LNG裝置天然氣中酸性氣體脫除工藝

桂兵海

(寧夏哈納斯液化天然氣有限公司，寧夏 銀川 750021)

天然氣在進(jìn)行液化之前，必須要對(duì)其進(jìn)行一系列的凈化處理，脫除其中諸如H2S、CO2、H2O、重質(zhì)烴(C6+)、Hg等氣體及固體雜質(zhì)，從而避免在液化時(shí)的低溫狀態(tài)下，氣體、水分等凍結(jié),造成管道和閥門(mén)堵塞，并避免對(duì)管道及設(shè)備產(chǎn)生腐蝕[1]。

天然氣預(yù)處理的主要目的如下：(1)避免天然氣中的酸性氣體，諸如SO2、H2S、CO2等對(duì)凈化和液化設(shè)備、管道造成腐蝕；(2)防止在極低的溫度下(低于-162℃)水、重?zé)N(C6+烴類(lèi))等凍結(jié)，從而避免其堵塞深冷設(shè)備、管道和節(jié)流閥等；(3)保證在極低的溫溫下，液化裝置能夠安全、平穩(wěn)和長(zhǎng)周期地運(yùn)行；(4)提高天然氣的熱值，滿足氣體質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[2]。LNG裝置天然氣的凈化處理指標(biāo)見(jiàn)下表1。

表1 LNG裝置天然氣的凈化處理指標(biāo)

1 天然氣中酸性氣體脫除過(guò)程概述

天然氣原料中含有少量CO2和H2S之類(lèi)的雜質(zhì)，這些氣體雜質(zhì)被統(tǒng)稱(chēng)為“酸性氣體”。天然氣還含有少量重?zé)N，比如己烷和庚烷等。為了防止天然氣中酸性氣體對(duì)設(shè)備、工藝管線的腐蝕，以及可能在液化單元產(chǎn)生干冰或水合物,堵塞深冷換熱器管束和閥門(mén)，必須將酸性氣體脫除到微量水平，從而使LNG產(chǎn)品合格。

含酸性組分的天然氣進(jìn)入吸收塔底部，由下而上與“胺溶液”接觸逆流接觸，胺溶液為堿性溶液，吸收酸性氣體，從而將酸性氣體脫除，這個(gè)過(guò)程被稱(chēng)為“吸收過(guò)程”。此過(guò)程發(fā)生在叫做“吸收塔”的塔內(nèi)。

酸性氣體被脫除后的天然氣(被稱(chēng)為“甜氣”)離開(kāi)吸收塔頂部，進(jìn)入分離器除去攜帶的胺液滴后進(jìn)入凈化處理的下一個(gè)過(guò)程-脫水單元。當(dāng)“甜氣”離開(kāi)吸收塔頂時(shí)，它含低于0.0050 mol%(50 ppmv)的CO2和低于4 mg/Nm3的H2S。

從吸收塔底出來(lái)的胺吸收了酸性氣體，它被稱(chēng)為“富胺”。必須從富胺中脫除酸性氣體，使胺能再次使用。從富胺中脫除酸性氣體稱(chēng)為“胺再生”，在被稱(chēng)為“胺再生塔”的塔內(nèi)進(jìn)行再生。再生后的胺稱(chēng)為“貧胺”，貧胺經(jīng)泵加壓后進(jìn)入吸收塔循環(huán)使用。

2 天然氣中酸性氣體脫除工藝的選擇

天然氣脫除酸性組分的方法有物理吸收法、化學(xué)吸收法、聯(lián)合吸收法、直接氧化法和膜分離法等[3]。在化學(xué)吸收法中，醇胺法是目前世界上所使用最廣泛的天然氣脫酸性氣體工藝。醇胺溶液作為化學(xué)吸收法中所使用最廣泛的吸收劑，有一乙醇胺(MEA)、二乙醇胺(DEA)、二甘醇胺(DGA)、甲基二乙醇胺(MDEA)和二異丙醇胺(DIPA)等。MEA和DEA的腐蝕性較大，再生所需熱量大，易發(fā)泡，在有機(jī)硫存在下會(huì)發(fā)生降解，因此對(duì)醇胺類(lèi)溶劑可選擇一種改良的溶劑-甲基乙二醇胺(MDEA)和活化劑(HEP)的混合溶劑用來(lái)脫除天然氣中的酸性氣體。

MDEA+HEP的混合溶劑相對(duì)于其它的脫酸氣工藝主要具有以下優(yōu)勢(shì)：(1)吸收H2S和CO2的能力強(qiáng)，尤其是在天然氣中CO2含量比H2S含量高時(shí)，應(yīng)用活化的MDEA和HEP的混合溶劑效果比較好，同時(shí)能脫除部分有機(jī)硫；(2)凈化度高，被凈化的氣體中酸氣殘留非常低；(3)適用性寬，吸附和再生過(guò)程中胺液攜帶損失??；(4)工藝成熟，高反應(yīng)率，穩(wěn)定可靠；(5)再生容易，耗能小，再生效果好；(6)成本低。

