天然氣處理廠中天然氣凈化工藝技術(shù)的優(yōu)化策略

王 贏

（中海石海深海開發(fā)有限公司，四川成都 610000）

天然氣這種潔凈的能源為人類的生活提供了很多方便，但是，在將天然氣從輸送管道輸送到用戶的使用終端之前，還需要對(duì)其進(jìn)行一系列的凈化。如不進(jìn)行脫硫、脫水等，用戶在使用時(shí)，其質(zhì)量不能滿足燃燒使用的需要，還容易出現(xiàn)安全事故。通過對(duì)天然氣凈化工藝的進(jìn)一步優(yōu)化，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)其中多種雜質(zhì)、有毒有害組分的高效脫除，并產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

1 天然氣處理廠與天然氣凈化工藝概述

氣體處理站是一種對(duì)氣體進(jìn)行凈化的地點(diǎn)，它擁有一定的氣體處理容量，在將氣體輸送銷售之前，對(duì)其進(jìn)行凈化處理，以滿足其凈化要求。天然氣處理廠將油氣田產(chǎn)生的天然氣進(jìn)行收集，對(duì)其進(jìn)行凈化處理，使其符合使用標(biāo)準(zhǔn)，然后再將其通過管道輸送到天然氣客戶，由天然氣凈化廠生產(chǎn)的副產(chǎn)品通過裝車或管道輸送的方式運(yùn)送到顧客手中[1]。

對(duì)天然氣的凈化有很多種方法，包括物理吸附法、吸收法和化學(xué)反應(yīng)分離等方式，通過這些方式使天然氣的含水量達(dá)到規(guī)定的要求，達(dá)到設(shè)計(jì)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，從而能夠滿足用戶的需要。

2 天然氣處理廠中天然氣凈化工藝技術(shù)的要求

2.1 凈化裝置關(guān)斷邏輯要準(zhǔn)確把握

由于需凈化的氣體具有易燃易爆等很強(qiáng)的化學(xué)性，為了保障天然氣凈化裝置的安全平穩(wěn)運(yùn)行，需增設(shè)緊急關(guān)斷系統(tǒng)保障工藝安全。在設(shè)置凈化設(shè)備關(guān)斷邏輯時(shí)，要確保流體的壓力、溫度和流量等參數(shù)在設(shè)計(jì)要求內(nèi)。為了保證人和設(shè)備的雙重安全，壓力分界點(diǎn)設(shè)置關(guān)斷閥是必需的。

2.2 反應(yīng)塔浮閥數(shù)量要計(jì)算準(zhǔn)確

在天然氣處理廠中，是否正確地進(jìn)行浮閥數(shù)量的計(jì)算，將會(huì)在產(chǎn)品吸收、液態(tài)產(chǎn)品精餾等方面對(duì)天然氣凈化程度的高低產(chǎn)生很大的影響。在天然氣的凈化處理過程中，精確地計(jì)算浮閥數(shù)量，有助于讓原料氣更好地傳質(zhì)傳熱，達(dá)到降低液泛概率、提高液態(tài)產(chǎn)品回收率和控制液態(tài)產(chǎn)品指標(biāo)的目的。與此同時(shí)，它還可以為企業(yè)使用Hysis、Symmetry 軟件利用不同的工藝模型理論計(jì)算傳質(zhì)效率，使用更具有經(jīng)濟(jì)性的生產(chǎn)參數(shù)提供有效的幫助。這不管是從設(shè)備人員安全的角度，還是從企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的角度來看，都具有十分重要的作用與意義。

2.3 注意不同工藝之間的配合

一般來說，天然氣處理廠在對(duì)天然氣進(jìn)行凈化時(shí)，會(huì)使用到各種凈化工藝，在凈化的過程中，要根據(jù)天然氣處理廠的具體情況，來選擇適當(dāng)?shù)膬艋に嚭蛢艋O(shè)備，在采取將多種凈化工藝組合的方法時(shí)，應(yīng)注意各處理流程的先后順序及工藝要求，來提高凈化效率，確保凈化程度。

3 天然氣處理廠中天然氣凈化工藝技術(shù)的優(yōu)化

天然氣處理廠應(yīng)針對(duì)不同的設(shè)計(jì)條件，對(duì)不同的氣體成分進(jìn)行分析，并結(jié)合不同的工況，選用不同的處理方式。在凈化時(shí)應(yīng)特別關(guān)注為了使氣體的凈化效果更好加入的化學(xué)助劑會(huì)對(duì)生產(chǎn)裝置帶來的污染和侵蝕。

