高含硫天然氣凈化裝置閃蒸氣節(jié)能工藝優(yōu)化

趙景峰 孫廣平 張鋼強(qiáng) 李金玲

中國(guó)石化中原油田普光分公司天然氣凈化廠

作為“川氣東送”工程的核心組成部分，自2009年投產(chǎn)以來，中國(guó)石化普光天然氣凈化廠（以下簡(jiǎn)稱普光凈化廠）每年的高含硫天然氣處理能力已突破100×108m3，為目前亞洲最大規(guī)模的高含硫天然氣處理裝置。普光凈化廠天然氣凈化裝置共建設(shè)有6個(gè)聯(lián)合、12個(gè)系列，單列天然氣凈化能力300×104m3／d［1］。

普光凈化廠引進(jìn)美國(guó)Black﹠Veatch公司專利技術(shù)，以MDEA溶液作為吸收劑，采用兩級(jí)吸收、級(jí)間冷卻工藝選擇性吸收H2S，其工藝流程如圖1所示。經(jīng)過濾器（SR－101）分離出的高含硫天然氣進(jìn)入一級(jí)吸收塔（C－101），與MDEA溶液在吸收塔內(nèi)逆流接觸，在二級(jí)吸收塔（C－102）底部用泵抽出半富胺液，經(jīng)過中間冷卻器（E－105），然后返回一級(jí)主吸收塔頂部，一級(jí)主吸收塔底部富胺液經(jīng)液力透平（H－101）回收能量后，進(jìn)入富胺液閃蒸罐（D－102），閃蒸后的胺液經(jīng)貧富胺液換熱器（E－101）換熱后進(jìn)入再生塔（C－104）再生，再生后的貧胺液循環(huán)使用［2－4］。閃蒸出的氣體經(jīng)閃蒸塔吸收H2S后分兩路，少部分進(jìn)入尾氣焚燒爐伴燒，大部分放空至低壓火炬燒掉。

閃蒸氣是指吸收H2S、CO2后的MDEA溶液經(jīng)閃蒸罐降壓閃蒸出的氣體，其組分大部分是CH4，各組分的含量隨工況變化稍有改變。正常工況下，普光凈化裝置單列閃蒸氣量約為60 000m3／d，放空量達(dá)36 000m3／d。這不但造成了資源的嚴(yán)重浪費(fèi)，而且還造成了環(huán)境污染。因此，如何將閃蒸氣回收利用一直是普光凈化廠的重要課題。經(jīng)過仔細(xì)分析和科學(xué)論證，發(fā)現(xiàn)只需通過在原工藝的基礎(chǔ)上進(jìn)行部分工藝改造就可將閃蒸氣變廢為寶［5－8］。

圖1 脫硫單元工藝流程圖

1 閃蒸氣并入燃料氣管網(wǎng)的可行性分析

1．1 閃蒸氣的組成分析

首先利用氣相色譜對(duì)閃蒸氣的組成進(jìn)行了分析，結(jié)果如表1所示。從分析結(jié)果可以看出，其主要成分是CH4，含量為94．996 7%（體積分?jǐn)?shù)），通過表1的對(duì)比可以看出，閃蒸氣的組成和燃料氣的組成十分相近。

1．2 閃蒸氣壓力分析

普光凈化裝置實(shí)際生產(chǎn)中控制閃蒸罐壓力為0．60MPa左右，富胺液進(jìn)入閃蒸罐，閃蒸出的氣相經(jīng)閃蒸氣吸收塔后的壓降小于5kPa，而燃料氣壓力為0．50MPa。因此，閃蒸氣系統(tǒng)與燃料氣系統(tǒng)為正壓差，閃蒸氣不用增壓設(shè)備增壓就可以自流入燃料氣系統(tǒng)。

表1 閃蒸氣和燃料氣組成對(duì)比表

1．3 水蒸氣含量

由表1可以看出，閃蒸氣中水蒸氣含量為0．915 6%（體積分?jǐn)?shù)），明顯高于燃料氣中水蒸氣含量。隨著水蒸氣含量的增加，燃料氣水露點(diǎn)升高，如果不加處理直接進(jìn)入燃料氣系統(tǒng)，這部分水蒸氣在燃料氣系統(tǒng)液化累積會(huì)造成系統(tǒng)壓力波動(dòng)，嚴(yán)重者會(huì)造成管線水擊，甚至?xí)氯剂蠚夤芫€，造成系統(tǒng)停車事故。因此，閃蒸氣并入燃料氣系統(tǒng)前必須加以處理，降低其水蒸氣含量。

通過以上分析，閃蒸氣作為燃料氣并入燃料氣系統(tǒng)是可行的，但是為了避免燃料氣系統(tǒng)有大的波動(dòng)，必須在工藝上改造優(yōu)化。

2 系統(tǒng)改造前后工藝對(duì)比

2．1 改造前工藝

工藝改造前，來自液力透平的富胺液進(jìn)入閃蒸罐，在罐內(nèi)閃蒸出所攜帶的輕烴，閃蒸氣經(jīng)閃蒸氣吸收塔吸收所含H2S后分為兩路，一路到低壓火炬放空，另一路直接入尾氣焚燒爐F－403伴燒，其工藝流程如圖2所示。

