长庆气田天然气净化厂脱硫脱碳工艺优化探讨.pdf

石 工 程建设 工程设计 ■■ 长庆 气 田天 然 气 净化 厂 脱硫 脱碳 工 艺 优 化 探讨 张文超 ，罗小明 2 i] E - 兵 ’ ，薛政 ’ ，薛 1 ． 西安长庆科技工程有限责任公司，陕西西安 7 1 0 0 1 8 2 ． 中国石油大学 华东 ，山东青岛 2 6 6 5 8 0 d o i l O 3 9 6 9 4 ． i s s n ． 1 0 0 1 2 2 0 6 ． 2 0 1 5 ． 0 5 ． 0 1 1 摘要 以长庆气田2 0 1 3 年建设的第四天然气净化厂为例，对脱硫脱碳工艺提出了1 1 项优化措施，涉及塔内件结构、 溶液酸气负荷、原料气过滤精度、原料天然气温度控制、装置对组分变化的适应能力、吸收塔填料设置、酸气 焚烧模式、再生系统材质选择、冷却方式、放空规模和脱水尾气处理等。项目经过一年的实际运行 ，达到了扩 大装置处理规模 ，增强装置适应原料气组分变化能力， 建设具有一定的借鉴作用。 关键词 以及提高安全环保等级的目的 ，对类似天然气净化厂的 天然气净化厂 ；脱硫脱碳 ；高碳硫比；溶液酸气负荷 ；酸气焚烧；脱水尾- 一h 理 D i s c u s s i o n o n D e s u lf u r i z a t i o n a n d D e c a r b o n i z a t i o n P r o c e s s Op t i mi z a t i o n a t Na t u r a l Ga s P u r i f i c a t i o n P l a n t i n C h a n g q i n g Ga s F i e l d ZHANG W en c h a o ， L UO Xi a o m i n g ， LI U Z i bi n g ，XUE Zh en g’ ，XUE Ga n g’ 1 ． Xi ’a n Ch a n gq i n g Tec h n ol o gy En gi n ee r i n g Co． ， L t d． ，Xi ’ a n 71 0 01 8， Chi n a 2 ． Ch i n a Un i v e r s it y o f P e t r o l e u m ，Qi n g d a o 2 6 6 5 8 0 ， C h i n a Ab s t r a c t Tak i n a t he F ou r t h Na t ur a l Gas Pu r i f i c a t i o n P l an t i n Cha n qi n g Oi l f i el d，t h a t w a s bui lt i n 201 3， f or ex a m p l e， t hi s O a p e r b r i n g s f o r wa r d 1 1 i t e ms o f o p t i miz a t i o n me a s u r e s o f d e s u lf u r i z a t i o n a n d d e c a r b o n i z a t i o n p r o c e s s， i n vo l vi n g s t r u c t ur e o f t o wer i n t e r n a l p a r t s， s ou r g a s l o a di n g o f s ol u t i o n， r a w ga s f i lt r a t i o n pr e cision， r a w ga s t e m p er a t u r e c on t r ol ， a d a p t a bi l i t y o f e qu i pm e n t t o c om p os i t i on v e r if i c a t i