3.1 天然氣凈化處理的工藝技術(shù)

3.1.1 胺法處理工藝技術(shù)

胺法處理技術(shù)是利用化學(xué)反應(yīng)的方式來去除天然氣中的雜質(zhì)，通過醇胺溶液與天然氣中的酸性氣體進(jìn)行反應(yīng)，對(duì)天然氣中的CO2，H2S 氣體進(jìn)行脫除，一乙醇胺和甲基-二乙醇胺相對(duì)穩(wěn)定，在處理酸性氣體時(shí)產(chǎn)生可逆化學(xué)反應(yīng)，不生成其他雜質(zhì)，可以使整個(gè)反應(yīng)更為徹底，脫酸的效果更為顯著，可以加快天然氣凈化處理的速度，脫除效果也更為顯著，從而使天然氣中的酸性氣體濃度滿足合同規(guī)定與工藝要求[4]。

3.1.2 甲醇的低溫洗脫技術(shù)

低溫甲醇洗工藝技術(shù)也被廣泛地用于天然氣的提純處理，在低溫高壓的條件下，通過使用甲醇溶液，可以迅速地溶解天然氣中的 H2S，SO2等氣體并降低天然氣水露點(diǎn)，且處理效率相對(duì)較高。低溫甲醇洗工藝技術(shù)對(duì)天然氣中的其他氣體有較強(qiáng)的吸收能力，可以得到更高純度的天然氣。

3.2 天然氣處理廠中天然氣凈化工藝技術(shù)優(yōu)化應(yīng)用

在天然氣處理廠中，最常見的兩種需脫除的組分為硫化氫和二氧化碳，本文將重點(diǎn)討論如何提純二氧化碳。某天然氣處理廠凈化后的天然氣達(dá)到了國家一類氣體的標(biāo)準(zhǔn)，其中的CO2濃度小于3%。此前，高生產(chǎn)負(fù)荷下，該廠的產(chǎn)品氣體CO2濃度比設(shè)計(jì)要求值高。之后，通過對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整以及對(duì)工藝的優(yōu)化，最終，得到了2.1%的產(chǎn)品氣體CO2濃度，達(dá)到了一類氣體的要求。為了進(jìn)一步提升脫除率，提升工廠的效率，增加天然氣的熱值，又對(duì)有關(guān)參數(shù)進(jìn)行了一次優(yōu)化，將產(chǎn)物氣體中的二氧化碳含量降到最低。

3.2.1 MDEA脫碳工藝中對(duì)MDEA溶液降解的預(yù)防

在MDEA 脫碳工藝中，從經(jīng)濟(jì)性方面考慮，會(huì)設(shè)計(jì)MDEA 的回收流程，將各分離器中排出的MDEA 溶液進(jìn)行收集以便回注到系統(tǒng)中回收利用。但實(shí)際使用中，往往忽視了回收系統(tǒng)中的MDEA 溶液，由于易與空氣中的氧氣接觸，易接觸機(jī)械雜質(zhì)，加快了MDEA 降解，降解的MDEA 會(huì)生成熱穩(wěn)態(tài)鹽等物質(zhì)，回收利用后，會(huì)在一定壓力溫度條件下形成結(jié)晶鹽，損壞增壓泵機(jī)械密封，降低工藝安全，提升維護(hù)成本。可通過增設(shè)氮封保護(hù)裝置和在回注泵前增設(shè)濾器的方式，降低回收流程中MDEA 溶液的降解速率。增加氮封后，對(duì)MDEA 溶液進(jìn)行了取樣并進(jìn)行了消泡時(shí)長測試，測定消泡時(shí)長≤20 s。解決了因回收系統(tǒng)中MDEA 消泡時(shí)長超標(biāo)從而降解速率高的情況，并根據(jù)SPC 常用計(jì)量值系數(shù)表繪制了控制圖，；結(jié)果表明，消泡時(shí)長≤20 s，且都在控制內(nèi)（圖1）。

