天然气净化工艺设计要点及优化-.pdf

3 6 天 然 与 与 右 油 N AT UR AL GAS A ND OI L 2 0 1 2年 2月 天然气净化工艺设计要点及优化 蒲远洋 罗绍春 闵 刚 ’ 李文丰 黄文峰 ’ 韩国强 。 1 ． 中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司， I 1 1 成都6 1 0 0 1 7 2 ． 中国石油吉林油田分公司 ， 吉林松原1 3 8 0 0 0 3 _ 中国石油塔里木油 田公司， 新疆库尔勒8 4 1 0 0 0 摘 要 胺 法至今仍是 国内外应用最广泛的酸性天然气脱硫脱碳 工艺方法 ，国 内已有超过五十年 的使 用经验。脱硫脱碳装置在 生产 中出现不 同程度的拦液现象， 导致脱硫脱碳 装置处理 能力严 重下降 ； 天然气净化度不合格 ， 溶液发 泡引起雾沫夹 带， 导致大量胺溶液 随气流带走 ， 造 成溶液损耗 急剧增 加及 严重的经济损 失。 在总结过去几十年 天然气净化工 艺设计和 生产操作经验的基础上 ， 提 出了天 然气净化工艺设计要点， 重点为脱硫脱碳装置工艺流程设计和关键设备选型 ； 阐述 了脱硫脱碳装 置 的原料气分 离系统、 胺液再 生系统 、 胺液过滤及惰气保护、 胺 液和酸气冷却 、 贫胺液增压及 循环 泵等 方面应重点注意的 问题和 工艺设 计方案 的优化 ； 分析 了净化工艺流程 中的塔 、 容器 、 冷换 设备 、 泵类 等关键设备 的设计要点。 关键 词 工 艺设计 ； 天然气净化 ； 胺液 吸收； 拦液 ； 胺液再生 ； 工艺参数； 优化 文献 标识 码 A 文章 编号 1 0 0 6 5 5 3 9 2 0 1 2 O l 一 0 0 3 6 0 5 0前 言 天然气作为一种重要的化工原料和洁净 、方便 、 高效的优质燃料 ， 其开发、 利用备受关注 。 但大部分原 料天然气含有 H 2 S 、 C O 和有机硫化合物 ， 这些组分会 造成金属材料的严重腐蚀Ⅲ 并污染环境。 因此 ， 在天然 气外输前必须对原料天然气进行净化处理。 从 2 0世纪 6 0年代初以来 ， 国内外最重要 、 最广 泛 的天 然气 脱硫脱 碳工 艺方 法是 醇胺法 和砜 胺法 。 在 近五十年的使用过程中， 脱硫脱碳装置在生产中均出 现不同程度的拦液现象 ，导致处理能力严重下降， 天 然气净化度不合格 ， 溶液发泡 引起雾沫夹带 ， 导致 大 量胺溶液 随气流带走 ， 溶液损耗 急剧增加 ， 造成 了严 重的经济损失 。在总结生产操作经验时 ， 必须十分重 视工艺设计水平 的提高 。根据天然气净化工艺要求 ， 无论何种醇胺法或砜胺法工艺流程均大同小异 ， 其工 艺设计要点及优化是提高天然气净化生产效率 、 装置 安全平稳运行的重要保 障。 1 原料气分 离系统 不论原料气气质条件如何都应 当十分重视原料 气的分离 。胺法装置经常发生的腐蚀和溶液发泡 、 换 热设备热阻增加等都与原料气携带 的污染物进入胺 液系统有关。这些污染物主要包括缓蚀剂 、 防冻剂、 凝 析油、 气 田水 含 N a C 1 、 N a 2 S O 等无机盐 、 固体杂质和 收稿 日期 2 01 1 - 0 9 1 6 基 金 项 目 中国石油天然气集 团公司海外 重点工程资助项 目 2 0 0 7 1 4 集 冀 1 97 8 ，男 ， 四 川 南 部 人 ，工 程 师 ，硕 士 ， 主 要 从 事 天 然 气 加 工 工 艺 技 术 研 究 及 工 程 设 计 工 作 。 蒲 远 洋 一 ，男 ， 四 川 南 部 人 ，工 程 师 ，硕 士 ， 主 要 从 事 天 然 气 加 工 工 艺 技 术 针 冤 及 上 程 1芟 计 上 作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 0卷第 1期 OI L AND GAS TRE A Tl NG A ND PROCE SS I NG 设备的腐蚀产物等 ， 如 F e S 、 F e O H ， 等。胺液对液烃 的吸收和 固体夹带物是引起吸收塔发泡 、拦液 的原 因。