可再生天然氣脫汞裝置設(shè)計及運行

王用良 吳新陽 劉改煥 陳彰兵

中國石油工程建設(shè)有限公司西南分公司, 四川 成都 610041

0 前言

汞具有高揮發(fā)性、高毒性、強腐蝕性,天然氣中的汞極易聚集在管道或設(shè)備中造成金屬汞齊脆化和電化學(xué)腐蝕以及催化劑中毒等問題。因此,從環(huán)境保護、人身健康、含汞天然氣的安全開發(fā)等方面考慮,必須對天然氣中的汞進行脫除[1-7]。目前,國內(nèi)外廣泛采用的天然氣脫汞工藝是以載硫活性炭、載金屬硫化物氧化鋁為脫汞劑的不可再生化學(xué)吸附脫汞工藝，低溫脫汞工藝及以載銀分子篩為脫汞劑的可再生化學(xué)吸附脫汞工藝[8-20]。不可再生化學(xué)吸附脫汞工藝在國內(nèi)各含汞氣田天然氣處理中得到了廣泛應(yīng)用,但該工藝需要在脫汞塔內(nèi)裝填大量脫汞劑,且吸附飽和后的脫汞劑更換、處理費用較高,脫汞處理成本高。而可再生化學(xué)吸附脫汞工藝不僅脫汞劑用量少,且脫汞劑可再生循環(huán)利用,脫汞劑更換、處理成本低。通過與脫水分子篩進行復(fù)配使用,還可以簡化流程,降低工程投資。

根據(jù)相關(guān)文獻報道,目前掌握可再生化學(xué)吸附脫汞技術(shù)及脫汞劑的公司主要是美國UOP,且未在中國天然氣凈化處理行業(yè)進行工業(yè)應(yīng)用[18-20]。為掌握這一技術(shù),推動天然氣脫汞技術(shù)發(fā)展,本文在可再生載銀分子篩研發(fā)基礎(chǔ)上,通過開展可再生天然氣脫汞裝置設(shè)計、建設(shè)及運行,實現(xiàn)了可再生脫汞工藝在國內(nèi)天然氣凈化處理行業(yè)的工業(yè)應(yīng)用,獲得了相關(guān)的工程經(jīng)驗,為以后自主設(shè)計和運行可再生天然氣脫汞裝置提供了工程經(jīng)驗。

1 可再生天然氣脫汞裝置設(shè)計

1.1 原料氣及產(chǎn)品氣條件

原料氣流量為10 000 m3/d(標準工況20 ℃,101.325 kPa),壓力為10.5 MPa,溫度為20～40 ℃。原料氣組成見表1。

表1 原料氣組成表

產(chǎn)品氣流量為9 981 m3/d(標準工況20 ℃,101.325 kPa),壓力為6.5 MPa,溫度為20～40 ℃,汞濃度<28 μg/m3,水露點<-5 ℃(操作壓力下)。

1.2 主要設(shè)計運行參數(shù)

再生氣加熱器出口溫度300 ℃,冷干機出口最低溫度-15 ℃,再生氣量120 m3/h,工作周期24 h,吸附時間12 h,再生時間12 h。

1.3 工藝流程

設(shè)計思路：1)為保護載銀分子篩，在脫汞塔前設(shè)置脫水塔，裝填脫水用4A分子篩；2)為對比不同再生流程對脫汞效果的影響，流程中設(shè)置產(chǎn)品氣再生及原料氣再生兩種流程；3)為簡化流程，降低成本，采用兩塔流程，一塔吸附，一塔再生；4)分別在兩組脫水塔、脫汞塔進出口管線上設(shè)置程序切換閥，以實現(xiàn)吸附和再生運行模式的自動切換。

工藝描述：工藝流程見圖1，含汞原料氣自上而下依次通過脫水塔、脫汞塔,脫水、脫汞后產(chǎn)品氣經(jīng)粉塵過濾器除去粉塵,然后進入產(chǎn)品氣管線。采用產(chǎn)品氣再生流程時,從粉塵過濾器出口管線上取氣作再生氣,再生氣經(jīng)電加熱器加熱后自下而上依次通過脫汞塔、脫水塔,從載銀分子篩和4 A分子篩中脫附出來的汞和水進入再生氣中,經(jīng)空冷器、冷干機冷卻后進入分離器分離,分離后進入產(chǎn)品氣管線中。采用原料氣再生流程時,從調(diào)節(jié)閥前管線取氣作再生氣,再生氣依次經(jīng)電加熱器、脫汞塔、脫水塔、空冷器、冷干機、分離器后返回調(diào)節(jié)閥后原料氣管線,與原料氣匯合。

圖1 可再生天然氣脫汞工藝流程示意圖Fig.1 Schematic diagram for renewable mercuryremoval process of gas