圖1 增加氮封后MDEA溶液消泡時(shí)長控制圖

同時(shí)，可使用胺液凈化裝置，利用樹脂床離子交換法可將胺液中的熱穩(wěn)態(tài)鹽含量由3.5%降低至2%以下，保障工藝安全（圖2）。

圖2 離子交換示意圖

3.2.2 MDEA脫碳工藝中對(duì)參數(shù)進(jìn)行科學(xué)的調(diào)節(jié)

經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)MDEA 的再生程度是決定MDEA 脫碳工藝影響原料氣中CO2的脫除率和工藝安全的重要因素之一，MDEA 再生效果差會(huì)導(dǎo)致再生后的MDEA 貧液酸氣負(fù)荷偏高，會(huì)引起MDEA 溶液發(fā)泡，也會(huì)引起MDEA溶液pH降低，對(duì)工藝管道形成內(nèi)腐蝕。為了保證工藝安全，更好地提升工藝經(jīng)濟(jì)性，對(duì)某天然氣處理廠MDEA 脫碳系統(tǒng)中MDEA 再生的幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了正交試驗(yàn)（表1、表2）。

表1 因素位極表

表2 L9（34）正交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

綜上，排秩：B ＞D ＞A ＞C。直接對(duì)比9 個(gè)實(shí)驗(yàn)的MDEA 泡高參數(shù)，容易看出第3 號(hào)實(shí)驗(yàn)的MDEA 泡高最小，A1B3C2D3 為最佳組合。對(duì)于各列位級(jí)，取其實(shí)驗(yàn)最小值，如因素A，位級(jí)1為265大于位級(jí)1 的237 且大于位級(jí)2 的237，所以因素A取位級(jí)1，得到A1B3C1D3為最佳組合。按照試驗(yàn)結(jié)果對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，MDEA 酸氣負(fù)荷明顯下降，MDEA 發(fā)泡情況得到緩解（圖3）。

圖3 參數(shù)調(diào)整前后MDEA脫碳管道內(nèi)腐蝕速率趨勢(shì)圖

同類MDEA 脫碳系統(tǒng)設(shè)計(jì)建議：

（1）MDEA 回收系統(tǒng)增加氮封功能。

（2）MDEA 再生完成后貧液管段建議使用不銹鋼304材料，提升對(duì)內(nèi)腐蝕抗性。

（3）原料氣操作壓力超過3 MPaG 時(shí)，透平泵及增壓泵出口閥門使用電動(dòng)球閥，避免閘板閥內(nèi)漏導(dǎo)致高壓天然氣進(jìn)入低壓MDEA 再生系統(tǒng)造成設(shè)備超壓損壞。

（4）由于微正壓下MDEA 再生溫度約為100℃，MDEA 再沸器熱源建議選擇如電加熱、熱介質(zhì)油等加熱方式，避免蒸汽加熱由于氣液轉(zhuǎn)換不穩(wěn)定導(dǎo)致MDEA 再生不徹底。

3.2.3 膜分離技術(shù)的理性運(yùn)用

氣體膜分離技術(shù)措施是一種化工分離的新技術(shù)措施，原料氣經(jīng)氣液分離器分離出液滴，再使其進(jìn)入膜分離器分離處理后，對(duì)尾氣進(jìn)行回收，得到的成品天然氣，通過壓縮機(jī)加壓處理后，進(jìn)入輸送管道，輸送到目的地[6]。

從經(jīng)濟(jì)性角度考慮，膜分離技術(shù)適用于處理量不高的脫碳工藝。在脫除天然氣中的二氧化碳時(shí)，所采用的分離膜材料必須具有較高的性能。在使用該技術(shù)時(shí)，所采用的膜分離技術(shù)所設(shè)置的膜段數(shù)較多，經(jīng)合理計(jì)算，減少了膜段數(shù)，在不對(duì)產(chǎn)品氣質(zhì)量造成任何影響的前提下，達(dá)到效益最大化，經(jīng)實(shí)際的化驗(yàn)檢測，凈化出的天然氣中二氧化碳含量為2.1%～3%，符合工藝要求。

4 結(jié)論

總之，天然氣凈化工藝的優(yōu)化是一項(xiàng)漫長而又繁重的工程，必須根據(jù)信息技術(shù)的發(fā)展和設(shè)備管理要求的變化，不斷地改進(jìn)。在未來的系統(tǒng)建設(shè)計(jì)劃中，會(huì)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智能監(jiān)控技術(shù)等手段，對(duì)凈化裝置的各個(gè)模塊進(jìn)行改進(jìn)，從而讓天然氣凈化工藝得到進(jìn)一步提高，達(dá)到實(shí)現(xiàn)天然氣凈化廠的智能化、數(shù)字化管理與服務(wù)的目的。