on， p a c k i ng ma t er i al s e t t i n g i n a b s or p t i on t ower ， s ou r g a s b ur ning wa y， r e ge n er a t i o n s y s t em m a t er i a l s el e c t ion， c oo l i n g wa y， g a s di s c h a r g i ng s c a l e a n d de h yd r a t e d e xh a u s t ga s t r e a t m e n t ． Af t er t h e pr oc e s s op t i m i z a t i o n， t he e qu i pmen t r ea c h es t he g oa l o f e xp a n di n g t r e a t m en t s c ale， e nh an c i n g a d a p t a b i l it y t o r a w g as c o m p os i t i on v er i f ic a t i o n an d r a s mg t h e c l a s s o f s a f e t y a n d en vir o nm e n t al pr o t e c t i o n． K e y w o r d s n a t u r a l g a s p u r i f i c a t i o n；d e s u l f u r i z a t i o n a n d d e c a r b o n i z a t i o n；h i g h r a t i o n o f s u lf u r t o c a r b o n ；s o u r g a s l o a d i n g o f s ol u t ion；s ou r g a s b ur ni n g；deh ydr a t e d ex h a us t ga s t r e a t men t 1 工程概况 长庆气田第四天然气净化厂位于陕西省志丹县境 内 ，设计规模为 3 0亿 m3 ／ a 2 0℃ ，1 0 1 ．3 2 5 k P a ， 下 同，占地面积 8 ． 8 7万 m ，该净化厂 2 0 1 3年建 成并一次投产成功 ，且经过了 3 0 ％、5 0 ％、8 0 ％ 0 1 1 0 ％ 处理规模的考核 ，运行稳定。该净化厂设置 2 列 4 5 0万 m3 ／ d脱硫脱碳 、脱水装置 ，脱硫脱碳工艺 采用了混合醇胺法 MD E AD E AD，脱水工艺采用 三甘醇吸收工艺 ，并配套建设有尾气焚烧装置、甲醇 第4 1 卷 第 5 期4 3 l l工程设计 石油l 程建设 回收装置、污水回注装置、火炬系统和硫磺回收装置 等，净化后商品气输往西安 ，以满足西安及管道周边 用户需求。 长庆气田含硫天然气具有以下特点 C O 含量较 高，一般大于 5 ％ 体积比，下同 ；H S含量相对 较低，一般小于 0 ． 1 ％；C O ／ H S 摩尔比，下同 较高，比值一般在 9 0～6 6 4之间；有机硫化物含量 很少 ；气体温度较低 3～1 8 o C 。在 1 9 9 6 2 0 0 3 年间已经建成 3座天然气净化厂并安全运行至今。 2 0 1 3 年建成投产的第四天然气净化厂原料天然 气中 H 2 S含量约 5 6 0 mg ／ m。 ，C O2 含量≤6 ％，进厂 压力 4 ． 9 MP a 。原料天然气在厂内经分离、计量后 ， 进入脱硫脱碳装置脱除几乎所有的 H S和部分 C O ， 再经脱水装置脱水 ，净化气满足现行国家标准 G B 1 7 8 2 0 2 0 1 2 天然气 中规定的 l l 类商品气技术指 标 。 