天然氣脫酸裝置工藝改造應(yīng)用

郭 昊

(中海石油(中國(guó))有限公司海南分公司，海南 ?？?570100)

1 概述

某氣田天然氣中CO2含量通常在20%以上，CO2的存在對(duì)天然氣的熱值有較大影響，并造成設(shè)備腐蝕，故必須對(duì)其進(jìn)行處理以保證后續(xù)使用過(guò)程的安全高效[1]。該天然氣處理廠建有天然氣年處理能力8億方的脫碳裝置一套。該裝置采用主要適用于高含碳天然氣的CO2脫除的天然氣半貧液脫酸工藝[2]。在多年的生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中，該裝置出現(xiàn)了脫碳能力下降、能耗較高、系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性不好的問(wèn)題。

圖1 天然氣半貧液脫酸工藝

為了解決存在問(wèn)題，技術(shù)人員基于HYSYS實(shí)際工藝計(jì)算模型，以酸氣脫除效果為指標(biāo)，在現(xiàn)有機(jī)泵、再沸器、冷卻器等關(guān)鍵設(shè)備能力范圍內(nèi)，開(kāi)展工藝參數(shù)的敏感性分析。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)、工藝參數(shù)敏感性分析研究認(rèn)為該裝置吸收塔的吸收效率低、溶液換熱器換熱效率較低，富胺液再生熱負(fù)荷較大，蒸汽消耗較高等是造成脫碳能力降低、能耗較高的主要原因。根據(jù)以上分析結(jié)果和生產(chǎn)狀況制定了對(duì)吸收塔塔內(nèi)件改造升級(jí)、更換溶液換熱器、貧液泵變頻改造的整體改造方案。

2 吸收塔塔內(nèi)件升級(jí)改造

該裝置吸收塔原貧液吸收段和半貧液吸收段采用的是扁環(huán)填料。扁環(huán)填料是常見(jiàn)環(huán)形散裝填料的典型之一，屬于開(kāi)孔環(huán)形填料。它把填料環(huán)壁的開(kāi)孔窗葉由傳統(tǒng)的斷開(kāi)式內(nèi)彎舌片狀改為連續(xù)內(nèi)彎的弧形筋片，取消了環(huán)壁端面的翻邊并且設(shè)計(jì)了較小的環(huán)的高徑比。結(jié)構(gòu)上的改變減小了填料層由環(huán)的翻邊以及內(nèi)彎葉片的端點(diǎn)所形成的匯集分散點(diǎn)。而結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)均勻的內(nèi)彎弧形筋片結(jié)構(gòu)，對(duì)流體流動(dòng)的均勻性有較好的影響，并且能夠提高填料的強(qiáng)度，避免使用可能引起液滴聚結(jié)或物料結(jié)焦的翻邊。也可促進(jìn)液滴群分散-匯合-再分散的循環(huán)過(guò)程，有效的降低了填料層的軸向返混，提高液液兩相間的傳質(zhì)效率。

孔板波紋規(guī)整填料作為規(guī)整填料之一，具有很高的分離效率。它作為高效規(guī)整填料中的一種，同樣表面積高、氣液分布均勻、持液量小、壓降小等特性。因其特性，孔板波紋規(guī)整填料廣泛應(yīng)用于精餾單元操作，尤其適用于難分離物系和熱敏性物系的減壓精餾過(guò)程。

對(duì)于貧胺液段的填料：分析是由于現(xiàn)場(chǎng)所使用的扁環(huán)散堆填料在填充時(shí)填料間容易產(chǎn)生架橋、空穴等現(xiàn)象，影響填料層液體的均勻流動(dòng)，造成填料層內(nèi)液體的偏流、勾流、股流甚至嚴(yán)重的壁流，甚至導(dǎo)致氣體的短路情況，從而影響填料的效率發(fā)揮乃至整塔效率及操作。這是因?yàn)樵诟邏何盏墓r下，氣液相粘度均偏大，尤其是氣相粘度，其擴(kuò)散性能減弱，故氣相往往成為傳質(zhì)的控制因素。對(duì)填料塔而言，填料對(duì)液體的自分布性能減弱，易造成液體偏流、溝流等不均勻流動(dòng)。且充了氣的液相、高的氣液相密度比、高的氣液相粘度比，都會(huì)使填料層的持液量增加，從而空隙率減小，導(dǎo)致處理能力受到制約，壓降增大。對(duì)于填料塔，在高壓下填料壓降小的優(yōu)勢(shì)以不甚重要，但軸向返混加劇，降低塔的分離效率。本次改造的吸收塔的操作壓力為3.4MPa(G)，屬于高壓吸收，選用板式塔要優(yōu)于填料塔。

