天然氣處理裝置脫汞工藝選擇

范紅波 朱天富（福建省新五環(huán)工程設(shè)計(jì)院有限公司，上海 201101）

產(chǎn)自油氣田的天然氣一般均含有多種雜質(zhì)，如水、汞、硫及二氧化碳等，這些雜質(zhì)將對(duì)下游工藝產(chǎn)生影響，必須進(jìn)行脫除處理才能使用。汞廣泛存在于自然界，是常溫下唯一呈液態(tài)的銀白色金屬，又稱“水銀”，原子量200.59，沸點(diǎn)356.9℃，凝固點(diǎn)低（-38.8℃）、密度是水的13.6倍，常溫下就能蒸發(fā)。由于汞不溶于水，故水封不能有效阻止其蒸發(fā)。汞不溶于鹽酸及稀硫酸，不與堿液反應(yīng)，但能溶于脂質(zhì)，能溶于多種金屬，如金、銀、錫等，生成合金——汞齊（amalgam），加熱汞齊使汞蒸發(fā)，即可得另一種純凈的金屬，是貴重金屬的提取方法之一。汞的粘度小，易流動(dòng)，無(wú)孔不入，在生產(chǎn)或使用蒸氣可吸附于衣物、墻壁、木材上，擴(kuò)大了污染。目前國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)普遍認(rèn)可將天然氣中的汞含量降低到低于0.01ug/m3，可以達(dá)到要求。

天然氣處理廠的生產(chǎn)裝置包括分子篩脫水、膨脹制冷、重接觸塔、脫乙烷塔、脫丁烷塔、儲(chǔ)運(yùn)等生產(chǎn)設(shè)施，最終產(chǎn)品為干氣、液化石油氣和穩(wěn)定輕烴，干氣管輸至下游各民用及工業(yè)用戶，液化石油氣及穩(wěn)定輕烴裝車外運(yùn)。制冷單元是輕烴回收的核心工藝，經(jīng)分子篩脫水后的天然氣與來(lái)自重接觸塔頂?shù)母蓺狻⒌蜏胤蛛x器分出的凝液進(jìn)行換熱，冷卻至-45℃，回收干氣和凝液的冷量，冷卻的原料氣進(jìn)入膨脹機(jī)膨脹降溫到-93℃左右，再進(jìn)入重接觸塔中分離出干氣，凝液進(jìn)入分餾單元回收輕烴和液化石油氣。圖1為天然氣處理中輕烴回收裝置制冷單元流程示意圖。

圖1 輕烴回收裝置制冷單元流程示意圖

制冷單元的低溫?fù)Q熱一般采用鋁制板翅式換熱器[2]，具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳熱效率高、傳熱溫差小等優(yōu)點(diǎn)，在輕烴回收裝置中通過(guò)鋁制板翅式換熱器可充分回收低溫干氣的冷量，提高C3回收率。但鋁制板翅式換熱器不適合氣中含汞高的天然氣，天然氣中的汞對(duì)其具有極強(qiáng)的腐蝕性，必須進(jìn)行脫汞或者使用不銹鋼材質(zhì)的管殼式換熱器。輕烴回收裝置的原料氣冷箱（鋁制板翅式換熱器）設(shè)計(jì)原料氣出口溫度為-45℃，，若使用不銹鋼管殼式換熱器代替冷箱，在同樣的設(shè)計(jì)條件下，原料氣僅能冷卻至-25.9℃，換熱效果較差，影響輕烴回收裝置液化石油氣（LPG）的產(chǎn)量。利用ASPEN HYSYS軟件對(duì)輕烴裝置進(jìn)行模擬，模擬冷箱出口原料氣溫度對(duì)輕烴回收裝置C3收率的影響。圖2為原料氣冷卻溫度對(duì)輕烴回收裝置C3收率的影響圖。

圖2 原料氣冷卻溫度對(duì)輕烴回收裝置C3收率的影響圖（以某裝置為例）

如上圖2所示，原料氣出口溫度由-45℃升到-25.9℃，那么裝置C3收率將由95.46%降低到55.35%。因此，為避免天然氣中的汞對(duì)冷箱的腐蝕，同時(shí)不影響輕烴回收裝置C3回收率，必須設(shè)置脫汞裝置，使天然氣中汞含量小于0.01 ug/Nm3[1]。

1 天然氣脫汞工藝

目前，天然氣脫汞工藝有溶液吸收、膜分離、陰離子樹(shù)脂、低溫分離、化學(xué)吸附等。溶液吸收脫汞效果差，吸收夜腐蝕性強(qiáng)，吸收容量低；膜分離脫汞深度低，處理能力有限，原料氣壓力不能太高，不能有液態(tài)物質(zhì)存在；陰離子樹(shù)脂脫汞處理量有限，技術(shù)不成熟，工業(yè)化應(yīng)用較少；低溫分離脫汞是利用低溫分離原理實(shí)現(xiàn)脫汞，如上所述使用不銹鋼材質(zhì)的換熱器代替冷箱，將液態(tài)的汞從天然氣中分離出來(lái)，但不銹鋼材質(zhì)的換熱器會(huì)造成換熱效果的降低；化學(xué)吸收脫汞工藝在天然氣脫汞中廣泛應(yīng)用，化學(xué)吸附脫汞工藝主要有載硫/銀活性炭、載銀分子篩、金屬硫化物、金屬氧化物等[2]。

