气提法去除油田污水中H2S的实验研究

Posted 2023-01-12 水

篇首语：书史足自悦，安用勤与劬。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了气提法去除油田污水中H2S的实验研究相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

油田污水的水质复杂，除具有较高的矿化度和温度外，还有高含量的H2S等腐蚀性气体，特别是随着高含硫油田的开发，部分油田污水中的H2S高达20～40mg/L。H2S气体溶于水中会导致水体的pH不断下降，污水整体呈现酸性，成为高含硫油田污水处理系统管道腐蚀的主要原因，而且现在大部分油田的注水水源都采用油田采出水，更加重了注水系统的腐蚀。　　目前，油田污水的处理方法主要是向中投加缓蚀剂、杀菌剂等药剂，缓蚀剂可在金属壁上成膜以控制腐蚀。但缓蚀剂并不能完全去除污水中引起腐蚀的因素，无法从根本上解决腐蚀问题，而且药剂的消耗量较大，保护范围有限，容易引起二次污染。笔者从气提角度出发，拟开发一套有效处理污水中H2S的新工艺。
1实验机理
硫化氢是弱酸，在水中分步电离：

硫化氢水溶液中含有H+、HS-、S2-和H2S分子，其对金属的腐蚀为氢去极化过程：
阳极：

阴极：

气提法就是利用气液平衡原理来处理溶解于水中的H2S。在气提设备中，使废水与载气接触，并不断排出气体，始终保持气相中的H2S实际浓度小于该条件下的平衡浓度，这样废水中溶解的H2S就不断转入气相，废水中的H2S可得到去除。
2实验部分
2.1实验材料与仪器
材料：盐酸、无水乙醇，均为分析纯；酚酞指示剂、97#汽油、0.01mol/L氢氧化钠溶液、A3碳钢试片(D76mm×13mm×1.5mm)。
仪器：CP214电子天平，奥豪斯仪器上海有限公司；LG-223恒温干燥箱，上海爱斯佩克环境仪器有限公司；pHS-3DpH计，上海精科有限公司；25DBZ-0.37单相自吸泵，上海恒通自吸泵有限公司。
实验用水：取自胜利油田污水处理站，H2S质量浓度为7.5～8mg/L，pH为6～6.5。
2.2实验方法
实验采用氮气作载气，实验工艺流程见图1(模拟气提装置容积为0.03m3)。

图1实验工艺流程
将含硫污水倒入密封污水储罐，在不调节pH、分别调节pH至6、5、4.5的条件下将水样注入模拟气提装置内，开始通入氮气，氮气进入模拟气提装置，将H2S气体带入中和吸收罐进行脱除。控制载气流量分别为0.1、0.2、0.3、0.4m3/h，在各个流量下分别取通气时间为0、10、20、30、40、50、60、90、120min的水样，测定余量H2S。
3实验结果与讨论
3.1余量H2S变化
载气通量为0.1m3/h时水样的H2S变化见图2。

图2不同pH下H2S余量变化
由图2可以看出，随着气提时间的增加，污水中的H2S持续降低，但如果不调节污水的pH，H2S的去除速率很慢，甚至不能完全去除，如将污水pH调至酸性，则去除效率大大增加。这是因为污水中的H2S大部分以硫化物的形式存在，应先将硫化物转化为H2S，再通过气提法将其完全除去，而转化方法就是将污水pH调至酸性。
由图2还可以看出，pH为5、4.5时H2S的去除效果很好，可将污水中的H2S完全去除，以pH为4.5时的去除效率最高。
图3是不同载气通量下的H2S余量变化。由图3可以看出，时间一定时，H2S的去除率随着载气通量的增加而增加，载气通量为0.3、0.4m3/h时，40min时可将H2S完全去除。

图3不同载气通量下H2S余量变化
分析其原因：向污水中通入纯净的氮气后，根据气液平衡原理，液相中的H2S会向氮气中扩散直到饱和，随后排除氮气，可将H2S一并去除。当氮气通量增加时，其容纳H2S气体的能力更强，氮气与污水的接触面积也增大，H2S向氮气扩散的速率变快，所以去除效果更好。由此可见，载气通量选择0.3m3/h或0.4m3/h最为适合。
3.2pH变化
实验对水样pH随时间的变化情况及不同载气通量下pH的变化进行考察，分别如图4、图5所示。

图4pH随时间的变化

图5不同载气通量下pH与时间的关系
由图4可以看出，水样的pH随气提时间的增加逐渐升高，由反应式(1)可知原因有二：一方面加入的氢离子和污水中的硫离子反应生成H2S，导致氢离子减少，pH上升；另一方面随着H2S气体不断被排出，污水中的H2S浓度减小，平衡向着生成H2S气体的方向移动，氢离子浓度降低，水样pH升高。
从图5还可看出，原水pH为5时载气通量的增加会加快pH的升高速度。由于酸性条件下碳钢的腐蚀速率会明显加快，所以pH控制在6.5～7.5之间时最为合适，即通气时间在40～60min为宜。
3.3腐蚀速率的变化
考察了不同pH原水的腐蚀速率随气提时间的变化，见图6。

图6原水的腐蚀速率随时间的变化
由图6可以看出，随着气提时间的增加，污水中的H2S不断减少，腐蚀速率随之下降，0～20min时腐蚀速率下降最快。调节pH后，腐蚀速率在一定时间内可达到较低水平，当pH为5时，通气40～50min即可将腐蚀速率降到0.02mm/a。但原水pH<5时，会由于水样酸性太强而导致腐蚀速率升高。综合考虑，原水pH最低可以调至5。
图7为pH为5的原水在不同载气通量下的腐蚀速率随气提时间的变化。可以看出腐蚀速率都得到降低，在载气通量为0.4m3/h时效果最佳。由于0.3m3/h的载气通量下也可以达到预期的效果，从成本方面考虑，选择0.3m3/h的载气通量较为合适。

图7不同载气通量下腐蚀速率与时间的关系
4结论
(1)为完全去除H2S，将气提装置进口水样的pH调节到5，气提时间为40～50min，载气通量为0.3m3/h(即气水比为6∶1)。在此条件下既可将H2S完全去除，又可使污水pH保持在7.0～7.5，降低了碳钢腐蚀程度。
(2)上述操作条件下腐蚀速率可下降到0.020mm/a，有效控制了油田污水对碳钢的腐蚀。
(3)为降低成本，可在后续工艺中加入氮气回收装置，将氮气循环利用。
实验表明采用气提法去除油田污水中的H2S气体效果良好。如推广到工业应用，则可延长油井管柱的使用寿命，减少修井次数，节约大量修井作业费用，同时稳定水质，促进原油的稳产增产。