此外，胺液屬于易發(fā)泡物系。胺液脫硫過(guò)程泡沫形成主要有以下幾方面因素：

①傳統(tǒng)脫硫塔均采用浮閥塔盤(pán)，浮閥塔盤(pán)屬于鼓泡傳質(zhì)，這種氣液接觸狀態(tài)為泡沫的形成創(chuàng)造了有利條件；②由于吸收過(guò)程存在物理、化學(xué)變化，氣液接觸時(shí)間要求較高，板上液層厚，增加了泡沫停留時(shí)間；③進(jìn)氣口的水溶性表面活性劑(胺溶液添加劑、管道腐蝕抑制劑)，它們會(huì)降低胺溶液的表面張力，過(guò)量的消泡劑也會(huì)導(dǎo)致發(fā)泡；④液態(tài)烴類(lèi)(壓縮機(jī)中的潤(rùn)滑油伴隨在原料氣中、在胺溶液冷凝下來(lái)的烴類(lèi))導(dǎo)致胺液更容易發(fā)泡；⑤顆粒污染物(FeS腐蝕產(chǎn)物，鐵銹)，存在于原料氣中或者在胺處理單元中產(chǎn)生，像FeS之類(lèi)的固體物質(zhì)本身并不會(huì)導(dǎo)致發(fā)泡，但是這些顆粒會(huì)在氣液表面聚集進(jìn)而通過(guò)提高表面的黏度使泡沫穩(wěn)定，所以延遲了泡沫的破裂；⑥由于氧氣進(jìn)入系統(tǒng)導(dǎo)致胺和氧反應(yīng)生成羧酸和熱穩(wěn)定鹽類(lèi)，溶解的鐵離子會(huì)催化胺與氧的反應(yīng)；⑦檢修時(shí)被油脂或其他油類(lèi)污染；⑧補(bǔ)充水中的水處理劑、緩蝕劑等。

胺液的發(fā)泡會(huì)引起突發(fā)性攔液沖塔問(wèn)題，會(huì)給安全平穩(wěn)生產(chǎn)帶來(lái)威脅，其帶來(lái)的危害主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①胺液損失加大，同時(shí)胺液被帶入下游導(dǎo)致下游產(chǎn)品質(zhì)量降低；②降低了酸性氣體的脫除效率，并且達(dá)不到產(chǎn)品出廠的合格指標(biāo)，在生產(chǎn)中不得不降量處理；③整個(gè)吸收塔或再生塔的壓力快速上升，或者壓力表讀數(shù)不準(zhǔn)確，給安全操作帶來(lái)困難；④攔液造成整個(gè)系統(tǒng)波動(dòng)較大，并對(duì)其他并行裝置，如硫磺回收單元等裝置平穩(wěn)運(yùn)行帶來(lái)較大危害。

針對(duì)胺液脫硫過(guò)程攔液發(fā)泡以及吸收效果差等問(wèn)題，需要從兩方面解決這些問(wèn)題，一方面是開(kāi)展脫硫吸收溶劑凈化提質(zhì)技術(shù)研究，旨在提高胺液質(zhì)量，降低發(fā)泡傾向，提高吸收效果；另一方面是開(kāi)發(fā)具有抑制發(fā)泡功能的新型塔盤(pán)，改變塔盤(pán)鼓泡傳質(zhì)形式，由噴射態(tài)傳質(zhì)取代傳統(tǒng)鼓泡態(tài)傳質(zhì)。且隨著胺液的循環(huán)使用，胺液中可能夾雜固體顆粒，而板式塔的抗堵塞能力要優(yōu)于填料塔。另外，填料塔的造價(jià)高于板式塔。因此，吸收塔貧胺液段采用高效噴射態(tài)塔板替代原扁環(huán)填料為最佳選擇。

