陳道兵 張慶
摘 要:MDEA選擇性脫硫造成凈化氣H2S超標(biāo)的一系列因素問題,近年來隨著甲基二乙醇胺(MDEA)溶液在石油化工行業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛,企業(yè)對MDEA濕法脫硫工藝的安全、平穩(wěn)、節(jié)能運(yùn)行控制度要求越來越高。西北油田三號聯(lián)輕烴處理站MDEA脫硫工藝裝置因吸收溫度過高導(dǎo)致脫硫不合格,通過對系統(tǒng)溫度精度控制的改造,而制冷冰機(jī)控溫使脫硫合格從而為推廣應(yīng)用提供可靠的依據(jù)。
關(guān)鍵詞:MDEA;制冷冰機(jī);溫度;脫硫效果
1 前言
甲基二乙醇胺(MDEA)屬于水溶性烷基醇胺,目前作為脫硫劑被廣泛應(yīng)用于煉廠氣和油田含硫氣脫硫領(lǐng)域,主要緣于其本身在H2S和CO2共存的場合,具有選擇性脫除H2S的優(yōu)點(diǎn),但容易發(fā)泡也是醇胺類溶劑所固有的特性、溫度等參數(shù)控制不穩(wěn)造成降解,溫度控制波動大及胺液發(fā)泡引發(fā)系統(tǒng)脫硫不穩(wěn)定并引起一系列問題。所以對于目前系統(tǒng)的狀況,通過分析原因,針對性的提出優(yōu)化措施和技術(shù)改造關(guān)乎行業(yè)胺液系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行的關(guān)鍵。
MDEA的性質(zhì)和用途。MDEA即甲基二乙醇胺,分子式為CH3-N(CH2CH2OH)2,無色透明或微黃色液體,沸點(diǎn)246-248℃,閃點(diǎn)260℃,密度(20℃下)1038-1041kg/m3,汽化潛熱(101.325kPa下)419kJ/kg;能與水、醇混溶,微溶于醚。在一定條件下,能很好的吸收H2S、CO2等酸性氣體,且反應(yīng)熱小、解吸溫度低。MDEA為叔胺,呈弱堿性,化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,幾乎不降解變質(zhì)。由于以上特性,MDEA已被作為一種優(yōu)良的化學(xué)吸收劑廣泛用于氣體凈化工業(yè)。
①原料氣提濃H2S回收硫磺,可節(jié)省投資和操作費(fèi)用;②脫除煉廠氣、天然氣和煤氣尾氣中的H2S,以達(dá)排放要求,解決環(huán)保問題。
2 概述胺液脫硫系統(tǒng)及現(xiàn)狀
2.1 主要參數(shù)工藝流程
西北油田三號聯(lián)輕烴處理站凈化工藝采用MDEA+自循環(huán)LO-CAT工藝進(jìn)行脫硫及硫磺回收,其處理規(guī)模為50×104m3/d,H2S含量為2980mg/m3,吸收劑選用35%(wt)的MDEA溶液,設(shè)計溶劑的循環(huán)量為25m3/h。設(shè)計要求經(jīng)過MDEA吸收塔之后的天然氣中硫化氫含量≤10ppm。
2.1.1 MDEA脫硫裝置的氣工藝流程
由原料氣壓縮機(jī)一級壓縮后的含硫天然氣經(jīng)重力分離器、過濾分離器后,進(jìn)入MDEA吸收塔的下部,與由塔上部進(jìn)塔的MDEA貧液逆流接觸器,天然氣中的幾乎全部硫化氫及部分二氧化碳組分被MDEA貧液吸收進(jìn)入液相從而脫除。脫硫后的濕凈化天然氣自塔頂經(jīng)凈化器分離、捕集出攜帶的少量脫硫溶劑后進(jìn)入二級增壓后去輕烴回收單元。吸收含硫天然氣中上訴酸性組分的MDEA富液自塔底排出,經(jīng)MDEA富液管線上設(shè)置的吸收塔底液位調(diào)節(jié)閥節(jié)流降壓后,進(jìn)入閃蒸罐閃蒸和氣液分離,依次進(jìn)預(yù)過濾器、活性炭過濾器和后過濾器,進(jìn)行再生前的溶液凈化。