2 脱硫脱碳工艺 天然气脱硫脱碳方法较多 ，一般包括化学吸收 法、物理吸收法、物理 一化学吸收法、直接转化法、 固体吸附法、膜分离法等，不同的气质条件对应不同 的方法。目前，化学溶剂吸收的醇胺法在我国天然气 净化领域应用比较广泛，它以弱碱性的醇胺溶液为吸 收溶剂 ，与原料气中的酸性气体 以 H S和 C O 为 主 反应生成化合物，吸收了酸性气体的富液通过 升温降压 ，使化合物分解并释放出酸性气体而再生并 循环使用。 长庆气田以前建成的第一 、第二净化厂采用了 MD E A醇胺法 ，第三净化厂引进了 MDE A配方溶液， MD E A溶液具有选择性吸收硫化氢、能耗低 、腐蚀 轻微、溶剂损失少、稳定性好等优点。在初期气田原 料天然气中 C O 含量不高的情况下，MD E A醇胺法 可满足原料天然气净化要求，随着气田开发的持续 ， 原料天然气中 H S和 C O 含量都在增加 ，净化气指 标一特别是 C O 含量指标超出了商品气技术指标 的要求。因此 ，净化厂在脱除原料天然气中 H S的同 时 ，还需要同时脱除大量的 C O 。长庆气田在应用 MD E AD E A混合醇胺法脱硫脱碳方面进行了大量 的室内试验和现场应用工作，并确定了适合本气田配 比的混合醇胺法 MDE AD E A 。例如第一净化厂 C O 含量设计时为 3 ． 0 2 ％，实际运仃2 - 时达到 5 ． 1 5 ％， 最后通过扩建 1套 4 0 0万 m3 ／ d脱硫脱碳装置 ，对 C O 进行深度脱除，C O 含量达到 1 ． 2 ％ 以下 ，达到 标准要求。 目前，长庆气田净化厂采用的混合醇胺法脱硫 脱碳工艺流程示意见图 1 。 3 净化厂的优化改进措施 图 1 第四净化厂脱硫脱碳 工艺流程示意 3 ． 1 应用 A D V高性能微分浮阀 第四天然气净化厂对脱硫脱碳吸收塔和再生塔 内件进行了优化，其浮阀由传统的 F 1 型改选为 A D V 高性能微分浮阀，该浮阀顶面开有均匀分布的 3个小 切孔，切孔带有导向作用，部分气流由此喷出，能形 成细密的气泡，可充分利用浮阀上部的传质空间，使 气液接触更充分，提高了传质效率。同时，浮阀下部 的气体负荷减少，减轻了高负荷下气流的冲击 ，从而 减少了雾沫夹带，提高了生产能力。 A D V高性能浮阀 ，可消除塔板上的液体滞流区， 促进液体分布接近理想的流动分布，使气体以均匀的 张文超等长厌气田天然气净化厂脱硫脱碳工艺优化探讨 泡沫密度穿过整个鼓泡区。同时导向作用改善了塔盘 上的存垢情况，延长了塔的运行时间。另外可消除液 体的旁流现象，提高板效率。根据目前运行情况 ，操 作弹I1、生 达至 0 3 0 ％ 一1 1 0 ％。 3 ． 2 优化溶液酸气负荷 第四天然气净化厂的酸气负荷设计取值在 0 ． 4 - mo l 酸性气／ mo f 胺 下同左右，较传统取值偏低。酸气 负荷是醇胺法脱硫脱碳的关键参数 ，决定了溶液循环 量、再生系统的规模和能耗水平 ，酸气负荷高则溶液 循环量减少，再生系统规模及能耗降低 ，但溶液腐蚀 性增强 ；反之 ，再生系统规模及能耗增加 ，溶液腐蚀 性减弱。根据已建净化厂的运行情况 ，第三净化厂设 计酸气负荷为 0 ． 6，但再生系统腐蚀情况严重 ，而第 一 、第二净化厂运行酸气负荷调整至 0 ． 3 5左右，溶液 腐蚀I生 相对较弱，再生系统正常运行周期明显延长。 3 ． 3 严格控制原料气过滤精度 原料天然气的杂质含量对脱硫脱碳装置的正常运 行影响较大 ，净化厂的实际运行情况也证明了这点 ， 原料天然气的杂质含量较高将引起醇胺溶液发泡及拦 液频率的增加，影响脱硫脱碳装置的正常运行。例如 原料天然气中游离水的存在将引起醇胺溶液中 C r离 子含量积累速率增加 ，从而加剧系统的腐蚀。烃液和 固体夹带会严重污染溶液 ，是引起塔器发泡的主要原 因之～，容易造成热换设备效率的下降甚至堵塞。 