天然氣脫水裝置BTEX和VOC減排措施研究

劉　佳　鄧道明　萬宇飛

1.中國石油大學(xué)(北京)油氣管道輸送安全國家工程實(shí)驗(yàn)室/石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/城市油氣輸配技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,　北京　102249；2.中海石油(中國)有限公司天津分公司,　天津　300452

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天然氣脫水裝置BTEX和VOC減排措施研究

劉佳1鄧道明1萬宇飛2

1.中國石油大學(xué)(北京)油氣管道輸送安全國家工程實(shí)驗(yàn)室/石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/城市油氣輸配技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京102249；2.中海石油(中國)有限公司天津分公司,天津300452

摘要：天然氣脫水裝置BTEX和VOC的排放是備受關(guān)注的環(huán)保問題。綜述了國外天然氣脫水裝置BTEX和VOC的主要減排措施——燃燒、冷凝回收、優(yōu)化脫水工藝以及一些其他減排措施。通過對(duì)滿足環(huán)保要求并取得良好經(jīng)濟(jì)效益的StripBurn系統(tǒng)、R-BTEX工藝和Drizo工藝進(jìn)行詳細(xì)模擬分析可得：StripBurn系統(tǒng)的能耗隨著閃蒸壓力和汽提氣量的減小而減?。籇rizo工藝的能耗隨著冷凝溫度的上升而降低。指出了各種減排措施的優(yōu)缺點(diǎn),因StripBurn系統(tǒng)具有節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、脫水深度大等優(yōu)勢,推薦采用StripBurn系統(tǒng)減少天然氣脫水裝置BTEX和VOC的排放。

關(guān)鍵詞：天然氣；脫水；BTEX排放；VOC排放；減排措施

0前言

天然氣采出后一般都含有水蒸氣,過量水蒸氣的存在不僅會(huì)降低商品天然氣管道的輸送能力,還可能在輸送過程中形成水合物,造成堵塞。如果氣體中含有酸性氣體,還會(huì)加劇管道的腐蝕。為了天然氣集輸、長輸?shù)男枰?應(yīng)對(duì)采出后的原料天然氣進(jìn)行脫水處理[1]。天然氣脫水系統(tǒng)廣泛應(yīng)用低溫冷凝脫水工藝和甘醇吸收脫水工藝[2],此二者都需要對(duì)醇溶液進(jìn)行再生。在常規(guī)脫水吸收劑常壓高溫再生中,BTEX(benzene,toluene,ethylbenzene,and xylene)和VOC(volatile organic compounds)等大氣污染物伴隨著水蒸氣被排放到大氣中,污染源可通過大氣擴(kuò)散,在環(huán)境中累積并產(chǎn)生持久危害,對(duì)人體健康、大氣環(huán)境質(zhì)量和氣候產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

隨著頁巖氣、致密氣成為開采熱點(diǎn),天然氣脫水裝置的節(jié)能環(huán)保問題備受關(guān)注。因此,有必要對(duì)天然氣脫水裝置BTEX和VOC減排措施進(jìn)行研究。目前天然氣脫水裝置BTEX和VOC的主要減排措施有燃燒、冷凝回收、優(yōu)化脫水工藝以及一些其他減排措施。

1燃燒

通過燃燒減少BTEX和VOC的排放一直備受青睞,燃燒裝置得以不斷改進(jìn)。由于氣體燃燒必須要考慮燃點(diǎn)、燃燒時(shí)間、燃燒氣體的組成、氧氣等因素,因此脫水裝置的尾氣組成和通風(fēng)方式可直接影響通過燃燒減少天然氣脫水裝置BTEX和VOC排放的效果。Franklin等公司早已開發(fā)出了專用于三甘醇(TEG)脫水裝置尾氣排放的燃燒系統(tǒng),該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了專用基準(zhǔn)型、助風(fēng)型及大處理量型的燃燒裝置,具有經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)[3]。