1.1 載硫/銀活性炭

載硫/銀活性炭脫汞是將反應(yīng)物硫或銀均勻分布在活性炭上，活性炭上的反應(yīng)物與汞反應(yīng)生成汞齊并停留在活性炭載體上，從而脫除天然氣中含有的汞[3]。該法廣泛適用于天然氣及其他含有汞的廢氣。其化學(xué)反應(yīng)式如下：

載硫/銀活性炭化學(xué)吸附脫汞法必須對(duì)天然氣進(jìn)行預(yù)處理，脫除原料天然氣中的游離水、油、固體雜質(zhì)等，以防止這些物質(zhì)破壞活性炭床層或降低脫汞效率。要求天然氣水露點(diǎn)小于-70℃，因此必須放在分子篩脫水系統(tǒng)后。載硫活性炭不可再生，可將天然氣中的汞含量降低到0.01μg/Nm3；載銀活性炭脫汞效果比載硫活性炭好，銀能促進(jìn)活性炭床層的活性，載銀活性炭可以通過(guò)再生氣吹掃進(jìn)行再生，但載銀活性炭造價(jià)較高，適用于天然氣流量大，深度脫汞的情況。典型的活性炭脫汞劑有BASF公司的Selexsorb?HG、UOP公司的GB-562S（載硫活性炭）、國(guó)產(chǎn)載硫活性炭。對(duì)于非再生式在使用一定年限后交由供貨廠家統(tǒng)一處理或送城市危險(xiǎn)物處置中心處理。

根據(jù)載硫/銀活性炭的原理及特性，天然氣必須先經(jīng)過(guò)脫水處理后才能進(jìn)入脫汞器進(jìn)行脫汞，因此脫汞器可以設(shè)置在分子篩脫水單元的下游，經(jīng)脫汞的天然去制冷單元。

1.2 金屬硫化物/氧化物脫汞劑

金屬硫化物/氧化物脫汞劑的原理是利用常溫下的天然氣中的汞與金屬氧化物或硫化物反應(yīng)生成汞的化合物，從而脫除天然氣中含有的汞。其是將金屬硫化物附著在載體上（一般為氧化鋁）或在特定條件下活化的金屬和原料氣中的H2S反應(yīng)生成硫化物?；瘜W(xué)反應(yīng)如下：

從化學(xué)反應(yīng)的機(jī)理可以看出，天然氣中的H2S有利于反應(yīng)的進(jìn)行，Hg反應(yīng)吸附后不會(huì)被帶回到天然氣中。但是反應(yīng)生成水，會(huì)造成天然氣中水含量升高。因此氧化物脫汞裝置必須設(shè)置在脫水單元之前。典型的專用脫汞劑有BASF公司的PuristarR3-15S型氧化物脫汞劑和Johnson Mathey Catalysts公司的PURASPEC新型脫汞劑。

金屬硫化物/氧化物脫汞劑使用后不可再生，使用一定期限后交由供貨廠家統(tǒng)一處理。

根據(jù)金屬硫化物/氧化物脫汞劑的原理及特性，脫汞器必須設(shè)置在分子篩脫水單元的上游，經(jīng)脫汞的天然去分子篩脫水后進(jìn)入制冷單元。

2 脫汞方法比較和推薦

上述分別對(duì)載硫/銀活性炭吸附脫汞和金屬硫化物/氧化物脫汞劑吸附脫汞特點(diǎn)及工藝流程進(jìn)行了介紹，以下分別對(duì)兩種方法中的載硫活性和金屬氧化物脫汞劑進(jìn)行技術(shù)比較表（表1）：

表1 載硫活性炭吸附脫汞和金屬氧化物脫汞劑吸附脫汞技術(shù)比較表

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)天然氣處理裝置脫汞工藝的分析，為避免天然氣中的汞對(duì)冷箱的腐蝕，防止天然氣下游用戶使用時(shí)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染及對(duì)人體的傷害，同時(shí)不影響天然氣處理時(shí)輕烴回收裝置C3回收率，必須合理設(shè)置脫汞裝置。目前，針對(duì)天然氣處理裝置，化學(xué)吸附脫汞工藝較為成熟，在天然氣處理裝置中廣泛應(yīng)用。但選用何種脫汞工藝及脫汞劑，需要按照天然氣處理裝置的功能、天然氣中汞的含量、天然氣處理工藝單元的設(shè)置、輕烴的回收率、脫汞劑的來(lái)源及廢棄脫汞劑處理方式等綜合考慮，做到安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保全面兼顧。

[1]付秀勇，吐依洪江，吳昉.輕烴裝置冷箱的汞腐蝕機(jī)理與影響[J].石油與天然氣化工，2009,38（6）：478-482.

[2]夏靜森，王遇東，王立超.海南福山油田天然氣脫汞技術(shù)[J].天然氣工業(yè)，2007,27（7）：1-2.

[3]蔣洪，梁金川，嚴(yán)啟團(tuán)，王軍.天然氣脫汞工藝技術(shù)[J].石油與天然氣化工，2011,40（1）：26-31,46.