第四天然气净化厂从原料天然气进厂起共设置 3 级分离系统， 第一级为大容量卧式重力分离， 分离掉 大量的游离液和固体杂质；第二级为粗过滤 ，除去气 流中 5～1 0 u m 的固体颗粒和液滴 ；第三级为精过 滤，1 u m以上机械杂质除去率达 g 9 ． 9 ％。 3 ． 4 稳定和提高进料温度 吸收塔内温度场的稳定对醇胺溶液的发泡趋势有 抑制作用。当吸收与再生系统建立起了平衡且处于稳 定状态时，任何参数的过度变化者 刚 哿 打破平衡 ，引起 装置运行的波动，气量、压力的波动趋势较缓 ，而温 度的变化较为频繁。第四天然气净化厂设计时在吸收 塔前设置气 ／ 气换热 ，利用塔顶气对进塔原料气温度 进行控制 ；通过循环水和空冷控制进塔贫液温度从而 控制出塔天然气温度，进而使吸收塔塔内温度相对稳 定，减少拦液及发泡的产生，使装置运行平稳。 在分离后适当提高进塔温度，可避免原料天然气 工程设计 l 中烃类的凝析 ，使原料天然气工况温度高于烃露点 ， 避免了烃类凝析的可能。 3 ． 5 提高装置对原料气组分变化的适应能力 在天然气的开发过程中，随着生产时间的延长组 分将发生变化 ，如第一净化厂 ，原料气中 C O 含量 已增长到 1 9 9 7年建成初期的 1 ． 7 3倍 ；第二净化厂 H S含量已超出 2 0 0 1 年建成时 1 1 5 5 mg ／ m。 的原设 计值。组分的变化， 将导致运行参数的变化，一般可 采用如下措施来适应组分变化 增加或减少醇胺溶液 的循环量 ，调整醇胺溶液的浓度或旁通吸收塔的塔盘 数量 ， 氏 或增加贫液的残余酸气负荷等。溶液循环 量的大小可以通过调整循环泵运行台数 大、小配 置 、泵的转速或出口调节阀的开度来实现；溶液浓 度的调整相对复杂，一般可通过泄放及补充不同浓度 的溶液加以调整，但调整前需要精确计算 ，且溶液易 造成再生系统运行的波动 ；旁通吸收塔的塔盘操作最 为简单，在设计时设置多个贫液进料口，正常运行时 运行中间的进料口， 组分、流量等参数变化时调整其 他进料口的进液量 ，例如当 C O 含量增加 ，可以增 加上层进料口的贫液量甚至全部调整进入该进料口； 调整残余酸气负荷可通过提高或 氏 再生塔重沸器的 加热负荷来实现 ，例如适当提高再生温度则相应提高 富液的再生程度，降低了贫液的残余酸气负荷 ，实现 原料天然气 C O 脱除量的增加 ，该调节余量较小且 操作复杂。以上措施在该新建净化厂的设置时都已加 以考虑，例如脱硫吸收塔设置了三个贫液进料口，循 环泵选用变频电机和出口调节阀等，这些措施都可满 足进料气质条件变化时的灵活操作。 3 ． 6 优化吸收塔填料设置 ，减少含硫闪蒸气 由吸收塔排出的富液直接进入闪蒸塔 ，将有大量 的含硫闪蒸气排出 ，这部分闪蒸气虽可以在闪蒸塔内 进行脱硫，但效果有限，且含有饱和水 ，将其作为燃 料气利用有一定的风险 ，常规做法是在吸收塔塔底增 加散堆填料 ，使富液中溶解的原料天然气减少，但该 措施也存在～定的问题 ，即吸收塔塔底的醇胺富液会 一 直有气泡上升 ，造成塔底溶液的不稳定，影响塔底 液位检测的准确与稳定 ，影响液位的控制精度，甚至 造成超低液位关断阀的非正常启动。第四天然气净化 厂在设计时取消了塔底散堆填料 ，而在液面与原料天 然气进口之间增加一段填料 ，使大量气体在溶液液面 上面闪蒸，避免了塔底溶液的起泡影响液位的检测。 ■■ 工程设计 石 工 程建设 3 ． 7 优化酸气焚烧模式 长庆气田酸气中 H S的含量一般在 2 ％ 左右 ， 而 C O 的含量都超过 9 0 ％，属于贫酸气 ，另含有部 分溶解的 C H 等烃类气体。酸气正常处理工艺都采 用了脱硫技术，总硫去除率满足国家排放要求。为了 提高酸气排放的可靠性， 氏 脱硫投资，在酸气脱硫 装置后串联了尾气焚烧装置。 以前建成的 3座净化厂的尾气焚烧装置都采用了 自然通风的负压燃烧焚烧炉 ，第四天然气建净化厂则 调整为强制鼓风的负压燃烧焚烧炉，该系统具有密闭 性较高、燃烧调节控制方便、安全可靠性较高、燃烧 温度高、燃烧稳定和 H S转换率高等优点。 