ,促進原油的穩產增產 。