通過以上工藝流程處理后,原料氣中的水和汞分別被脫水分子篩和載銀分子篩吸附脫除,產(chǎn)品氣水露點和汞濃度滿足指標要求;經(jīng)加熱再生后,分子篩吸附的水和汞解吸脫附至再生氣中,經(jīng)冷卻分離后以液態(tài)形式沉積在分離器底部。

1.4 設(shè)備布置

根據(jù)工藝流程,對裝置進行橇裝化設(shè)計,見圖2。所有設(shè)備布置在一個橇座上,橇大小為8 000 mm×2 500 mm,包含:脫水塔A/B、脫汞塔A/B、粉塵過濾器、電加熱器、空冷器、冷干機、分離器等設(shè)備。

圖2 可再生天然氣脫汞裝置現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.2 Field photo of renewable mercury removal facility

2 裝置運行結(jié)果

2.1 原料氣汞濃度檢測

裝置運行期間,采用日本NIC便攜式測汞儀EMP-2每天檢測一次原料氣汞濃度,檢測結(jié)果見圖3。由圖3可見,原料氣汞濃度一直在275～300 μg/m3范圍內(nèi)波動。

圖3 原料氣汞濃度隨運行天數(shù)變化曲線圖Fig.3 Curve of mercury concentration in raw gaschanging with the operating days

由于實際檢測到的原料氣汞濃度只有設(shè)計值的一半,為了保證脫水塔、脫汞塔床層再生完全,再生時間足夠,實際運行時將工作周期從24 h延長至48 h。

2.2 產(chǎn)品氣再生流程運行效果

采用產(chǎn)品氣再生工藝流程,再生氣冷卻方式只采用空冷,空冷后溫度約45 ℃,加熱再生后的天然氣經(jīng)空冷分離后進入粉塵過濾器出口產(chǎn)品氣管線。設(shè)定工作周期48 h,其中吸附時間24 h,加熱時間16 h,冷卻時間8 h,自動切換流程,裝置連續(xù)運行。在粉塵過濾器出口閥前取脫水脫汞后產(chǎn)品氣進行汞濃度檢測,每個工作周期內(nèi)取樣3次,分別對應(yīng)工作時間1 h、7 h、23 h,采用俄羅斯LUMEX便攜式測汞儀RA-915+對產(chǎn)品氣汞濃度進行檢測,汞濃度檢測結(jié)果見圖4。

圖4 產(chǎn)品氣再生工藝下產(chǎn)品氣汞濃度隨運行時間變化曲線圖Fig.4 Curve of mercury concentration in product gas changing withthe operating time under the product gas regeneration process

由圖4可知,產(chǎn)品氣再生工藝下,原料氣中汞從 300 μg/m3脫除至0.05 μg/m3以下,汞脫除率約99.98%。裝置連續(xù)運行21 d,產(chǎn)品氣汞濃度一直維持在0.03 μg/m3左右波動,滿足產(chǎn)品氣指標要求。說明該工藝穩(wěn)定可靠,長期運行能保證產(chǎn)品氣汞濃度合格。

對脫水、脫汞后產(chǎn)品氣水露點進行檢測，結(jié)果為：操作壓力下的產(chǎn)品氣水露點<-40 ℃。

2.3 原料氣再生流程運行效果

采用原料氣再生工藝流程,再生氣冷卻方式只采用空冷,空冷后溫度約45 ℃,加熱再生后的天然氣經(jīng)空冷分離后返回調(diào)節(jié)閥后管線,與原料氣匯合。設(shè)定工作周期48 h,其中吸附時間24 h,加熱時間16 h,冷卻時間8 h,自動切換流程,裝置連續(xù)運行。

2.3.1 產(chǎn)品氣汞濃度檢測

在粉塵過濾器出口閥門前取脫水脫汞后產(chǎn)品氣進行汞濃度檢測,每個工作周期內(nèi)取樣3次,分別對應(yīng)工作時間 1 h、7 h、23 h,采用俄羅斯LUMEX便攜式測汞儀RA-915+對產(chǎn)品氣汞濃度進行檢測,汞濃度檢測結(jié)果見圖5。

圖5 原料氣再生工藝下產(chǎn)品氣汞濃度隨運行時間變化曲線圖Fig.5 Curve of mercury concentration in product gas changing withthe operating time under the raw gas regeneration process

由圖5可知,裝置連續(xù)運行20 d,產(chǎn)品氣汞濃度與采用產(chǎn)品氣再生工藝的汞濃度相比,變化趨勢明顯不同。每個工作周期(24 h)內(nèi),切換初期(工作時間1 h)對應(yīng)的產(chǎn)品氣汞濃度約22 μg/m3,隨后產(chǎn)品氣汞濃度隨運行時間增加不斷降低;切換末期(工作時間23 h)對應(yīng)的產(chǎn)品氣汞濃度降至約7 μg/m3,流程切換至下一個工作周期后,產(chǎn)品氣汞濃度又升高至上一個工作周期初期值 22 μg/m3左右,呈周期性變化。