3MDEA+HEP法脫酸性氣體的工藝流程和主要設(shè)備

基于國(guó)內(nèi)某處理量為2,000,000 Nm3/d的LNG裝置，其吸收塔入口天然氣的組成如表2。

表2 某處理量為2,000,000 Nm3/d的LNG裝置吸收塔入口天然氣的組成

MDEA+HEP法脫酸性氣體的工藝流程見(jiàn)圖1，它主要包含三個(gè)部分。

圖1 MDEA+HEP法脫酸性氣體的工藝流程圖

3.1 吸收部分

天然氣自吸收塔C-201底部進(jìn)入，與從頂部進(jìn)入的貧胺溶液逆流接觸。當(dāng)酸性氣體鼓泡穿過(guò)貧胺溶液時(shí)，氣液接觸促進(jìn)了貧胺對(duì)酸性氣體的吸收。胺液含酸性氣越多，胺變得“更富”。為了避免烴在吸收塔內(nèi)冷凝，引起塔盤(pán)起泡從而影響吸收效率，從吸收塔頂部進(jìn)入的貧胺溫度需要比天然氣進(jìn)氣的露點(diǎn)高5～8℃。吸收塔塔底液位在液位調(diào)節(jié)閥的控制下，將富胺輸送到閃蒸罐。

3.2 胺再生部分

3.2.1 富胺閃蒸罐

從吸收塔底來(lái)的富胺進(jìn)入閃蒸罐V-201，大多數(shù)被吸收到富胺中的烴被解吸到閃蒸氣相。在壓力調(diào)節(jié)閥的控制下，將閃蒸氣回收到燃料氣系統(tǒng)。閃蒸罐液位在液位調(diào)節(jié)閥的控制下，富胺被輸送到貧/富胺換熱器E-202。

3.2.2 貧/富胺換熱器

在貧/富胺換熱器E-202里，再生塔C-202出來(lái)的熱貧胺將閃蒸罐出來(lái)的富胺加熱后，富胺進(jìn)入胺再生塔。

3.2.3 胺再生塔(汽提塔)

胺再生塔底再沸器E-204產(chǎn)生的蒸汽與富胺溶液逆流接觸，將其中的酸性氣汽提出來(lái)，從而完成了富胺的再生。在胺再生塔底液位調(diào)節(jié)閥的控制下，熱貧胺溶液溢流到貧/富胺換熱器。

3.2.4 胺再生塔底再沸器

釜式胺再生塔底再沸器E-204的殼程產(chǎn)生汽提蒸汽，用導(dǎo)熱油作為加熱介質(zhì)，在熱油流量調(diào)節(jié)閥的控制下在再沸器的管程進(jìn)行循環(huán)。

3.2.5 貧胺泵

從貧/富胺換熱器E-202出來(lái)的貧胺溶液通過(guò)貧胺泵P-201A/B輸送到貧胺冷卻器E-201進(jìn)行冷卻。

3.2.6 貧胺加壓泵

貧胺加壓泵P-202A/B將胺緩沖罐V-205中的胺增壓到要求值，并送入到吸收塔。在去吸收塔的貧胺管線上安裝流量調(diào)節(jié)閥，通過(guò)調(diào)節(jié)閥控制進(jìn)入吸收塔的貧胺流量。

3.3 輔助設(shè)施

3.3.1 胺過(guò)濾工藝包

貧胺冷卻器下游的部分常溫胺液被輸送到胺過(guò)濾工藝包，將固體顆粒、溶解烴以及污染物除去，從而避免這些雜質(zhì)引起胺系統(tǒng)腐蝕和起泡。

3.3.2 消泡劑注射工藝包

天然氣中的酸性氣和重?zé)N過(guò)高時(shí)，胺液有可能起泡。起泡嚴(yán)重時(shí)，需要加入少量的消泡劑，因此需設(shè)置消泡劑注射工藝包。

4 物料衡算

物料衡算是進(jìn)、出物料的平衡。MDEA+HEP法脫酸性氣體的HYSYS計(jì)算模型見(jiàn)圖2。

圖2 MDEA+HEP法脫酸性氣體的HYSYS計(jì)算模型

利用AspenHYSYS軟件對(duì)MDEA+HEP法脫酸性氣體進(jìn)行模擬。吸收塔和再生塔均為浮閥塔。根據(jù)吸收塔入口天然氣的組成特點(diǎn)，選用質(zhì)量濃度為37.9%的MDEA和7.6%的HEP混合溶液脫除酸性氣體。表3為主要物流的工藝設(shè)計(jì)參數(shù)。

表3 LNG裝置酸性氣體脫除單元主要物流的工藝設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)圖2MDEA+HEP法脫酸性氣體的HYSYS計(jì)算模型，所作的物料衡算見(jiàn)表4。

表4 物料平衡

表4(續(xù))

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于國(guó)內(nèi)某處理量為2,000,000 Nm3/d的LNG裝置，通過(guò)使用HYSYS模擬軟件對(duì)MDEA+HEP法脫酸性氣體進(jìn)行流程計(jì)算，總結(jié)如下：

(1)根據(jù)裝置處理能力和天然氣的組分，確定了MDEA+HEP法脫酸性氣體的工藝流程和主要的工藝設(shè)計(jì)參數(shù)。

(2)使用HYSYS模擬軟件建立了MDEA+HEP法脫酸性氣體的工藝模型，并進(jìn)行了物料衡算。

(3)當(dāng)天然氣中CO2含量比H2S含量高時(shí)，使用MDEA+HEP的混合溶劑對(duì)酸性氣體的脫除效果比較好。本文采用質(zhì)量濃度為37.9%的MDEA和7.6%的HEP的混合溶液，加快了MDEA溶液吸收酸性氣體的反應(yīng)速率。吸收塔頂甜氣中含CO2為0.375 ppmv,H2S為0.005 ppmv,幾乎完全地脫除了CO2和H2S，滿足天然氣深度凈化的要求。