對(duì)于半貧胺液段的填料：分析是由于現(xiàn)場(chǎng)所使用的扁環(huán)散堆填料在填充時(shí)填料間容易產(chǎn)生架橋、空穴等現(xiàn)象，影響填料層液體的均勻流動(dòng)，造成填料層內(nèi)液體的偏流、勾流、股流甚至嚴(yán)重的壁流，甚至導(dǎo)致氣體的短路情況，從而影響填料的效率發(fā)揮乃至整塔效率及操作。但是半貧胺液段不建議更換為板式塔，原因是半貧胺液段的液相流量較貧胺液段大很多，但是氣相流量與貧胺液段相差不大，此時(shí)如果選用板式塔，則容易發(fā)生液相短路(即返混)現(xiàn)象。故建議將半貧胺液段的扁環(huán)散堆填料更換為規(guī)整填料。

對(duì)于貧胺液段和半貧胺液段的分布器：分析是由于現(xiàn)場(chǎng)所使用的分布器存在布液點(diǎn)個(gè)數(shù)較少、噴淋點(diǎn)密度較小、液體分布較不均勻，從而導(dǎo)致填料的潤(rùn)濕效果較差，嚴(yán)重影響填料效率的發(fā)揮。因此需將現(xiàn)場(chǎng)所使用的分布器進(jìn)行更換，以減小液體初始不良分布造成的填料效率的損失，同時(shí)解決因液體的不良分布導(dǎo)致的填料效率下降及塔的分離效率下降的問(wèn)題。

通過(guò)對(duì)天然氣脫酸裝置吸收塔的分析診斷，以及對(duì)分布器、填料、塔板的一系列試驗(yàn)研究，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了如下改造：將原貧液吸收段的兩段扁環(huán)填料及配套分布器更換為22層高效的具有抑制發(fā)泡作用的新型膜噴射塔板；將原半貧液吸收段的兩段扁環(huán)填料更換為表面積更大、效率更高的新型高效填料孔板波紋規(guī)整填料，同時(shí)將上段填料上方的現(xiàn)有分布器更換為液體分布效果更好的新型槽式分布器，并在兩段填料之間增加一套槽盤(pán)式氣液分布器。

完成改造后在總氣量及胺液循環(huán)量不變的前提下，改造后胺液脫出的酸性氣總量提高了5.7%以上，且酸性氣脫除率較改造前由93.8%提高至95.3%，說(shuō)明吸收塔的吸收效果有了明顯改善。

3 更換溶液換熱器

該系統(tǒng)的溶液換熱器是全焊式板式換熱器。全焊式板式換熱器是一種通用換熱設(shè)備，以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)被廣泛的應(yīng)用于機(jī)械、電力、礦山、石油、化工等工業(yè)系統(tǒng)中?？蓾M(mǎn)足各種介質(zhì)的冷卻、加熱、冷凝、濃縮和余熱回收等工藝的需求。但是，由于板式換熱器一般換熱溫度較高，且其換熱效率高，所以容易結(jié)垢。同時(shí)板式換熱器內(nèi)部流通孔徑較小，結(jié)構(gòu)后使內(nèi)部通道截面積變小甚至堵塞，造成板式換熱器效率降低，從而影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行和設(shè)備的安全。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)測(cè)試和模型模擬分析得知該溶液換熱器設(shè)計(jì)傳熱負(fù)荷為8232kW，實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷為5147 kW，實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷僅為設(shè)計(jì)負(fù)荷的62%。換熱器實(shí)際運(yùn)行的壓降值分別為150kPa(貧液)、80kPa(半貧液)，遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)值的24kPa和43kPa。通過(guò)對(duì)溶液換熱器的直接觀測(cè)及換熱器壓降數(shù)據(jù)的分析可以明確換熱器存在比較嚴(yán)重的結(jié)垢。換熱器結(jié)垢一方面降低了換熱器的傳熱負(fù)荷，另一方面各流路壓降也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)值。