2.1.2 MDEA溶液過程部分流程
過濾凈化后的MDEA富液進(jìn)貧富液換熱器,與來自再生塔再生后的MDEA貧液進(jìn)行貧富液進(jìn)行逆流換熱,對貧液進(jìn)行冷卻。換熱后的MDEA貧液溫度降至57℃;MDEA富液溫度則升高至95℃后由再生塔上部進(jìn)塔,在塔內(nèi)熱動力推動下解析出吸收的含硫天然氣的酸性組分從而降低其酸氣負(fù)荷,恢復(fù)脫硫活性成為MDEA貧液后由再生塔下部出塔,解析出的酸氣由塔頂出塔進(jìn)入硫磺回收部分。貧液出塔后先經(jīng)經(jīng)過貧富液換熱、貧液空冷器冷卻后由胺液循環(huán)泵升壓至1.40MPa,再次去吸收塔和閃蒸罐頂部循環(huán)利用。
2.2 目前實(shí)際生產(chǎn)情況
天然氣氣量:50×104m3/d;原料氣H2S含量:3000mg/m3左右;夏季脫硫溫度:45~56℃;夏季凈化氣H2S含量:60mg/m3;冬季凈化氣H2S含量:<20mg/m3;輕烴站原料氣經(jīng)壓縮機(jī)一級增壓后,經(jīng)壓縮機(jī)空冷器冷卻至35℃,但從4月份~10月份期間干式空冷器冷卻天然氣溫度基本上在45~56℃之間。根據(jù)近年來的運(yùn)行數(shù)據(jù),天然氣溫度超過40℃后,脫硫基本上就不會合格。根據(jù)生產(chǎn)報數(shù)據(jù)得出結(jié)論圖表1。
凈化氣中H2S質(zhì)量濃度隨吸收塔溫度的降低而減少,這是因為MDEA溶液吸收H2S為放熱過程,吸收塔溫度越低,脫硫效果越好。當(dāng)吸收塔溫度超過40℃時,溫度每降低5℃,凈化氣中H2S質(zhì)量濃度約降低50mg/m3,此時,溫度對凈化氣中H2S質(zhì)量濃度的影響較為顯著。當(dāng)吸收塔溫度低于40℃時,溫度每降低5℃,凈化氣中H2S質(zhì)量濃度僅降低約10mg/m3,故溫度對凈化氣中H2S質(zhì)量濃度影響非常小,通過取樣現(xiàn)場數(shù)據(jù)化驗。目前,夏季吸收塔操作溫度為47~50℃。由圖1可以看出,脫硫進(jìn)氣溫度、貧液溫度偏高是該裝置凈化不徹底的主要原因之一。
因此,為了將天然氣進(jìn)入MDEA吸收塔溫度降低至40℃以下,需要新增其他形式的冷卻器來冷卻吸收塔進(jìn)口的天然氣、循環(huán)液。因此,為了解決目前存在問題,消除安全隱患,對存在問題進(jìn)行改造是非常必要的。
3 吸收塔氣液溫度的措施優(yōu)化
根據(jù)目前天然氣處理量為50×104m3/d彈性操作10%,
硫化氫含量在2980-3500mg/m3之間,天然氣脫硫系統(tǒng)MDEA胺液循環(huán)量為19m3/h,胺液循環(huán)泵設(shè)計排量為31.2m3/h,吸收塔為φ1600H=23150,再生塔為φ800H= 20000,貧富液換熱器負(fù)荷為1700kW,再生塔重沸器熱負(fù)荷為1200kW,過濾器處理能力為31.2m3/h,再生塔冷凝器負(fù)荷為324kW。經(jīng)核算,在氣量不發(fā)生大的增加情況,目前系統(tǒng)還是能承受一定硫化氫含量波動的。為此輕烴站新建610kW天然氣冰機(jī)1座,主要用于冷卻吸收塔原料氣和貧胺液。
3.1 新增預(yù)冷冰機(jī)流程改造
3.1.1 含硫天然氣流程
流程描述:一級壓縮機(jī)來的原料氣經(jīng)壓縮機(jī)空冷器冷卻后溫度在45~56℃,進(jìn)入新建預(yù)冷機(jī)蒸發(fā)器冷卻,經(jīng)制冷劑降溫至35℃后進(jìn)入酸氣預(yù)分離器。
3.1.2 貧胺液流程
流程描述:胺液循環(huán)泵來的貧胺液50~55℃進(jìn)入新建預(yù)冷機(jī)蒸發(fā)器冷卻,經(jīng)制冷劑降溫至40℃后進(jìn)入MDEA吸收塔,進(jìn)入后續(xù)處理流程。
