高含硫天然氣凈化廠產(chǎn)品氣H2S含量超標(biāo)原因及處置措施

丁 鴻

(中國石化達(dá)州天然氣凈化有限公司，四川 達(dá)州 635000)

普光氣田天然氣凈化廠是目前國內(nèi)最大的高含硫天然氣凈化廠，原料氣主要成分除甲烷外，還含有13%～18%的H2S，8%～10%的CO2以及含量為340.6mg/m3的有機(jī)硫[1]，其中H2S為劇毒氣體，少量吸入即能致人瞬間死亡，還會引起設(shè)備和管道的腐蝕和泄漏，污染環(huán)境且不利于下游工業(yè)生產(chǎn)[2]。因此，對原料氣中的H2S進(jìn)行凈化脫除，使產(chǎn)品氣中的H2S含量達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)是十分必要的。

普光氣田天然氣凈化廠采用從美國B&V公司引進(jìn)的凈化工藝，包括脫硫、脫水、硫磺回收、酸水汽提以及尾氣處理5個單元，其中脫硫單元是整個凈化工藝的核心單元，使用甲基二乙醇胺(MDEA)法對原料氣進(jìn)行脫硫，此法是當(dāng)前天然氣工業(yè)最廣泛應(yīng)用的脫硫方法[3]。該廠脫硫單元在運(yùn)行過程中，受各種因素影響，脫硫后的產(chǎn)品氣中H2S含量可能會超標(biāo)(高于6mg/Nm3)，此時要對不合格的產(chǎn)品氣進(jìn)行放空燃燒處理，會造成大量的資源浪費(fèi)。本文結(jié)合生產(chǎn)實際，對產(chǎn)品氣H2S含量超標(biāo)原因進(jìn)行分析并提出相應(yīng)的處置措施，對于裝置平穩(wěn)運(yùn)行、安全環(huán)保以及節(jié)能減排具有重要的意義。

1 脫硫單元簡介

1.1 脫硫單元工藝流程

高含硫天然氣自廠外管道進(jìn)入天然氣過濾器，脫除原料氣中攜帶的液體和固體雜質(zhì)，然后進(jìn)入吸收塔，在塔中與質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為50%的MDEA溶液(貧胺液)逆流接觸，對氣體中的H2S和CO2進(jìn)行選擇性吸收，脫硫脫碳后的濕凈化氣進(jìn)入脫水單元進(jìn)行脫水處理后成為產(chǎn)品氣。從吸收塔底部出來的富胺液經(jīng)過閃蒸罐的閃蒸和換熱器的升溫后進(jìn)入再生塔，在再生塔中富胺液與重沸器內(nèi)產(chǎn)生的高溫汽提氣逆流接觸，將富胺液中的H2S和CO2解吸出來，解吸出的酸性氣從塔頂流出進(jìn)入硫磺單元進(jìn)行處理。與此同時，從再生塔底部再生出的貧胺液經(jīng)過換熱器、空冷器、胺液過濾器以及水冷器進(jìn)行過濾降溫，最終通過胺液循環(huán)泵送入吸收塔循環(huán)使用。脫硫單元的工藝流程如圖1所示。

圖1 脫硫單元工藝流程

1.2 脫硫單元工藝原理

在吸收塔中，MDEA溶液與高含硫天然氣逆流接觸，在8.3MPa(表壓)、35～45℃的條件下，對天然氣中的H2S和CO2進(jìn)行選擇性吸收。在再生塔中，富胺液與低壓蒸汽產(chǎn)生的汽提氣逆流接觸，在0.08～0.1MPa、124℃的條件下，將胺液吸收的H2S和CO2解吸出來，再生后的貧胺液循環(huán)使用。MDEA溶液對H2S和CO2吸收與解吸的化學(xué)反應(yīng)式如下：

主反應(yīng)：

副反應(yīng)：

式中R1為“CH3”，R2為“C2H4HO”。從化學(xué)反應(yīng)式可以看出，MDEA與H2S和CO2的反應(yīng)均為可逆反應(yīng)，在吸收塔低溫高壓的條件下，反應(yīng)向右進(jìn)行，MDEA將原料氣中H2S和CO2脫除；在再生塔高溫低壓的條件下，反應(yīng)向左進(jìn)行，MDEA釋放出吸收的H2S和CO2得以再生并循環(huán)使用。

2產(chǎn)品氣H2S含量超標(biāo)原因分析及對策

在實際生產(chǎn)過程中，原料氣中H2S的吸收會受到各種因素的干擾，導(dǎo)致產(chǎn)品氣H2S含量超標(biāo)。下文將結(jié)合生產(chǎn)實際，多方面分析產(chǎn)品氣H2S含量超標(biāo)的原因，并提出針對性的處置方法。

2.1 胺液再生不良

胺液再生系統(tǒng)是脫硫單元的核心組成部分，貧胺液對H2S吸收的效果很大程度上取決于富胺液再生的好壞。因此，胺液再生不良是導(dǎo)致產(chǎn)品氣H2S含量超標(biāo)的主要原因之一。導(dǎo)致胺液再生不良的主要原因為以下幾個方面：

2.1.1 再生蒸汽品質(zhì)下降

富胺液在再生塔內(nèi)與低壓蒸汽(0.4MPa，140℃)產(chǎn)生的高溫汽提氣逆流接觸，從而使H2S和CO2從胺液中解吸出來，當(dāng)再生蒸汽品質(zhì)下降時，會嚴(yán)重影響胺液的再生質(zhì)量[4]。此時，應(yīng)采取措施保證再生蒸汽的品質(zhì)：(1)加強(qiáng)聯(lián)合裝置中低壓鍋爐的定排、連排操作，提高低壓蒸汽的產(chǎn)出品質(zhì)；(2)聯(lián)系公用工程供熱系統(tǒng)人員，穩(wěn)定管網(wǎng)中低壓蒸汽的壓力及溫度；(3)控制好低壓蒸汽減溫減壓調(diào)節(jié)閥的開度，保證再生蒸汽的壓力和溫度能夠滿足胺液再生的需求。

