天然氣凈化廠氣質(zhì)達(dá)標(biāo)工藝改造能耗與節(jié)能措施分析

程思杰 吳懈 紀(jì)文 楊海紅 董棲君 羅圣潔 李薇

（1.西南油氣田分公司安全環(huán)保與技術(shù)監(jiān)督研究院；2.國家能源高含硫氣藏開采研發(fā)中心安全環(huán)保技術(shù)研究所；3.西南油氣田分公司天然氣凈化總廠；4.西南石油大學(xué)土木工程與測繪學(xué)院）

1 改造背景

隨著天然氣、尾氣污染物排放最新標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布和環(huán)保要求的日益嚴(yán)格，各天然氣凈化廠都面臨產(chǎn)品氣和尾氣不達(dá)標(biāo)的困境，西南油氣田分公司提出了對天然氣凈化裝置產(chǎn)品氣和尾氣升級改造的總體方案。

新版本《天然氣》（GB 17820—2018）對進(jìn)入長輸管道的天然氣的高位發(fā)熱量、總硫、硫化氫和二氧化碳指標(biāo)提升顯著，氣質(zhì)要求見表1。

表1 新標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品氣氣質(zhì)要求

新版本《陸上石油天然氣開采工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 39728—2020）于2020 年12 月8 日正式發(fā)布，該標(biāo)準(zhǔn)明確了SO2排放濃度限值的要求見表2。

表2 SO2排放濃度限值要求

綜上所述，針對目前西南油氣田典型天然氣凈化廠（例如萬州、宣漢等）實(shí)際生產(chǎn)情況，已不滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，需對現(xiàn)有凈化裝置進(jìn)行升級改造[1-5]。

2 工藝介紹

2.1 天然氣凈化廠A氣質(zhì)達(dá)標(biāo)改造工藝

A 凈化廠原有2 列300×104m3/d 凈化裝置，總凈化能力600×104m3/d，采用MDEA 脫硫、TEG 脫水、超級克勞斯硫黃回收工藝，硫黃回收率99.2%。改造前硫黃回收裝置尾氣SO2排放濃度約8 500 mg/m3、排放速率約32 kg/h。

A 凈化廠氣質(zhì)達(dá)標(biāo)改造方案：新建1 套尾氣處理裝置，用于處理硫黃回收裝置克勞斯尾氣和液硫池廢氣，裝置的設(shè)計處理能力與A 凈化廠2 套硫黃回收裝置的規(guī)模匹配。裝置采用Cansolv 工藝，處理后尾氣可以達(dá)到400 mg/m3的SO2排放標(biāo)準(zhǔn)，A 凈化廠尾氣處理工藝流程見圖1。

圖1 A凈化廠尾氣處理工藝流程

2.2 天然氣凈化廠B氣質(zhì)達(dá)標(biāo)改造工藝

B凈化廠原有三列天然氣處理裝置，日處理天然氣900×104m3，采用Sulfinol-M 脫硫、TEG 脫水、克勞斯硫黃回收、串級SCOT 尾氣處理工藝。改造前產(chǎn)品氣總硫含量較高（約120 mg/m3），運(yùn)行尾氣排放SO2濃度500～800 mg/m3。

B凈化廠氣質(zhì)達(dá)標(biāo)改造方案：將脫硫裝置脫硫溶劑更換為Sulfinol-X 溶劑，增加對COS 等有機(jī)硫的深度脫除，但由于COS 與CO2類似且酸性弱于CO2，導(dǎo)致CO2被同步深度脫除。Sulfinol-X 溶劑不能應(yīng)用于高含CO2的加氫尾氣選擇性脫除H2S，所以原串級SCOT 工藝不再適用，必須改為獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)SCOT 工藝。故將尾氣處理裝置溶劑改為MDEA溶液，并增加單獨(dú)的溶液再生系統(tǒng)，處理后尾氣可以達(dá)到400 mg/m3的SO2排放標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 天然氣凈化廠C氣質(zhì)達(dá)標(biāo)改造工藝