1.1火炬裝置

火炬裝置是常規(guī)脫水裝置中控制污染物排放最簡單、經(jīng)濟(jì)的裝置,通常由高架火炬、分液罐、分子封、點(diǎn)火系統(tǒng)等組成。根據(jù)排放氣體排放壓力的不同,火炬一般分為高壓放空火炬和低壓放空火炬[4]?；鹁婵梢詿籼烊粴饷撍b置中排放的氣態(tài)產(chǎn)物,但在實(shí)際操作時(shí)會(huì)凝結(jié)產(chǎn)生煙霧,造成不完全燃燒,未被充分燃燒的烴類在排放時(shí)會(huì)產(chǎn)生黑煙,污染空氣,導(dǎo)致排放物無法滿足環(huán)保要求。此外,火炬在燃燒過程中還需補(bǔ)充燃料或配備輔助

火焰,需要額外的能耗[5]。

1.2StripBurn系統(tǒng)

為滿足相應(yīng)的環(huán)保要求,燃燒裝置一直得以不斷優(yōu)化,StripBurn系統(tǒng)能較好地解決BTEX和VOC減排的問題。該系統(tǒng)利用閃蒸氣作為氣提柱的汽提氣,再生塔塔頂外排氣經(jīng)過冷凝后,不凝氣和補(bǔ)充氣作為再沸爐的燃料[6]。由于將脫水裝置尾氣中的BTEX和VOC作為燃料,因此該系統(tǒng)在充分利用資源的同時(shí)還降低了天然氣脫水的燃料費(fèi)用。該系統(tǒng)的關(guān)鍵是控制氣體流量平衡(燃料氣、閃蒸氣、汽提氣)及保證脫水裝置尾氣的充分燃燒。通常情況下,首先基于對(duì)TEG脫水裝置能耗的優(yōu)化來確定燃料氣流量,其次通過調(diào)節(jié)脫水裝置閃蒸罐的壓力和溫度來控制閃蒸氣流量,然后在保證天然氣露點(diǎn)降的前提下選擇合適的汽提氣流量,最后根據(jù)不凝氣流量對(duì)燃料氣進(jìn)行補(bǔ)充,最終達(dá)到減少污染和節(jié)約能耗的雙重目標(biāo)。重沸器的主燃燒器作為脫水裝置尾氣燃燒的重要裝置,可采用自然或強(qiáng)制通風(fēng)方式以保證尾氣的充分燃燒。

StripBurn系統(tǒng)有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)從再生塔排放的氣體可被完全燃燒。

2)使用氣提對(duì)TEG進(jìn)行提濃,減少了TEG的循環(huán)量；使用不凝氣作為重沸器的燃料,降低了燃料氣的消耗。

3)VOC大量存在于混合氣中,冷凝水中VOC的含量非常少,因此,污水中污染物的含量低。

4)沒有BTEX和VOC被排放到大氣中,不需要相應(yīng)的環(huán)境監(jiān)測。

為進(jìn)一步分析TEG脫水裝置中StripBurn系統(tǒng)的氣體平衡影響因素,本文建立了StripBurn系統(tǒng)工藝計(jì)算模型[8-10](圖1)。模擬的基準(zhǔn)工況是：原料氣組成見表1,進(jìn)料天然氣溫度為36 ℃,壓力為5.5 MPa,日處理量100×104m3/d。模擬過程選用PR方程[11]。

圖1　StripBurn系統(tǒng)工藝計(jì)算模型

表1原料氣組成

組分摩爾分?jǐn)?shù)/(%)組分摩爾分?jǐn)?shù)/(%)C190.42C24.67C31.03?i㊣C40.17?n㊣C40.19?i㊣C50.08?n㊣C50.04?n㊣C60.09?n㊣C70.1?n㊣C80.01?n㊣C90.01N21.64H2O0.32CO21.01苯0.01乙苯0.01二甲苯0.01甲苯0.01