該工藝的缺點(diǎn)：

1）直接將閃蒸氣引入焚燒爐伴燒，當(dāng)溶劑發(fā)泡時(shí)，閃蒸氣會(huì)大量帶液（主要為MDEA），當(dāng)帶液的閃蒸氣進(jìn)入焚燒爐火嘴時(shí)，一方面由于燃燒不充分會(huì)造成火嘴積碳堵塞；另一方面由于MDEA燃燒，會(huì)使尾氣焚燒爐超溫，嚴(yán)重時(shí)會(huì)觸發(fā)尾氣焚燒爐溫度高高連鎖，造成尾爐停機(jī)，既影響生產(chǎn)又對(duì)環(huán)境造成極大污染［9］。

2）為了保證尾氣焚燒爐穩(wěn)定運(yùn)行，控制方面設(shè)計(jì)了低選，控制閃蒸氣進(jìn)入尾爐的伴燒量。

圖2 閃蒸氣系統(tǒng)改造前工藝流程圖

3）正常工況下，將閃蒸氣大量放空至低壓火炬，造成了資源的浪費(fèi)，增加了企業(yè)的經(jīng)營(yíng)成本。

2．2 改造后工藝

2．2．1 閃蒸塔及其附件改造

隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，胺液系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)發(fā)泡，此外，處理量、吸收溫度的波動(dòng)等也會(huì)使胺液發(fā)泡。當(dāng)胺液發(fā)泡時(shí)，閃蒸氣吸收塔（C－103）霧沫夾帶量增加，一方面會(huì)降低吸收塔效率，另一方面會(huì)造成胺液損失。隨著塔徑增加，氣速降低［10］，設(shè)計(jì)將閃蒸塔直徑由500 mm增至800mm，當(dāng)溶劑發(fā)泡時(shí)，可有效減少霧沫夾帶，減少閃蒸氣帶液量。流量計(jì)FI－11102的節(jié)流裝置管徑由80mm更換為100mm，有效解決了原流量計(jì)量程不足的缺點(diǎn)。調(diào)節(jié)閥PV－11101B管徑由40mm更換為100mm，有效增加了閃蒸氣流量的調(diào)節(jié)范圍。

2．2．2 閃蒸氣壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)

閃蒸罐壓力應(yīng)嚴(yán)格進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，以保證富MDEA的閃蒸效果。壓力調(diào)節(jié)控制流程如圖3所示，此處的壓力控制為分程控制［11］，控制器是PC－11101，調(diào)節(jié)閥是 PV－11101A 、PV－11101B。PV－11101A 位于閃蒸氣至低壓火炬管網(wǎng)泄放線上，PV－11101B位于閃蒸氣去胺液聚結(jié)分離器D－710的管線上。正常操作時(shí)，調(diào)節(jié)閥 PV－11101B開啟，PV－11101A 關(guān)閉，閃蒸氣去燃料氣系統(tǒng)。當(dāng)閃蒸罐壓力超高時(shí)，調(diào)節(jié)閥PV－11101A開啟，將閃蒸氣泄放至低壓火炬管網(wǎng)，保證閃蒸罐壓力平穩(wěn)，防止出現(xiàn)憋壓事故，保證富胺液的閃蒸效果。

2．2．3 閃蒸氣分液系統(tǒng)

圖3 閃蒸氣系統(tǒng)改造后工藝流程圖

為了盡量避免閃蒸氣引入對(duì)燃料氣系統(tǒng)的影響，在其引入燃料氣系統(tǒng)之前，首先通過閃蒸氣聚結(jié)分離器D－710，氣體由分離器頂部并入燃料氣系統(tǒng)，分離出的液體回收進(jìn)吸收系統(tǒng)，同時(shí)分離出閃蒸氣中所攜帶的MDEA和水蒸氣，避免胺液因閃蒸氣帶液的損失。D－710出口氣體組成如表2所示，可以看出，通過D－710分液后，閃蒸氣中水蒸氣含量明顯下降；另一方面閃蒸氣分液罐可以起到緩沖作用，避免閃蒸氣引起燃料氣系統(tǒng)壓力波動(dòng)。工藝流程如圖4所示。

表2 D－710出口氣體組成表

圖4 改造后的燃料氣系統(tǒng)工藝流程圖

3 應(yīng)用效果及經(jīng)濟(jì)效益分析

首先，將該工藝優(yōu)化應(yīng)用在第五聯(lián)合二列處理裝置上，運(yùn)行效果表明，閃蒸氣吸收塔液泛現(xiàn)象減輕，燃料氣系統(tǒng)壓力穩(wěn)定，尾爐運(yùn)行穩(wěn)定。工藝優(yōu)化改造實(shí)施后，從閃蒸氣回收利用的實(shí)際效果看，每列閃蒸氣并入燃料氣系統(tǒng)的平均流量為36 000m3／d，燃料氣價(jià)格按1．8元／m3計(jì)，裝置運(yùn)行時(shí)間按8 000h計(jì)算，除去工程建設(shè)投資226．25萬元，實(shí)際每列聯(lián)合處理裝置經(jīng)濟(jì)效益為1 933．75萬元／a。