在脱硫脱碳工艺设计 中， 应充分考虑原料气在上 游装置未分离完全而带入的污染物 瞬间流量可能较 大 的特 点 ，通 常 在 原 料 气 进 入 脱硫 脱 碳 吸 收塔 前 设 置 两级分离 第一级为重 力分离 ， 采用卧式重力分离 器 第二级 为过滤分离 ，采用卧式快 开式过滤分离 器。重力分离器设置在前可 以减少后 面过滤分离器 的负荷 ， 这种工艺流程设置是十分合理且必要 的。整 个 原料气分离 系统所分 离的污染物 粒径 由大到小 ， 在 重力 分 离 器 内 。既 可 分 离 瞬 间 流量 很 高 的 液体 物 流 尤其是在上游管道通球时 ， 又可使粒径 1 0 0 Ix m 的固体或液体缓 冲沉 降分离 。当通过设 在重力分离 器出 口的丝 网除雾器后 ，可除去气流 中 5 ～ 1 0 m的 雾滴 ；在过 滤分离器 中可 除去大部分 5 m的固体 和液体颗粒 。 2 胺液吸收塔和再 生塔 2 ． 1 工 艺设计 要 点 a 当塔直径 ≥0 ． 8 m时， 采用板式塔 。考虑到胺液 被污染容易起泡的特点 ， 在工艺计算塔径时， 不宜采用 过小 的塔盘板间距 。通常采用的板间距宜为 6 0 0 mm， 为检修方便 ， 塔人孔处板间距宜为 8 0 0 m m L b 浮 阀塔盘具有效率高 弹性大 、 处理能力 比泡 罩塔高、 兼有筛板塔和泡罩塔 的特点 ， 应优先选用 ； c 计算浮阀塔盘鼓泡面积时 ． 需要先计算浮阀数 ， 一 般采用临界阀孑 L 速度确定浮阀数 ； d 采用 MD E A对 H 2 S选吸时 ， 在满足 H S净化度 前提下 ， 同时降低 C O 共 吸率 ， 吸收塔宜有两个或两 个 以上 的贫液进 口， 以便调节； e 为了防止吸收塔底产生漩涡 ， 使富液 中溶解及 夹带 的大量烃类至富液闪蒸罐 ， 一般在吸收塔底装填 一 段高 6 0 0 mm的共轭环填料或设其它防漩涡设施 。 2． 2主 要控 制 2 ． 2 ． 1 吸收塔 吸收塔是用胺液吸收 H 2 S 、 C O 等物质的设备 ， 要 保证吸收塔 良好的工作 ，一是进料天然气含杂质少 ， 并对胺液不发生反应 二是胺液 比较干净 。满足这两 个条件 ， 保证吸收塔长期平稳运行 。图 l 是天然气处 理厂常用的控制方案 ， 图 1中贫液入塔流量控制为三 路 按 2 O层 塔 盘进 行 讨论 。贫 液 三路 流 量控 制 主要 是 根 据 H S 、 C O 在 天 然 气 中 的不 同含 量 选 择 每路 的 控制量 ， 可以满足硫碳 比合理情况下的 H 2 S和 C O 含 量 ， 并且能够很好地控制气液 比。 油 号加工 图 1吸收塔控制图 2 ． 2 ． 2再 生塔 再 生塔 是 在一 定 的温 度 ， 解 析 出富 液 中的 H 2 s和 C O ， 达到胺液可以重新使用的目的。再生塔 的热量来 源主要靠重沸器加热富液 ，温度要求控制在 1 2 1 o C 。 但实际上 ， 再生塔的温度控制是在塔顶 ， 一般的控制 方案是采用温度一蒸汽流量串级调节。一般重沸器都 是采用热虹吸重沸器 ， 其安装位置严格计算确定。 再 生塔 生产 过 程 中如果 出现 拦液 情 况 ， 会 造 成再 生塔底部几层塔盘受冲击作用而损坏 。如图 2所示 ， 当发生拦液时， 富液下不来 ， 重沸器的热流会 向上 冲， 压力上升 ， 由于热虹吸作用 ， 底部压力减小 ， 而顶部由 于拦液压力下降 ， 热流会冲破浮 阀， 在热流压力上升 与底部压力下降处产生真空 ，而这个过程重复进行 ， 就会把塔盘冲裂甚 至冲掉 ，造成再生塔无法工作 ， 甚 至影响装置停产。通常做法是 ， 在再生塔下部采用一 个压力平衡系统 。 防止再生塔产生真空。安装 1台自 力式调节 阀， 其设定压力为再生塔 的操作压力 ， 当再 生塔内压力降低 ，自力式调压阀会 自动打开流入气 体 ， 防止压力降低 ， 可采用氮气来作平衡介质。 图 2再生塔真空平衡控制图 蒸 汽 3 富液闪蒸罐和贫富液换热器 3 ． 1 富 液闪蒸 罐 富液 闪蒸罐是用来除去胺液 中溶解及夹带的大 量烃类 。