3 ． 8 优化再生系统材质选择 根据以前建成的 3 座净化厂运行情况，脱硫脱碳 装置的再生系统腐蚀较为严重 ，特别是再生塔及塔底 重沸器。主要原因是二者的运行温度较高 ，最高达 1 2 2。 C左右 ，介质处于气液相混合态 ，除了含有大 量的 C O 和 H S腐蚀性气体外 ，随着运行时间的增 加液体中 C r含量明显增高，导致腐蚀加剧。本系统 介质的组分与参数、状态变化较大，如果全部采用高 级别耐蚀钢 ，投资较大。因而新建净化厂根据不同设 备甚至同一设备的不同部位的介质特性，选用不同材 质 。例如再生塔塔顶温度相对较低 ，介质主要为气 态，塔中部是气液两相区，下部为积液室，筒体采用 了不同的复合材质钢板 ，上筒体为 Q 3 4 5 R 3 0 4 0 3 不锈钢 ，下筒体为 Q 3 4 5 R 3 1 8 0 3双相不锈钢管 材；塔内件材质均采用 3 0 4 0 3不锈钢。 3 ． 9 采用空冷为主，水冷为辅，减少水量消耗 陕北地区严重缺水 ，在净化厂设计过程中首先 要考虑尽量减少水的消耗 ，而脱硫脱碳、脱水和含甲 醇污水的再生都需要冷却介质 ，水冷的效果最理想 ， 装置运行更稳定。采用空冷虽是节水的最佳选择，但 存在冬、夏季和昼液温差较大的不利情况 ，空冷器虽 可满足气温的大幅度变化，但需采用多台并联和变频 调节，投资较大，如果在气温最高的季节采用水冷调 节， 无疑将大幅度降低空冷投资。 因而第四天然气净化厂采用以空冷为主的冷却方 式，仅在夏季气温高于 3 2℃ 时，启用循环水进行水 冷调节， 这样全年运行下来节水效果显著。 3 ． 1 0 分区控制，减少放空规模 以前建成的天然气处理厂、净化厂放空规模为全 量放空 ，造成放空规模过大，投资增／0 0 0 资源浪费。 第四天然气净化厂设计时提高了 E S D设置等级，在火 灾工况下首先截断气源，并在净化厂设置 5 个泄放区， 每个区仅设置 1 个放空点 ，并采用限流孔板，在满足 泄放时间的情况下，尽量降低放空初期瞬时放空量， 火灾工况下总放空气量约为全量放空的一半。 3 ． 1 1 碱液吸收与灼烧排放相结合 ，降低脱水装置尾 气影响 三甘醇再生系统的尾气主要成分是水蒸气，含有 少量的汽提原料天然气，其中包括少量的硫化氢、硫 醇和苯类气体，由于压力低 微正压 ，常规处理模式 为就近高处排放 ，但异味较大，对员工的身心健康造 成损害。第四天然气净化厂增设了脱水尾气处理装置， 采用了 “ N a OH碱液吸收 灼烧排放”的方式对尾气 进行综合处理。根据现场运行情况来看，效果较好。 4 结束语 长庆气田第四天然气净化厂投产至今已稳定运行 接近一年时间，经过了寒冷冬季和炎热夏季的考验 ， 各项指标都达到或优于设计指标，由此证明脱硫脱碳 工艺技术的 1 1 项优化改进措施起到了显著作用 ，也 可为类似天然气净化厂的建设提供借鉴。 参考文献 ⋯ 刘子兵， 陈小锋 ， 薛岗， 等． 长庆气田天然气集输及净化处理工艺 技术【 J ] ． 石油工程建设 ， 2 0 1 3 ， 3 9 5 5 4 6 O ． [ 2 】夏太武 ， 等 ． S I L 在天然气净化厂控制系统安全分析中的应用 [J 】 ． 天然气工业， 【 3 】 王遇冬． 天然气处理与工艺[ M】 北京 中国石化出版社， 2 0 0 7 【 4 】王遇冬， 王登海 MD E A配方溶液在天然气脱硫脱碳中的选用 [ J ] ． 石油与天然气化工， 2 0 0 3 ， 3 2 5 2 9 1 2 9 4 ． 【 5 】 刘蔷高． 含硫天然气脱硫工艺方案对比与优选【 D l l J或 都 西南石 油大学 ， 2 0 0 8 ． 作者简介 张文超 1 9 8 3 一 ，河北文安人 ，工程师，2 0 0 5 年毕业于西安石 油大学化学工程与工艺专业，长期从事天然气净化、处理、硫磺 回收设计和研究工作。 收稿日期 2 0 1 4 1 2 一 O 2