2.1.2 再生蒸汽流量不足

當(dāng)再生蒸汽流量不足時，會造成再生塔底和塔頂溫度偏低，基于高溫有利于胺液再生的原理，應(yīng)采取措施提高再生蒸汽的流量：(1)增加再生蒸汽調(diào)節(jié)閥開度，提高再生蒸汽流量，將再生塔塔底溫度控制在118～124℃，塔頂溫度控制在92～105℃；(2)疏通凝結(jié)水排出流程，及時排出再生蒸汽換熱后產(chǎn)生的凝結(jié)水，保證進(jìn)入重沸器的再生蒸汽流量充足。

2.1.3 再生塔塔器性能下降

在再生塔內(nèi)，富胺液與低壓蒸汽產(chǎn)生的汽提氣在規(guī)整填料中發(fā)生傳質(zhì)、傳熱過程，從而使輕組分H2S，CO2與重組分MDEA得以分離，當(dāng)再生塔塔器性能下降時，會降低富胺液與汽提氣的傳質(zhì)傳熱效率，導(dǎo)致貧胺液再生不合格，而再生塔塔器性能下降主要表現(xiàn)為：(1)再生塔攔液，胺液不能順暢流下；(2)再生塔內(nèi)汽、液接觸不充分；(3)再生塔內(nèi)胺液成溝流；(4)再生塔集液槽泄漏。當(dāng)再生塔出現(xiàn)以上問題時，要及時進(jìn)行停工，對再生塔進(jìn)行檢查維修。

2.2 胺液質(zhì)量和性能的下降

脫硫單元在長時間的運(yùn)行下，胺液中會形成大量的雜質(zhì)、金屬離子和熱穩(wěn)定性鹽，使胺液易于發(fā)泡，影響胺液對H2S和CO2的吸收性能[5]。胺液質(zhì)量和性能下降的主要原因有：(1)原料氣攜帶的污染物進(jìn)入胺液系統(tǒng)；(2)胺液對管道設(shè)備長期沖刷產(chǎn)生一定量的金屬陽離子(Ca2+、Mg2+、Fe3+等)；(3)胺液在長期使用過程中因使用不當(dāng)、操作波動發(fā)生降解變質(zhì)；(4)胺液與氣體中的某些酸性物質(zhì)發(fā)生不可逆反應(yīng)，產(chǎn)生一定量的熱穩(wěn)定性鹽。為了改善胺液的質(zhì)量和性能，應(yīng)采取這些措施：(1)加強(qiáng)原料氣的預(yù)處理，避免原料氣攜帶雜質(zhì)進(jìn)入脫硫單元；(2)加強(qiáng)胺液中雜質(zhì)的過濾，確保胺液過濾量，及時更換過濾器中的活性炭；(3)投用胺液凈化裝置，降低胺液中的金屬陽離子和熱穩(wěn)定性鹽。

2.3 胺液溫度超過控制范圍

在吸收塔中，胺液對H2S的吸收過程是放熱反應(yīng)，因此低溫有利于胺液對H2S的吸收，當(dāng)胺液溫度超過控制范圍，很容易導(dǎo)致凈化氣的H2S含量超標(biāo)，應(yīng)及時采取措施調(diào)整胺液溫度，保證入吸收塔的胺液溫度在33～38℃范圍內(nèi)：(1)增加空冷器啟動臺數(shù)，增大空冷器的百葉窗開度，及時對空冷器進(jìn)行清洗除垢，提高空冷器對胺液的換熱效果；(2)增大水冷器的循環(huán)水開度，提高循環(huán)水流量，將胺液溫度控制在工藝范圍內(nèi)。

2.4 胺液濃度不合格

胺液濃度對H2S的吸收有一定的影響，胺液中MDEA濃度過高，會減緩H2S的溶解速度，進(jìn)而降低H2S的吸收效率；胺液中MDEA濃度過低，會減緩H2S的反應(yīng)速率，使H2S吸收不夠徹底。因此要及時調(diào)整胺液濃度，保證MDEA濃度在47%～53%之間：(1)當(dāng)胺液濃度偏低時，要進(jìn)行提濃操作，及時從胺液罐區(qū)向脫硫系統(tǒng)補(bǔ)充高濃度的胺液；(2)當(dāng)胺液濃度偏高時，可以直接補(bǔ)充凝結(jié)水或較低濃度的胺液。

2.5 氣液比不當(dāng)

原料氣處理量和胺液循環(huán)量適宜的配比(該廠設(shè)計值為219)對保證H2S的吸收效果起著至關(guān)重要的作用，該廠原料氣處理量滿負(fù)荷為12.5×104m3/h，為保證胺液對原料氣中H2S的吸收效果，胺液循環(huán)量應(yīng)保證在500～630t/h范圍內(nèi)：(1)當(dāng)原料氣處理量過大時，要降低原料氣處理量；(2)當(dāng)胺液循環(huán)量過小時，要提高胺液循環(huán)量。

3 結(jié)語

高含硫天然氣凈化廠產(chǎn)品氣H2S含量超標(biāo)的主要原因是脫硫單元胺液對H2S吸收效果不好，本文針對影響胺液吸收H2S的主要因素，找出抑制H2S吸收的主要原因，并提出對應(yīng)的解決措施，能夠有效提高脫硫單元對H2S的吸收，避免產(chǎn)品氣因H2S含量超標(biāo)而放空，保證天然氣凈化裝置能夠高效平穩(wěn)運(yùn)行。