进入闪蒸罐 的富液降压后 释放 出的烃类经 37 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 8 天 然 亏 与 右 油 N A T U R A L G A S A N D OI L 2 0 1 2年 2月 过 闪蒸 塔脱 除 H S后可 作为 燃料 气进 入燃 料气 系 统 ， 这部分烃类不能进入再生塔 。 如果酸气 中烃类含 量高， 会对下游 的硫磺 回收装置产生较大影响。进入 闪蒸罐 的富液温度不能 高于 7 5℃，流速 不能超过 2 ． 0 m ／ s 。如果 富液的温度超过 7 5℃， H S会从富液中 解析出来 ， 这将对设备产生较大腐蚀 ． 同时会增加 闪 蒸塔的负荷 ； 如果富液流速超过 2 ． 0 m ／ s ， 会冲走附着 在 管 壁 上 的胺 液 膜 ，胺 液 膜 具 有 保 护 管 道 不 被 H2 S 腐蚀的作用。闪蒸罐优化设计推荐最小停 留时间为 2 0 mi n。 闪蒸罐的液位控制非常关键 ． 进入再生塔 的管道 是一根垂直 的上升管道 ， 液位调节 阀应安装在再生塔 顶部 ， 离入 口端越近越好 。如果调节阀安装在底部 ， 可 能造成 C O 。 与 H2 S在管子中闪蒸出来 ， 就会对进人再 生塔的管子产生腐蚀作用 ， 最重要 的是会产生较大的 振 动 ， 影 响再 生塔 的稳 定操 作 。为 了尽量 减 少该 调 节 阀与再生塔入 口的距离， 最好不要设置旁路和前后检 查阀。另外 ， 进入再生塔 的富液温度不能超过 1 0 4℃， 如果超过 1 0 4℃， C O 会从富液 中解析出来 ， 而再生塔 顶 的水分很多， 会发生腐蚀 现象 。一般设计及操作要 求 C O 最好在再生塔 的中部析出， 这样不会造成管道 的腐蚀 。 3 ． 2贫富 液换热 器 ． 2 0世纪 9 0年代 中期前 。国内天然气处理厂换热 器大多采用管壳式换热器 。目前设计的净化厂大多采 用板式换热器。板式换热器 的主要优点是 传热效率 高、 体积小 、 易清洗口 ] 。 4贫胺液、 酸气 的冷却方式 贫胺液 、 酸气通常的冷却方式有三种 全水冷 、 全 空冷 和空 冷 水冷 。 4 ． 1 全水 冷方 案 由于该方案存在投资高 、 能耗高 、 循环水耗量大 及换热器高温部位冷却水易于结垢等弊病 ， 目前已很 少采 用 。 4 ． 2全空冷方案 该方案可取消天然气净化厂循环水 系统 。 降低了 投资、 能耗和操作费用 ， 还可避免污染环境水体 ； 该方 案适用于气温不太高和缺水 或水质较差的地 区， 还可 在橇装装置上采用。是否采用全空冷方案需经过综合 分析和论证 ， 采用干湿联合空冷器可使胺液或酸气冷 却到接近环境气温 ， 湿式空冷器 的最大缺点是喷淋水 会在翅片上结垢 ， 生产操作时应注意于湿空冷 的分界 温度不宜过高， 以及喷淋水的硬度要求 。 4 ． 3空冷 水 冷方 案 该方案的经济效果介于以上两种方案之间。由于 贫液后冷器中热流介质温度较低 ， 大大缓解 了冷却水 的结垢 问题 ， 现大多数工艺设计采用此方案。 5 胺液过滤和惰气保护 系统 5 ． 1 胺 液 过滤 保持胺液 的干净是维持 整个 系统正 常运行 的关 键之一。因此 ， 在贫 、 富液管线上都设置有过滤器 ， 将 溶液中的有害物质硫化铁 、 杂质等过滤掉 ， 胺液中的 一 些降解产物也应及时清除 。前者用机械过滤 ， 后者 用活性炭过滤 。 通常贫液过滤器采用的是活性炭过滤 器 溶液循环量大时应采用部分过滤 ， 反之可以采 用 全过滤 ， 富液过滤器采用袋式过滤器。 根据 胺 液 的情况 可 选用 不 同孔 径 的滤 袋 ． 从 而有 效 地除 去胺 液 中粒径 大 于滤 袋 孔径 的杂质 ． 同 时还 可 以在滤袋中加人磁棒 ， 增强过滤能力 。 有效除去溶液 中的含铁性杂质。由于 R B F袋式过滤器过滤量大 ， 占 地面积小 ， 操作 、 清洗 、 维修方便 ， 因此可将其安装在 闪蒸罐 出口富液管线上 ， 并采用 富液全过滤方式 。采 用 R B F袋式 过滤 器有 以下 优点 ． a R B F袋式过滤器 的入 口胺液来 自富液 闪蒸罐 ． 