分析出現(xiàn)上述結(jié)果的主要原因是:再生時高含汞的原料氣從脫汞塔底部進入塔內(nèi)時,導(dǎo)致脫汞塔底部至出口切換閥前管道吸附了大量汞,當脫汞塔工作狀態(tài)由再生操作切換為吸附操作時,管道中吸附的汞被產(chǎn)品氣帶出導(dǎo)致產(chǎn)品氣汞濃度升高。

2.3.2 進塔原料氣汞濃度檢測

在脫水塔入口取混合了返回后的再生氣的原料氣進行汞濃度檢測,同時對裝置入口原料氣和分離器出口再生氣進行汞濃度檢測,一個工作周期內(nèi)(48 h)的汞濃度檢測結(jié)果見圖6。

由圖6可知,采用原料氣再生工藝,一段時間內(nèi)分離器出口再生氣汞濃度約700 μg/m3,高含汞的再生氣返回原料氣匯合后導(dǎo)致進入脫汞塔的原料氣汞濃度升高，最大達到約410 μg/m3,明顯高于裝置入口原料氣汞濃度300 μg/m3。

圖6 原料氣再生工藝原料氣及再生氣汞濃度變化曲線圖Fig.6 Curve of mercury concentration in raw gas and regeneration gaschanging with the operating time under the raw gas regeneration process

2.3.3 產(chǎn)品氣水露點檢測

采用原料氣再生工藝時,對原料氣經(jīng)脫水塔、脫汞塔后的產(chǎn)品氣水露點進行檢測,結(jié)果見表2。根據(jù)檢測結(jié)果可知,采用原料氣再生工藝下的產(chǎn)品氣滿足水露點<-5 ℃要求。

表2 原料氣再生工藝下產(chǎn)品氣水露點測試結(jié)果表

3 管道對汞的吸附能力測試

為了驗證采用原料氣再生工藝時切換初期產(chǎn)品氣汞濃度偏高的原因分析是否合理,考察了管道對天然氣中汞的吸附能力。將工藝流程切換至產(chǎn)品氣再生流程,檢測產(chǎn)品氣管線中的汞濃度并將其維持在0.05 μg/m3左右,采用300 ℃脫水、脫汞后產(chǎn)品氣對脫水塔B、脫汞塔B充分再生,切換流程：關(guān)閉兩臺脫水塔頂部及脫汞塔A底部所有切換閥,打開脫汞塔B底部所有切換閥。維持原料氣流量420 m3/h,原料氣經(jīng)電加熱器、脫汞塔B底部切換閥后去粉塵過濾器并外輸。該流程中天然氣不經(jīng)過脫水分子篩和載銀分子篩床層,電加熱器處于不加熱狀態(tài),天然氣所經(jīng)過的管道材質(zhì)為16 Mn,設(shè)備材質(zhì)為Q245R。

在粉塵過濾器出口管線上進行取樣分析,結(jié)果見圖7。原料氣汞濃度一直維持在270～280 μg/m3范圍波動,而粉塵過濾器出口氣經(jīng)6 h左右的吸附,汞濃度逐漸從130 μg/m3升高至270 μg/m3,與裝置原料氣汞濃度相當,說明碳鋼管道對天然氣中汞的吸附能力較強。

圖7 裝置原料氣及出口氣汞濃度與時間關(guān)系曲線圖Fig.7 Curve of mercury concentration in raw gas andoutlet gas changing with the operating time

4 結(jié)論與建議

1)采用產(chǎn)品氣作再生氣,載銀分子篩可將原料氣中的汞脫除至0.05 μg/m3以下,完全滿足商品天然氣汞含量小于28 μg/m3的指標要求。

2)采用產(chǎn)品氣再生工藝和原料氣再生工藝,20 d左右的運行中產(chǎn)品氣汞濃度變化趨勢基本穩(wěn)定,說明可再生脫汞工藝是穩(wěn)定可靠的。

3)通過脫水分子篩和載銀分子篩復(fù)配使用,可共用再生系統(tǒng)，同時實現(xiàn)脫水脫汞。

4)采用原料氣再生工藝時,因再生氣汞濃度高,若再生氣返回原料氣中,應(yīng)充分考慮再生氣中高濃度的汞對載銀分子篩裝填量的影響,避免在吸附時間內(nèi)床層穿透,產(chǎn)品氣汞濃度超標。

5)因常溫下鋼材對汞具有一定的吸附作用,采用原料氣作再生氣時,應(yīng)避免常溫下含汞再生氣進入脫汞塔底部,造成脫汞塔切換運行后產(chǎn)品氣汞濃度超標。