天然氣J-T閥節(jié)流制冷工藝脫汞因素探討

王用良 李海榮 趙海龍 毛立軍 杜通林

中國石油集團(tuán)工程設(shè)計有限責(zé)任公司西南分公司，四川 成都 610041

0 前言

汞具有高揮發(fā)性、高毒性、強(qiáng)腐蝕性，在含汞天然氣處理過程中使用鋁釬焊式換熱器、液化天然氣設(shè)施和注氮裝置，都極易受到汞的腐蝕［1］，在天然氣化工中還會引起催化劑（鉑、鈀、鎳、鉻等）中毒，危害操作人員健康、腐蝕管線設(shè)備以及污染環(huán)境。因此，必須將天然氣中的汞脫除，降低天然氣中汞含量，安全開發(fā)和利用含汞天然氣，以保護(hù)人身安全，防止汞污染環(huán)境［2-3］。針對含汞氣田天然氣處理廠的J-T閥節(jié)流制冷脫水脫烴工藝，利用穩(wěn)態(tài)流程模擬VMGSim軟件進(jìn)行模擬，研究該工藝過程對脫汞效率的影響因素，有助于明確低溫分離工藝中汞的分布規(guī)律，指導(dǎo)天然氣處理工藝流程設(shè)計，并為含汞氣田的開發(fā)處理選擇適當(dāng)?shù)墓雷o(hù)措施提供依據(jù)。

1 汞的分布、危害及濃度控制

全球許多天然氣氣田含有單質(zhì)汞及有機(jī)汞化物，已經(jīng)報道天然氣含汞量較高的地區(qū)有北海、東南亞、南美、北非及東歐等，天然氣中含汞量的變化很大，從0.1μg/m3到2 000μg/m3。全球典型含汞氣田地區(qū)、天然氣汞含量分布見表1。

表1 不同地區(qū)天然氣中的汞含量

汞是高毒金屬，其蒸汽壓相對較高，容易揮發(fā)形成汞蒸氣。天然氣處理設(shè)備中汞的富集可能對操作及檢修人員的健康構(gòu)成危害。在氣體處理廠低溫系統(tǒng)中，汞會使常用的鋁質(zhì)換熱器發(fā)生汞齊脆化和電化學(xué)腐蝕，并引起設(shè)備故障。在北美、北非和亞太地區(qū)已有汞造成氣體處理設(shè)施中設(shè)備故障的案例［1，4］。

荷蘭和德國的相關(guān)機(jī)構(gòu)研究表明天然氣中汞含量低于30μg/m3時，不會對設(shè)備、人身安全、環(huán)境造成危害。參照國外商品氣供應(yīng)合同中對汞含量的規(guī)定，相關(guān)學(xué)者推薦我國管輸商品天然氣中汞含量小于28 μg/m3；對于LNG液化裝置或天然氣凝液回收裝置的原料氣，汞含量不超過 0.01 μg/m3［5］。

2 含汞天然氣J-T閥節(jié)流制冷工藝

對于采用J-T閥節(jié)流制冷脫水脫烴工藝的含汞氣田天然氣處理廠，主要工藝單元包括脫水脫烴單元、乙二醇再生及注醇單元和凝析油穩(wěn)定單元［6］。脫水脫烴單元的工藝流程見圖1，自集氣裝置來的原料天然氣，從上部進(jìn)入原料氣預(yù)冷器。自乙二醇再生及注醇裝置來的乙二醇貧液通過霧化噴頭霧化，噴射入原料氣預(yù)冷器，和原料氣在管程中充分混合接觸后，與自干氣過濾分離器來的冷干氣進(jìn)行換熱，被冷卻至-10℃左右。原料天然氣再經(jīng)J-T閥作等焓膨脹，氣壓降至8.1MPa，溫度降至-25℃左右，再從中部進(jìn)入低溫分離器進(jìn)行分離，分離出液態(tài)醇烴液，醇烴液經(jīng)三相分離器分離后，醇液去乙二醇再生及注醇單元，烴液去凝析油穩(wěn)定單元。干氣進(jìn)入原料氣預(yù)冷器殼程與原料天然氣逆流換熱，換熱后的干氣至脫汞裝置。