避免了原料气所带人的杂质被富液带入再生塔 、 重沸 器 、 换热器等 ， 降低换热器渣堵的可能性； b R B F袋式过滤器过滤后 的胺液 中杂质含量 明 显 降低 ， 提高了胺液 的洁净度 ， 也降低了再 生塔重沸 器 的负荷 ， 降低装 置操 作能 耗 C R B F袋式过滤器运用后 ，减少 了溶液发泡率 。 降低了溶液的损失 ，脱硫脱碳装置的运转相对平稳 ． 较明显地提高了净化天然气 的质量。 由于 R B F袋式过滤器采用的为富液全过滤 ， 富液 的温 度在 6 0℃左 右进 入 过 滤器 ．溶解 在 富 液 中的部 分 H S会 解 析 出 来 ， 并 残 留在 过 滤器 中 ， 因此 在 更 换 滤袋 时不 能直 接拆开 过滤 器 ， 以免造 成人 员 中毒 ] 。 为 解决该 问题 ， 可在 R B F袋式过滤器上增加净化天然气 置换 、 吹扫及软化水水洗工艺 ， 把残留在过 滤器 中的 部分胺液及 H2 S置换出来 ， 并 回收处理 。一般根据袋 式过 滤器 压差 的变化 来 确定是 否更 换过 滤袋 。 5 ． 2惰气 保护 系统 为防止胺液 与空气 中的氧气接触生成不可再生 的化学降解产物 ， 导致设备腐蚀和胺液发泡 ， 应 当采 用惰性气体保护胺液 ， 对胺液储罐 、 胺液低位 配制罐 等进行惰性气封 。常用氮气进行氮封 ， 若天然气处理 厂 内无制 氮 装置 ， 也 可甩 净 化天 然气 进行 气封 。为 安 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4O I 天 熟 与 与 石 J2 0 1 2 年 2 月 I N A T U R A L G A S A N D O lL l ’ 增压泵的性能要求。否则 易引起 汽蚀 ， 通常设贫液增 压泵 补充 能 量 ， 设 增 压 泵可 提高 贫 液在 板 式换 热 器 和 贫液空冷器 中的流速 。 提高总传热系数 ， 可减小冷换 设备尺寸。贫液增压泵不宜设在板式换热器之前 ， 因 该 处 温度 较 高 ， 为贫 液泡 点 ， 易汽蚀 。 7 ． 2贫液 循环 泵 ． a 根据脱硫脱碳装置物料平衡计算的贫液循环量 和水力计算所得 的扬程 ， 考虑一定 的富裕量后可作为 选 泵 时 的基本 参数 b 贫液循环泵宜选用离心泵 ， 泵体和过流关键部 件应选用“ 耐 中等硫腐蚀 ” 的材料 ， 应选用机械密封降 低溶剂损耗； c 若天然气处理厂 内有 1 ． 3 MP a或 2 ． 5 MP a压力 蒸 汽系统时 ， 宜选用背压式汽轮机作贫液循 环泵的原 动机 ， 背压蒸汽可供再生塔重沸器加热使用 ， 以便 节 能 。对 贫液 循环 量很 大 和扬 程很 高 的装置 ， 如土 库曼 A 区第一天然气处理厂 ，为 了回收富液的部分压力 能 ， 降低电耗 ， 选用水力透平泵是合理的。在工艺设计 时 ， 无论选用背压式汽轮机或水力透平泵 ， 备用的贫 液循环泵皆由电动机驱动 d 贫 液循 环泵安 装 的理 想位 置是在 贫液空 冷器 之 后。若设在贫液板式换热器与空冷器之间， 势必提高 贫液空冷器的压力 ， 增加设备投资。 8结束 语 在 总结 国 内外 近五 十年 的生产 操作 经验 基础 上 ， 应十分重视提高工艺设计水平 。 为打造 中国石油海外 战略品牌 ， 提升中国石油在海外整装气 田开发中的形 象 ， 使之与其他国际石油天然气工程公司在全球 同类 气 田开发设计 中具较强的竞争力。 参考文献 [ 1 ]王 澎． H s对 天然气处理设备的腐蚀及相应对 策[ J ] ． 天然 气与 石 油 ， 2 0 1 0 ， 2 8 2 3 4 3 6 ． [ 2 ] 关昌伦． 脱硫装置工艺设计要 点【 J ] ． 天然气工业 ， 1 9 9 5 ， 1 5 3 6 8 -71 ． [ 3 ] GP S A ． Ga s P r o c e s s o r s S u p p u o r s A s s o c i a t i o n[ z] ． 6 5 2 6 E a s t 6 0 t h S t r e e t Tul s a ， Ok 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