1.2.1汽提氣量

TEG脫水通常采用的汽提氣量為0.02～0.05 m3/L。由圖2可見,露點(diǎn)降和重沸器熱負(fù)荷隨著汽提氣量的增大而增大。在再生塔塔頂冷凝溫度一定時(shí),隨著汽提氣量的增大,再生塔塔頂回流量增大,同時(shí)導(dǎo)致重沸器熱負(fù)荷增大。在TEG循環(huán)量一定時(shí),TEG濃度隨著汽提氣量的增大而增大,天然氣的露點(diǎn)降也隨之增大。當(dāng)汽提氣量小于0.032 m3/L時(shí),閃蒸氣流量隨著汽提氣量的增大而增大,但變化幅度很小。隨著汽提氣量的增加,TEG濃度不斷增大,對(duì)原料氣中重?zé)N的吸收能力增強(qiáng)；在65 ℃、300 kPa的條件下進(jìn)行閃蒸,隨著TEG富液中吸收重?zé)N量的增加,解析出的閃蒸氣不斷增多。當(dāng)汽提氣量大于0.032 m3/L時(shí),閃蒸氣流量不隨汽提氣量的增大而改變。當(dāng)TEG濃度達(dá)到一定值時(shí),對(duì)原料氣重?zé)N的吸收達(dá)到飽和,閃蒸氣流量不再變化。隨著汽提氣量的增大,補(bǔ)充汽提氣流量增大,因?yàn)槠釟饬康淖兓瘜?duì)閃蒸氣的影響很小。

圖2　汽提氣量對(duì)露點(diǎn)降、閃蒸氣流量、補(bǔ)充汽提氣流量及重沸器熱負(fù)荷的影響

1.2.2閃蒸壓力

由圖3可見,在TEG循環(huán)量為25 L/kg,汽提氣量為0.03 m3/L時(shí),閃蒸壓力對(duì)露點(diǎn)降沒有影響。閃蒸氣流量隨著閃蒸壓力的增大而減小,補(bǔ)充汽提氣量和重沸器熱負(fù)荷隨著閃蒸壓力的增大而增加。在閃蒸溫度為65 ℃時(shí),隨著閃蒸壓力的增大,閃蒸罐中直接從富液中解析出的烴類減少,閃蒸氣流量減少,需要補(bǔ)充的汽提氣量增大,從閃蒸罐中流出的富液中攜帶的烴類增加,輕烴汽化所需的熱量增大,再生塔重沸器的熱負(fù)荷增大。

圖3　閃蒸壓力對(duì)露點(diǎn)降、閃蒸氣流量、補(bǔ)充汽提氣量及重沸器熱負(fù)荷的影響

1.2.3閃蒸溫度

由圖4可見,當(dāng)TEG循環(huán)量和汽提氣量分別在25 L/kg、0.03 m3/L時(shí),閃蒸溫度對(duì)露點(diǎn)降沒有影響。閃蒸氣流量隨著閃蒸溫度的升高而增加,補(bǔ)充汽提氣量隨著閃蒸溫度的升高而減小。閃蒸壓力為300 kPa時(shí),隨著閃蒸溫度的升高,從富液中解析出的烴類增加,閃蒸氣流量增大,需要補(bǔ)充的汽提氣量減小,從閃蒸罐中流出的富液中攜帶的烴類減少,輕烴汽化所需的熱量減小,再生塔重沸器的熱負(fù)荷減小。

圖4　閃蒸溫度對(duì)露點(diǎn)降、閃蒸氣量、汽提氣量及重沸器熱負(fù)荷的影響

通過對(duì)StripBurn系統(tǒng)的工藝計(jì)算分析得出：

1)在滿足氣體露點(diǎn)降的情況下,減少汽提氣量可以降低能耗；

2)在一定吸收塔壓力的情況下,閃蒸壓力越低,StripBurn系統(tǒng)能耗越小；

3)建議富液閃蒸溫度只靠貧/富液換熱升溫,不需要額外加熱升溫。

2冷凝回收

冷凝回收的投資一般大于燃燒排放的投資,但可以回收資源、化害為利。冷凝回收可有效回收BTEX,減輕污染,減少投資。目前已經(jīng)開發(fā)了多種冷凝工藝,常見的冷凝工藝有空氣冷凝、水冷凝、氣體冷凝、甘醇冷凝和組合冷凝等工藝,其中空氣冷凝具有設(shè)備簡單、投資少、能耗大的特點(diǎn)。