圖1 天然氣J-T閥節(jié)流制冷工藝流程示意圖

3 J-T閥節(jié)流制冷工藝流程模擬

假設(shè)某含汞氣田天然氣處理廠脫水脫烴裝置的處理規(guī)模為 500×104m3/d（20 ℃，101.325 kPa，下同），原料氣溫度為25℃，壓力為12.0MPa·a，汞濃度為500～2 000μg/m3，原料氣組成見表2。所用乙二醇貧液流量為1 965 kg/h（3倍理論注醇量），質(zhì)量濃度80%。要求外輸干氣的水露點≤-5℃，烴露點≤-5℃。

表2 原料氣組成

利用VMGSim軟件模擬含汞天然氣脫水脫烴流程。原料天然氣節(jié)流前的溫度為-10℃、壓力為12.0MPa·a，節(jié)流后的溫度為-25℃，壓力為 8.16MPa·a，外輸干氣的水、烴露點滿足商品氣的氣質(zhì)指標(biāo)要求。汞濃度在500～2 000μg/m3之間變化時，低溫分離器頂部干氣中汞含量變化見表3。通過模擬分析可知，含汞天然氣經(jīng)過J-T閥節(jié)流制冷低溫分離后，原料氣中92.88%（w）的汞進(jìn)入了醇烴液中，7.12%（w）的汞進(jìn)入了低溫分離器頂部干氣中。隨原料氣中汞含量增大，低溫分離后的干氣中汞含量成比例增加，但天然氣中汞的脫除率不變。根據(jù)產(chǎn)品天然氣汞含量控制要求，干氣中汞含量應(yīng)小于28μg/m3，故應(yīng)在低溫分離后設(shè)置干天然氣脫汞裝置，以保證產(chǎn)品天然氣達(dá)到管輸要求。另外，從理論上分析，在該工況條件下，當(dāng)原料氣中汞含量低于390μg/m3時，便可不設(shè)置天然氣脫汞裝置。此外，根據(jù)模擬結(jié)果，原料氣中大部分汞進(jìn)入了乙二醇富液，經(jīng)乙二醇再生后最終進(jìn)入再生塔塔頂未凝氣及污水中。因此，需要經(jīng)過脫汞處理后才能排放。

表3 J-T閥節(jié)流制冷工藝天然氣中汞濃度變化

4 J-T閥節(jié)流制冷工藝脫汞因素分析

為了定量分析含汞天然氣低溫分離過程中天然氣脫汞率的影響因素，以上工況作為基本條件，固定原料氣中汞含量為1 000μg/m3，利用VMGSim軟件對J-T閥節(jié)流制冷工藝流程進(jìn)行模擬，分別考察了乙二醇注入量、天然氣處理量、原料氣組成及J-T閥制冷溫度等對天然氣脫汞率的影響。

乙二醇注入量及天然氣處理量對脫汞率的影響結(jié)果見圖2。

圖2 不同處理量時脫汞率與MEG注入量關(guān)系

由圖2可知，根據(jù)軟件模擬結(jié)果，當(dāng)原料氣中不注入乙二醇抑制劑時，處理量為500×104m3/d和1 000×104m3/d的天然氣脫汞率都僅有15.94%（實際工況下要注醇），隨乙二醇注入量的增加，天然氣脫汞率迅速增大。當(dāng)注入量為1.5 t/h，處理量為500×104m3/d的天然氣脫汞率達(dá)90.24%；注入量為3 t/h，處理量為1 000×104m3/d的天然氣脫汞率也是90.24%。說明乙二醇對汞的富集作用十分明顯［6］，且達(dá)到同樣脫汞率所需的乙二醇注入量與天然氣處理量成正比。