該溶液換熱器已經(jīng)使用十多年，如果進(jìn)行清洗脫垢作業(yè)可能效果并不明顯。另外，清洗脫垢作業(yè)時(shí)間太長(zhǎng)，對(duì)上游生產(chǎn)和下游用氣有較大影響。綜合考慮后，此次改造為用一臺(tái)全新的板式換熱器替代原來(lái)的舊設(shè)備。

更換全新的板式溶液換熱器后，溶液換熱器的溶液進(jìn)出口溫度都有了明顯變化，運(yùn)行的壓降值也明顯降低。

4 貧液泵變頻改造

在脫碳工藝中胺液吸收原料氣中的CO2達(dá)到脫碳的目的，胺液吸收再生的循環(huán)過(guò)程依靠泵進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，通過(guò)對(duì)胺液的配方優(yōu)化可以降低半貧液及貧液的循環(huán)量，減小半貧液泵、貧液泵的流量。充分利用原貧胺液泵、液力透平半貧液泵所帶電機(jī)等基礎(chǔ)件，制定電機(jī)變頻的改造方案，通過(guò)對(duì)半貧液透平泵及貧液泵的電機(jī)變頻改造，在保證正常的脫碳能力情況下，實(shí)現(xiàn)節(jié)約裝置能耗的目的。整個(gè)工藝流程在滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行狀況時(shí)，貧液流量約為220 m3/h、半貧液流量約為1120 m3/h。在整個(gè)裝置中半貧液泵及貧液泵的實(shí)際運(yùn)行流量大，消耗的電能最多。因此對(duì)半貧液透平泵及貧液泵進(jìn)行變頻改造是裝置降低能耗的有效方式。但由于半貧液的流量變化對(duì)液力透平端的輸出功率影響極大，需要結(jié)合原液力透平段的工作參數(shù)進(jìn)行綜合判斷。綜合現(xiàn)場(chǎng)工作人員操作經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為該透平泵對(duì)流量變化敏感性強(qiáng)，不建議優(yōu)化改造過(guò)程中減少半貧液的流量，因此此次改造只對(duì)貧液泵進(jìn)行變頻改造。

變頻調(diào)速的基本原理：由于離心泵原理，在相似情況下水泵的流量、揚(yáng)程和功率分別與其轉(zhuǎn)速的一次方、二次方和三次方成正比。

三相交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與頻率、級(jí)數(shù)以及轉(zhuǎn)差率之間的關(guān)系如下：

n=60f(1-s)/p

其中：

n—每分鐘的轉(zhuǎn)速

f —交流電的頻率

s—轉(zhuǎn)差率

p—磁極對(duì)數(shù)

在三相電動(dòng)機(jī)中對(duì)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)有多種方法，如通過(guò)調(diào)整交流電的頻率、電動(dòng)機(jī)的級(jí)數(shù)以及轉(zhuǎn)差率來(lái)實(shí)現(xiàn)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，變頻控制技術(shù)的不斷成熟，通過(guò)調(diào)整電源的頻率調(diào)速效果更好。

貧液泵的變頻改造主要是通過(guò)配套增加一套與原貧液泵匹配的變頻器及其控制系統(tǒng)，通過(guò)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，減少能耗。泵的變頻系統(tǒng)主要由變頻器、信號(hào)采集及處理系統(tǒng)及控制系統(tǒng)三部分組成。

經(jīng)過(guò)改造與原來(lái)的定頻貧液泵相比可節(jié)約電能約93 kW，按照每年運(yùn)行8000小時(shí)，電費(fèi)1元/ kW h計(jì)算，年節(jié)約電能7.44×105kW h，約合74萬(wàn)元。

5 改造后效果

通過(guò)對(duì)該天然氣脫酸裝置吸收塔塔內(nèi)件改造升級(jí)、更換溶液換熱器、半貧液泵變頻改造不但提高了系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，顯著提高了吸收塔的吸收效果，而且在裝置現(xiàn)有運(yùn)行狀態(tài)的基礎(chǔ)上，將該脫酸裝置用電及蒸汽費(fèi)用降低了10%，實(shí)現(xiàn)了降本增效，使得系統(tǒng)運(yùn)行成本大大降低。