凈化裝置半富胺液泵停車處置程序優化技術

李長春(中石化廣元天然氣凈化有限公司，四川 廣元 628400)

0 引言

含硫凈化裝置大多采用胺法吸收工藝，出于降低裝置能耗考慮，越來越多的凈化裝置采用了串級吸收聯合再生工藝[1]，即脫硫塔采用二級吸收，一段吸收使用貧液脫硫，二段吸收將尾氣吸收塔的半富胺液與一段吸收出口的半富胺液一同引入二段脫硫塔進行吸收，吸收后產生的富液全部進入再生塔完成再生。半富液泵是輸送尾氣吸收塔底半富液至脫硫塔的關鍵設備，在實際運行中由于電氣、儀表、操作等多方面原因，常常出現停車事故，由于該泵運轉狀況與產品氣質量關系密切，通常設置停車放空聯鎖，為保障產品質量達標，在半富液泵停車時會觸發脫硫單元濕凈化氣放空火炬聯鎖。而機泵停車后產品氣質量的超標并非一蹴而就的，開展分析研究，優化半富胺液泵停車后的處置程序，對降低裝置放空，提高企業效益，減少大氣碳排放，均具有重要的意義[2]。

1 現狀分析

某天然氣凈化裝置設計處理負荷12.5萬m3/h，貧溶劑流量175～185 t/h，半富胺液流量150～160 t/h，一段吸收塔15層塔板，二段吸收塔7層塔板，脫硫溶劑為UDS-2(主要成分為MDEA)，產品氣外輸標準按照新國標GB 17820—2018《天然氣》的一類氣執行，其中H2S≤6 mg/m3。

SIS系統采用三重化或四重化模塊的冗余容錯技術，為保障產品質量的穩定達標，在設計之初設置了半富胺液泵停車產品氣放空聯鎖，該裝置的半富胺液泵停車后的高壓放空連鎖動作為：

(1)關閉濕凈化氣出口切斷閥XV-10604；

(2)關閉濕凈化氣出口旁路切斷閥XV-10605；

(3)打開濕凈化氣去高壓火炬放空線XV-10606；

(4)濕凈化氣去高壓火炬放空線調節閥PV-10601輸出至預設值(75%)。

2018—2020年某凈化裝置生產過程中涉及的半富胺液泵停車引發的高壓放空來源如表1所示。目前機泵停車后的處置程序為，先現場啟動機泵運轉正常后再關閉產品氣放空，過程中放空量較大，造成資源的浪費。

表1 半富胺液泵停車引發高壓放空數據表

2 理論分析

根據2019年11月4日某凈化裝置一次半富液泵跳車事件的歷史數據分析發現，半富液泵停車后產品氣并未立即超標，在原料氣處理量71 629 m3/h時，產品氣質量指標在事件處置的20 min內依然保持在質量控制指標范圍內，由此開展了事故處理時間與產品氣指標關系的研究。由于酸性氣中主要以硫化氫為酸性組分，故以硫化氫吸收至飽和狀態的時間為例進行分析。

首先，對于UDS-2溶劑吸收酸性氣的效果，華東理工大學研究方給出了以下公式進行計算[3-4]：

式中：α為填料比表面積(m/m)；H為填料高度；G為氣相流速；L為液相流速；mi為組分i的亨利常數；yi1為原料氣組分i的濃度；yi2為凈化氣組分i的濃度。其中對于H2S的亨利系數，可根據以下經驗公式進行計算：

根據凈化廠實際工況，取原料氣H2S為5.67%(體積分數)，原料氣流量為110 000 Nm3/h，原料氣壓力為5.0 MPa，貧、富胺液流量各為180 t/h、150 t/h，胺液濃度為45%，進塔溫度為36 ℃時的數據進行了計算，并同凈化廠生產化驗數據進行了對比，其結果如表2所示。

表2 模擬計算值對比

通過對比可以發現，該公式對于凈化氣中的硫化氫計算大致接近，可以作為方向參考。根據該公式同時計算了相同條件下，胺液進塔量分別為180 t/h及220 t/h貧胺液時，在各原料氣負荷下的凈化氣含量，如表3所示。