通過調(diào)整原料氣的組成，見表4，分別為A、B、C三種組分，模擬分析了三種原料氣組成情況下的天然氣脫汞率情況，結(jié)果見圖3。

由圖3可知，對于原料氣組成A，輕組分多，重組分少，無乙二醇的情況下脫汞率最低，僅為6.92%；對于原料氣組成C，輕組分少，重組分多，無乙二醇的情況下脫汞率最高，為26.06%。說明天然氣中的重?zé)N對汞也有一定的富集作用。但隨乙二醇的注入，含重?zé)N較多的原料氣C的脫汞率增加幅度卻不如重組分少的原料氣A、B。說明乙二醇對輕組分較多的天然氣中汞的富集作用更強(qiáng)。

通過調(diào)整J-T閥后溫度，分別為-25、-30、-35℃，模擬分析了三種制冷溫度下的天然氣脫汞率情況，結(jié)果見圖4。

表4 原料氣組成

由圖4可知，通過調(diào)整J-T閥制冷溫度，可以改變天然氣脫汞率，且溫度越低，脫汞率越高。

圖3 原料氣組成對脫汞率的影響關(guān)系

圖4 J-T閥制冷溫度對脫汞率的影響關(guān)系

5 結(jié)論

a）在含汞氣田天然氣的J-T閥節(jié)流制冷工藝流程中，節(jié)流閥制冷溫度越低、其脫汞率越高。

b）在天然氣脫汞過程中，乙二醇對Hg具有富集作用，在條件相同時達(dá)到同值（等值）脫汞率，應(yīng)注入的乙二醇與天然氣處理量成正比。

c）天然氣中輕組分含量越高，乙二醇對汞的富集作用越強(qiáng)。

d）當(dāng)原料氣中的汞含量小于一定值時可以不設(shè)置天然氣脫汞裝置，從低溫分離器分離后的干天然氣便能達(dá)到管輸商品天然氣要求。

［1］熊光德，湯曉勇.天然氣脫汞新技術(shù)［J］.天然氣與石油，2011，29（5）：36-40.Xiong Guangde，Tang Xiaoyong.New Technologies of Mercury Removal from Natural Gas［J］.Natural Gas and O il，2011，29（5）：36-40.

［2］蔣 洪，梁金川，嚴(yán)啟團(tuán)，等.天然氣脫汞工藝技術(shù)［J］.石油與天然氣化工，2011，40（1）：26-31.Jiang Hong，Liang Jinchuan，Yan Qituan.et al.Technology of Mercury Removal from Natural Gas［J］.Oil and Natural Gas Chemical Engineering，2011，40（1）：26-31.

［3］王 陽，田利男.凝析油脫汞工藝［J］.天然氣與石油，2012，30（2）：32-35.Wang Yang，Tian Linan.Technology for Removal of Mercury from Condensate O il［J］.Natural Gas and Oil，2012，30 （2）：32-35.

［4］李 明，付秀勇，葉 帆.雅克拉集氣處理站脫汞工藝流程改造［J］.石油與天然氣化工，2010，39（2）：112-114.LiM ing，F(xiàn)u Xiuyong，Ye Fan.Improving Techniques Process of Mercury Removed in Yakela Gas Condensate Treating Station［J］.Oil and Natural Gas Chemical Engineering，2010，39（2）：112-114.

［5］蔣 洪，王 陽.含汞天然氣的汞污染控制技術(shù)［J］.石油與天然氣化工，2012，41（4）：442-444.Jiang Hong，Wang Yang.The Control Technology for Mercury Contamination of Hg-containing Natural Gas［J］.Oil and Natural Gas Chemical Engineering，2012，41（4）：442-444.

［6］蔣 洪，劉支強(qiáng)，嚴(yán)啟團(tuán)，等.天然氣低溫分離工藝中汞的分布模擬［J］.天然氣工業(yè)，2011，31（3）：80-84.Jiang Hong，Liu Zhiqiang，Yan Qituan，et al.A Simulation Study of the Mercury Distribution in the Low-temperature Gas Separation Process［J］.Natural Gas Industry，2011，31（3）：80-84.