C 凈化廠原有1 套200×104m3/d 凈化裝置，采用MDEA 脫硫、TEG 脫水、CPS 硫黃回收工藝，硫黃回收率99.25%。改造前產(chǎn)品氣總硫含量較高（75.7 mg/m3）。原設(shè)計原料天然氣中H2S 含量為30～60 g/m3，CO2為50～100 g/m3，隨著開采的持續(xù)進(jìn)行，原料氣氣質(zhì)發(fā)生了較大變化，原料氣中H2S、CO2含量不斷升高，現(xiàn)兩者含量分別為73～83 g/m3和158～164 g/m3。另外，上游原料氣的組分種類也發(fā)生了變化，經(jīng)取樣檢測，原料氣中含有羰基硫、二硫化碳、甲硫醇、乙硫醇、硫醚等有機(jī)硫組分總含量達(dá)到186.8 mg/m3，其中COS含量達(dá)到132.2 mg/m3，且將來的氣質(zhì)可能還會有變化。因此，有必要針對新氣質(zhì)條件對C凈化廠目前脫硫工藝及配套設(shè)施進(jìn)行改造。

C 凈化廠氣質(zhì)達(dá)標(biāo)改造方案：新建羰基硫水解+二次精脫硫裝置，與原有MDEA 脫硫裝置聯(lián)合進(jìn)行H2S、CO2和有機(jī)硫的脫除；由于現(xiàn)有硫黃回收裝置處理能力的限制，新建脫有機(jī)硫裝置后為滿足產(chǎn)品氣達(dá)標(biāo)，凈化廠適當(dāng)降量運(yùn)行；尾氣處理工藝采用氧化吸收工藝技術(shù)，處理后尾氣可以達(dá)到400 mg/m3的SO2排放標(biāo)準(zhǔn)。C 凈化廠改造后工藝流程見圖2。

圖2 C凈化廠改造后工藝流程

3 工藝改造能耗分析

天然氣凈化廠的能源消耗主要包括電力、天然氣，水（蒸汽）等，其中，蒸汽為廠內(nèi)部發(fā)生，電力為外購，消費(fèi)的天然氣為自產(chǎn)。凈化廠雙達(dá)標(biāo)工藝改造后新增能源消耗量主要與改造工藝相關(guān)[6-8]。

3.1 脫硫工藝改造相關(guān)能耗分析

B凈化廠對脫硫裝置進(jìn)行改造，采用Sulfinol-X溶液。更換脫硫溶劑后，由于溶液循環(huán)量的減少，水、汽等消耗量有所減少。但由于尾氣裝置需選用標(biāo)準(zhǔn)SCOT 工藝，并新增1 套獨(dú)立再生系統(tǒng)，導(dǎo)致全廠的蒸汽及電能消耗明顯增加。

C 凈化廠新建1 套脫有機(jī)硫系統(tǒng)（包括COS 水解裝置及精脫硫裝置），處理原脫硫裝置出口的濕凈化氣。新增蒸汽消耗主要用于再生塔重沸器，新增電力消耗主要用于泵等動設(shè)備。

3.2 硫黃回收工藝改造相關(guān)能耗分析

B 凈化廠硫黃回收裝置改造后新增能耗為蒸汽，主要用于新增空氣預(yù)熱器和中壓蒸汽噴射器。

A 凈化廠、C 凈化廠未對硫黃回收工藝進(jìn)行改造，在此不作分析。

3.3 尾氣處理工藝改造相關(guān)能耗分析

A凈化廠新增尾氣處理工藝：尾氣處理裝置新增天然氣消耗量用于尾氣灼燒爐燃燒器的用氣，新增電力消耗量主要用于更換及新增的風(fēng)機(jī)、泵等動設(shè)備。

B凈化廠尾氣處理裝置改造后新增電力消耗量主要用于新增的泵等設(shè)備，新增蒸汽消耗量主要用于再生塔重沸器。

C凈化廠新建尾氣處理裝置，改造后新增天然氣消耗量主要用于尾氣灼燒爐，新增電力消費(fèi)量主要用于新增的泵等動設(shè)備。

3.4 改造后新增綜合能耗及單耗

改造后各天然氣凈化廠新增綜合能耗及單耗見表3。

表3 凈化廠改造后新增綜合能耗

由表3可知，三個凈化廠的主要能耗都來源于天然氣，A凈化廠新增年綜合能源消費(fèi)量2 127.07 t，B凈化廠新增年綜合能源消費(fèi)量13 440.95 t，C凈化廠新增年綜合能源消費(fèi)量13 444.19 t。