表3 原料氣負荷下的凈化氣含量

通過表3可知，在胺液循環量為180 t/h～220 t/h的情況下，降原料氣量至80 000 m3/h后可滿足GB 17820—2018要求的長輸管道天然氣中硫化氫濃度＜6 mg/m3的指標。

然而，為確保在降原料氣量及提胺液量的過程中不出現產品不達標的情況，須從酸性氣在胺液中的溶解度及塔器持液量兩方面進行計算論證。為研究胺液吸收硫化氫及二氧化碳的具體能力，2001年，由Chen等人提出了氣、液兩相分開考慮的MDEA-H2O-CO2-H2S溶解度模型，基于Chen-NRTL方程以及Wilson根據“局部組成”提出了一個關聯過量吉布斯自由能與活度系數的通用模型等方法[5-6]綜合測得的H2S溶解度，如表4所示。

3 理論計算

根據凈化廠對富液閃蒸罐出口富液的分析化驗(操作條件為5.0 MPa)則如表5所示。

表4 硫化氫溶解度

表5 富液化驗數據

對比可得，在元壩凈化廠聯合裝置的操作條件下，距離胺液滿負荷吸收仍有一定余量，在聯合裝置發生半富液泵跳車時，通過降低凈化氣流量的方式可降低原料氣流速，增加氣液兩相的接觸時間，從而提高H2S的吸收效率,即：

式中：V0為反應器體積，也就是板式塔體積；Vr為反應實際體積及含液量體積。

對于板式吸收塔，由于其存在降液管、降液槽等結構，具有一定的持液時間。持液時間的計算如公式如下：

式中：tr為液相在塔板上的持續時間(s)；Aa為實際塔板面積(m2)；hw為塔板堰高(cm)；how為塔板上液面高于溢流堰的高度(cm)；Vl為液相流量(L/min)；Ф為塔板中降液通道數。

板式塔持液量的計算公式則通過式(4)估算：

式中：d為塔徑(m)；hetp為等板高度(m)；c1為規整填料的空隙率，對于板式塔文獻值通常取0.75；c2為持液量量占比，為經驗數值，通常取值為4.2%。

通過式可計算，在原料氣量維持110 000 m不變時，耗時384 s會造成胺液負荷最大，從而濕凈化氣硫化氫含量開始上漲，而當原料氣以2 000 m3/min速率降低時，經過574 s塔內殘存胺液才達到飽和。當原料氣量以3 400 m3/min速率降低時，胺液吸收量將一直維持不飽和。

4 工業裝置測試驗證

某凈化裝置在2020年實際發生2次半富胺液泵停車事件后，開展了不同處理量下產品氣質量與處置事件的關系測試試驗，如表6所示。結果表明，在事件1中，初始處理量在51 060 m3/h，停車后依次降低處理量48 651 m3/h 、38 576 m3/h，處置43 min的時間內產品指標合格；事件2中，初始負荷99 898 m3/h，停車后2分鐘內降低至76 589 m3/h，處置時間25 min內，產品質量合格(測試期間為2020年，產品氣一類氣指標執行過渡期指標：總硫低于＜60 mg/m3)。

5 處置程序優化

綜上所述，通過研究計算論證，放空聯鎖操作優化方案具有可行性。優化后的方案如圖1所示：

表6 半富胺液泵跳車數據記錄表

(1)打通外輸流程，關閉放空；

(2)以不低于2 200 m3/min的速率降原料氣處理量至7萬m3/h；

(3)提高貧溶劑泵的流量至200～210 t/h，保證濕凈化氣質量；

(4)密切關注產品氣質量，一旦發現產品氣中各項指標達到控制標準95%，且持續上漲時，立即后關閉外輸，打開放空；

(5)現場重啟半富液泵，控制15 min內啟動恢復正常生產。

圖1 優化前后P-402跳車處置流程

6 結論及建議

結合理論計算與實際生產數據開展凈化裝置常見處置程序優化是生產運行的重要工作，通過凈化裝置半富胺液泵停車事故處置程序的優化，機泵停車后的平均放空量由單次15 214 m3/h，降低至小于1 000 m3/h，有效降低了事件處置過程的資源浪費，提高了企業效益。