此外，該工藝改進(jìn)還有效減少了溫室氣體CO2的排放，取得了較好的環(huán)境和社會(huì)效益。

4 結(jié)束語

作為中國(guó)建成投產(chǎn)的首個(gè)100×108m3級(jí)特大型高含硫天然氣凈化廠，普光凈化廠在施工、運(yùn)行方面可借鑒的經(jīng)驗(yàn)較少。因此，普光凈化廠的技術(shù)人員在對(duì)天然氣凈化新技術(shù)吸收、應(yīng)用的基礎(chǔ)上，針對(duì)實(shí)際生產(chǎn)情況，不斷對(duì)工藝進(jìn)行優(yōu)化。該閃蒸氣節(jié)能技術(shù)在第五聯(lián)合裝置上的成功應(yīng)用，為普光凈化廠其他聯(lián)合裝置的節(jié)能改造積累了寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)，也為同類高含硫天然氣凈化裝置的節(jié)能改造提供了良好借鑒。

［1］張曉剛，范冬立，劉新嶺，等．特大型高含硫天然氣凈化廠安全放空與火炬系統(tǒng)設(shè)計(jì)解析［J］．天然氣工業(yè)，2012，32（1）：90－93．ZHANG Xiaogang，F(xiàn)AN Dongli，LIU Xinling，et al．Safe and efficient vent and flare technology for the purification plant dealing with over ten billions m3high H2S natural gas annually in the Puguang Gas Field［J］．Natural Gas Industry，2012，32（1）：90－93．

［2］吳基榮，毛紅艷．高含硫天然氣凈化新工藝技術(shù)在普光氣田的應(yīng)用［J］．天然氣工業(yè)，2011，31（5）：99－102．WU Jirong，MAO Hongyan．Application of new technologies on high H2S gas conditioning in the Puguang Gas Field［J］．Natural Gas Industry，2011，31（5）：99－102．

［3］LAW D．New MDEA design in gas plant improves sweetening，reduces CO2［J］．Oil and Gas，1994，92（35）：83－85．

［4］MACKENZIE D H，PRAMBIL F C，DANIELS C A，et al．Design and operation of a selective sweetening plant using MDEA［R］．Texas：Bryan Research ＆ Engineering Inc．，1987．

［5］趙相頗，萬秀梅，姚霖，等．輕烴回收裝置液化氣塔操作平衡分析及改進(jìn)措施［J］．石油與天然氣化工，2012，41（6）：573－575．ZHAO Xiangpo，WAN Xiumei，YAO Lin，et al．Analysis and improvement on liquefied gas tower of light hydrocarbon recovery unit［J］．Chemical Engineering of Oil ＆ Gas，2012，41（6）：573－575．

［6］馬弘，張兵，林長(zhǎng)青，等．高效塔盤在天然氣脫硫工藝中的應(yīng)用［J］．石油與天然氣化工，2012，41（4）：373－377．MA Hong，ZHANG Bing，LIN Changqing，et al．Application of a high efficiency tray in a natural gas desulfurization process［J］．Chemical Engineering of Oil ＆ Gas，2012，41（4）：373－377．

［7］曹生偉，夏莉，術(shù)阿杰，等．普光凈化廠尾氣處理裝置運(yùn)行優(yōu)化［J］．石油與天然氣化工，2012，41（3）：281－284．CAO Shengwei，XIA Li，Shu A′jie，et al．Operation optimization of tail gas treatment unit in the Puguang Natural Gas Purification Plant［J］．Chemical Engineering of Oil ＆Gas，2012，41（3）：281－284．

［8］裴愛霞，張立勝，于艷秋，等．高含硫天然氣脫硫脫碳工藝技術(shù)在普光氣田的應(yīng)用研究［J］．石油與天然氣化工，2012，41（1）：17－23．PEI Aixia，ZHANG Lisheng，YU Yanqiu，et al．Application and research of high sulfur content gas desulfurization and decarbonization process on the Puguang Gas Field［J］．Chemical Engineering of Oil ＆ Gas，2012，41（1）：17－23．

［9］趙東風(fēng)，趙朝成．硫磺回收裝置尾氣焚燒爐阻塞原因分析及對(duì)策［J］．石油化工環(huán)境保護(hù)，1999，31（3）：31－34．ZHAO Dongfeng，ZHAO Chaocheng．Analysis and countermeasure of clogging occurrence in tail gas incinerator of sulfur recovery unit［J］．Environment Protection in Petrochemical Industry，1999，31（3）：31－34．

［10］路秀林，王者相．化工設(shè)備設(shè)計(jì)全書——塔設(shè)備［M］．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004．LU Xiulin，WANG Zhexiang．Book of chemical equipment design：Tower equipment［M］．Beijing：Chemical Industry Press，2004．

［11］陸德民，張振基．石油化工自動(dòng)控制設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011．LU Demin，ZHANG Zhenji．The manual for automatic control design in the petrochemical industry engineering［M］．Beijing：Chemical Industry Press，2011．