2.1R-BTEX工藝

R-BTEX工藝是Radian公司開發(fā)的一套專門用于處理TEG脫水裝置排放氣的冷凝工藝[12],其技術(shù)成熟,且在經(jīng)濟(jì)、環(huán)保方面已取得較好效果,目前已得到廣泛應(yīng)用。在該工藝中,再生塔放空的水汽經(jīng)過空冷器、水冷器兩級(jí)冷卻,在空冷器中,再生塔頂?shù)呐欧盼镏写蟛糠炙鸵徊糠譄N被冷凝,部分凝液進(jìn)入水冷器換熱冷凝。該工藝中凝結(jié)水的溫度可降至環(huán)境溫度,因此可最大限度地將烴冷凝、回收[3]。

圖5　采用氣提再生TEG的R-BTEX工藝計(jì)算模型

由圖6可見,BTEX和VOC排放量隨著汽提氣量的增大而增大。在再生塔塔頂回流比一定的情況下,汽提氣對(duì)R-BTEX工藝的能耗(為滿足環(huán)保要求而增加的能耗,即空冷器、水循環(huán)泵的電耗)沒有影響。在保證氣體脫水深度的情況下,減少汽提氣量能夠減少BTEX和VOC的排放。

圖6　汽提氣量對(duì)R-BTEX能耗及BTEX和VOC的排放量的影響

2.2Drizo工藝

Drizo工藝采用共沸再生的方法提高甘醇濃度,將BTEX、異辛烷、正庚烷等易揮發(fā)的有機(jī)化合物作為共沸劑,

為進(jìn)一步分析Drizo工藝的能耗和環(huán)保效果,本文建立了Drizo工藝計(jì)算模型(圖7)。模擬的基準(zhǔn)工況同StripBurn系統(tǒng)工藝計(jì)算的基準(zhǔn)工況。

由圖8可見,隨著冷凝器冷凝溫度的升高,Drizo工藝的能耗降低。Drizo工藝能耗的主要影響因素是冷凝溫度,BTEX和VOC排放量隨冷凝溫度的升高而增大。重沸器熱負(fù)荷隨著冷凝溫度的增大而降低。在BTEX和VOC排放量滿足環(huán)保要求時(shí),可適當(dāng)提高冷凝溫度以降低Drizo系統(tǒng)能耗。

圖7　Drizo工藝計(jì)算模型

圖8　冷凝溫度對(duì)露點(diǎn)降、BTEX和VOC排放量、Drizo能耗及重沸器熱負(fù)荷的影響

3優(yōu)化脫水工藝

優(yōu)化脫水工藝,改變脫水裝置操作條件,不僅可以節(jié)約能耗[14-15],還可減少甘醇脫水裝置BTEX和VOC的排放。優(yōu)化脫水工藝參數(shù)可主要從減少甘醇對(duì)BTEX和VOC的吸收、增大BTEX和VOC的閃蒸以及減少再生塔BTEX的解析等方面考慮[16]。

影響甘醇吸收BTEX和VOC的因素主要有甘醇種類、吸收塔的壓力、溫度。甘醇對(duì)重?zé)N的親和力隨著甘醇碳原子數(shù)的增加而增加。因此,采用二甘醇(DEG)和乙二醇(MEG)替換TEG可有效減少脫水裝置BTEX和VOC的排放。如脫水裝置在25 L/kg的甘醇循環(huán)量下操作時(shí),TEG的VOC排放量比MEG的VOC排放量高20～30倍,TEG的BTEX排放量比MEG的BTEX排放量高5～10倍[17]。甘醇循環(huán)量是影響重?zé)N吸收量的關(guān)鍵因素之一,提高TEG濃度并減小TEG循環(huán)量,是減少BTEX排放的一個(gè)行之有效的方法。甘醇對(duì)BTEX的吸收隨著原料氣壓力的增大而增加,隨著原料氣溫度的降低而增大。因此,降低吸收塔壓力、提高吸收塔溫度可以減少BTEX的排放。此外,原料氣中水及CO2含量的增加也會(huì)減弱甘醇對(duì)重?zé)N的吸收[3]。