MDEA吸收塔(TF-T-1101A)(塔頂45℃,0.68MPa,塔底50℃,0.69MPa),且吸收塔塔液位(1300mm)穩(wěn)定后,在塔天然氣出口壓力表(PG1148A)處做取樣分析,直至硫化氫含量合格(≤10ppm)。
3.2 機(jī)組調(diào)試情況
預(yù)冷冷機(jī)試運(yùn)行調(diào)試,投入部分原料天然氣進(jìn)預(yù)冷機(jī)蒸發(fā)器,倒入胺液胺液循環(huán)量23m3/h,R134A制冷劑總計56桶;分別對各階段天然氣量、貧胺液量、負(fù)荷、進(jìn)行測試,一臺制冷壓縮機(jī)運(yùn)行調(diào)試,當(dāng)1臺螺桿壓縮機(jī)100%負(fù)荷滿足不了制冷工況時,第二臺螺桿壓縮機(jī)自動啟機(jī)運(yùn)行進(jìn)行分程控制;機(jī)組冷凝器由兩組32臺風(fēng)機(jī)根據(jù)冷媒高壓數(shù)據(jù)進(jìn)行階段控制;天然氣、貧胺液制冷溫度可根據(jù)環(huán)境溫度、工藝溫度進(jìn)行設(shè)定,以適應(yīng)冬夏、晝夜溫差的變化。壓縮機(jī)可根據(jù)工況進(jìn)行25%、50%、75%、100%加減載控制,設(shè)定精度在±2℃范圍內(nèi)。
4 應(yīng)用效果
通過冷機(jī)對天然氣、貧胺液在蒸發(fā)器的溫度控制分別為35℃、38℃的精確控制能夠保證MDEA吸收塔塔頂氣中硫化氫含量≤10ppm/m3,機(jī)組最高運(yùn)行負(fù)荷75%,仍有25%冗余量。
通過溫度的精準(zhǔn)控制,可以將胺液循環(huán)量由原來的20t/h降低到17t/h,能耗可降低約20%,同時預(yù)冷機(jī)組一次加注R134A基本不用補(bǔ)充,換熱器熱載體走殼程檢修清理周期長,螺桿式壓縮機(jī)維護(hù)保養(yǎng)簡單運(yùn)行平穩(wěn)操作強(qiáng)度低,適用于輔助性制冷工況場合。
5 總結(jié)
MDEA溶液適用于處理含有H2S、CO2及其他微量雜質(zhì)的酸性廢氣,并具有很高的選擇性;控制溶液中MDEA的濃度,降低塔高、采用較低的操作壓力和較低的吸收溫度有利于選擇性吸收H2S氣體;通過對輕烴站脫硫裝置參數(shù)分析可知,凈化氣中H2S質(zhì)量濃度不達(dá)標(biāo)的主要原因為:天然氣中H2S含量增加、天然氣進(jìn)脫硫裝置的入口溫度高以及因MDEA再生不完全造成MDEA貧液中H2S質(zhì)量濃度偏高,減少外屆因素造成胺液的污染,定期對貧胺液進(jìn)行濃度檢測,在濃度較低時及時補(bǔ)充新胺液并做好數(shù)據(jù)跟蹤;合理調(diào)整MDEA系統(tǒng)的生產(chǎn)運(yùn)行參數(shù),尤其關(guān)注各壓力、溫度的變化,盡可能向設(shè)計參數(shù)靠攏,只要控制好進(jìn)料污染源、選用高效過濾裝置、富液再生合格、及時添加配比濃度、補(bǔ)充合格的脫鹽水(凈化水)控制好壓力溫度,裝置運(yùn)行低耗、高效、安全都能得到有效保障。
參考文獻(xiàn):
[1]馬國光,曹連進(jìn),鐘榮強(qiáng),季夏夏.塔二聯(lián)輕烴站脫硫系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整分析[J].石油與天然氣化工,2015,44(01):21-24.
[2]文海濤.胺液系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化經(jīng)驗總結(jié)與分析[J].廣東化工,2018,45(16):57-58.