4 改造工藝節(jié)能措施分析

天然氣凈化廠氣質(zhì)達(dá)標(biāo)工藝改造，主要是根據(jù)各凈化廠的升級需求對脫硫工藝、硫黃回收工藝、尾氣處理工藝進(jìn)行新建或改造，除此以外，還可以根據(jù)新增或改進(jìn)的工藝流程，選擇適應(yīng)性較強(qiáng)的節(jié)能措施，達(dá)到有效降低生產(chǎn)能耗的目的[9-10]。

4.1 脫硫工藝節(jié)能措施分析

在產(chǎn)品氣氣質(zhì)條件滿足要求的前提下，應(yīng)優(yōu)先考慮將脫硫劑更換為高效復(fù)合型脫硫劑。該改造工藝具有以下特定：基本不需要改動原有工藝裝置，減少了投資成本；高效復(fù)合型脫硫劑具有選擇性好、溶液酸氣負(fù)荷高、能耗低、溶劑蒸汽壓低的特點(diǎn)；可有效降低溶液循環(huán)量，貧胺液泵的電力消耗量、冷卻貧胺液耗用的循環(huán)冷卻水量及富液再生的蒸汽消耗量。以B凈化廠為例，其改造工藝就是將原來的脫硫劑Sulfinol-M 溶液更換為高效脫硫劑Sulfinol-X溶液，該工藝其本身就是一種節(jié)能措施。

對于原料氣有機(jī)硫含量較高的凈化廠，采用更換高效復(fù)合型脫硫劑方案，在不改造原脫硫裝置的前提下，原料氣的處理能力有可能會大幅度降低。以C凈化廠為例，其原料氣中羰基硫含量較高，選用更換高效復(fù)合型脫硫劑而不進(jìn)行其他工藝改造的情況下，原料氣處理量降低到改造前的46.5%。綜合考慮處理規(guī)模和產(chǎn)品氣氣質(zhì)要求，C凈化廠選用了新建COS水解及精脫硫裝置的方案。該方案保證了原料氣處理規(guī)模，保留了凈化廠原有脫硫裝置，新建裝置相對獨(dú)立，若采用模塊化改造，可縮短工期。

4.2 尾氣處理工藝節(jié)能措施分析

A 凈化廠、C 凈化廠尾氣處理工藝采用氧化吸收法，B 凈化廠尾氣處理工藝采用還原吸收法（SCOT）。兩種方法在能源消耗和能源利用方面有一些共同點(diǎn)，均可采用的節(jié)能措施如下：可以利用余熱鍋爐回收燃燒器余熱生產(chǎn)蒸汽，氧化吸收法工藝可利用尾氣灼燒爐設(shè)置余熱鍋爐，還原吸收法可利用SCOT燃燒器設(shè)置余熱鍋爐；可設(shè)置貧/富胺液換熱器，提高了富胺液的熱量回收率，降低了再生塔重沸器的蒸汽消耗量；再生塔塔頂冷凝器采用空冷式冷凝器，減少了新鮮水消耗量；再生塔重沸器排出的蒸汽凝結(jié)水進(jìn)行了回收，減少了新鮮水消耗量。

簡化凈化、回收工藝，如選擇同一高效溶劑共用原再生塔、回收裝置合二為一，從長遠(yuǎn)角度看，有利于節(jié)能降耗、安全平穩(wěn)、降低操作強(qiáng)度。

5 結(jié)論

1） 為滿足新版本《天然氣》（GB 17820—2018）、《陸上石油天然氣開采工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 39728—2020）標(biāo)準(zhǔn)要求，天然氣凈化廠氣質(zhì)達(dá)標(biāo)工藝改造后，各凈化廠年綜合能源消費(fèi)量均有所上升。

2）各凈化廠氣質(zhì)達(dá)標(biāo)工藝改造應(yīng)根據(jù)各自氣質(zhì)條件，在保證產(chǎn)品氣滿足新的天然氣氣質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)、尾氣SO2排放濃度限值的前提下，盡量有效利用原脫硫裝置、尾氣處理裝置，減少工藝設(shè)備的改動，達(dá)到減少投資成本，降低能耗的目的。

3）凈化廠的常規(guī)節(jié)能措施同樣適用于改造工藝，除此以外，需拓寬思路，探索引入節(jié)能新工藝、新設(shè)備，提高能源利用率。