通過閃蒸可以有效控制VOC的排放,合理的閃蒸條件可以有效解析甘醇所攜帶的重?zé)N。適當(dāng)提高閃蒸溫度、降低閃蒸壓力可以有效減少VOC的排放,同時(shí)也能減少BTEX的排放?？梢酝ㄟ^降低再沸溫度和減少汽提氣量以減少再生塔BTEX的解析。

在滿足天然氣脫水要求的情況下,通過優(yōu)化脫水裝置的運(yùn)行參數(shù),使BTEX和VOC的排放達(dá)到最小[18]。通過優(yōu)化脫水工藝控制BTEX和VOC的排放,可減少投資,充分利用現(xiàn)有裝置的性能,但該方法不能徹底解決BTEX對(duì)空氣的污染,因此使用該辦法時(shí)可以結(jié)合其他工藝,以達(dá)到更好的經(jīng)濟(jì)、環(huán)保效果。

4其他減排措施

使用其他脫水工藝,如固體吸附法、膜分離法、超音速法等,可以減少甚至消除BTEX和VOC的排放,但需要做詳細(xì)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。此外,減少天然氣脫水裝置BTEX和VOC的排放,還可借鑒其他行業(yè)揮發(fā)性有機(jī)氣體的控制措施,如吸附法、吸收法、光催化還原法、電暈法、膜分離法等回收處理方法[19-20],考慮到這些措施的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)問題,其在天然氣脫水裝置尾氣處理中的應(yīng)用還有待進(jìn)一步研究。

5主要減排措施對(duì)比分析

火炬裝置設(shè)施簡單,能夠方便地消除BTEX和VOC的污染,但沒有充分利用燃燒產(chǎn)生的熱能,對(duì)整套脫水裝置的能耗節(jié)約、脫水效果沒有任何改善,只是單一地解決了脫水裝置的環(huán)保問題。

StripBurn系統(tǒng)充分利用BTEX和VOC,先將其作為汽提氣,后又將其作為重沸器的燃料,在較徹底地消除BTEX和VOC對(duì)環(huán)境污染的同時(shí)發(fā)揮BTEX和VOC的價(jià)值,且脫水效果較好。StripBurn系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等方面非常有優(yōu)勢,是較經(jīng)濟(jì)可行的控制BTEX和VOC排放的措施。

R-BTEX工藝將BTEX冷凝回收,不凝氣VOC一般直接外排,環(huán)保效果受再生系統(tǒng)的影響。TEG脫水裝置中再生系統(tǒng)若僅采取重沸器加熱的常壓再生方法,得到的天然氣脫水深度較淺。若再生系統(tǒng)選用氣提再生,VOC的排放量會(huì)增大,此時(shí)建議將不凝氣作為燃燒爐的燃料使用。若再生系統(tǒng)選用共沸再生時(shí),共沸劑的選擇需要考慮凝液的處理方案。因此,R-BTEX工藝適用于BTEX含量高的脫水裝置。

Drizo工藝將BTEX作為共沸劑,回收利用了BTEX,但不凝氣VOC一般直接外排,VOC的環(huán)保效果受到影響,建議將不凝氣通往燃燒爐作為燃料使用。

6結(jié)論

通過對(duì)比燃燒、冷凝回收、優(yōu)化脫水工藝等天然氣脫水裝置BTEX和VOC減排措施可得：

1)燃燒措施簡單易行,投資操作費(fèi)用低,但不能回收輕烴。

2)冷凝回收的操作運(yùn)行費(fèi)用比燃燒的費(fèi)用高,但可以部分回收輕烴,環(huán)保效果受脫水裝置再生系統(tǒng)的影響。

3)優(yōu)化脫水工藝可以免去對(duì)設(shè)備的改造,但控制BTEX排放的效果有限,往往需要與其他工藝結(jié)合才能達(dá)到環(huán)保要求。

(4)從技術(shù)經(jīng)濟(jì)方面綜合考慮,推薦優(yōu)先考慮StripBurn系統(tǒng)。

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收稿日期：2015-09-11

作者簡介：劉佳(1992-)，女，陜西渭南人，碩士研究生，主要從事油氣田地面工程研究。

DOI:10.3969/j.issn.1006-5539.2016.03.010