淺析天然氣凈化廠脫硫溶液輕微發(fā)泡現(xiàn)象及利用

岳云喆 林萬(wàn)洲

(中國(guó)石油西南油氣田川東北作業(yè)分公司，四川達(dá)州，636164)

甲基二乙醇胺(MDEA)溶液因具有較高的H2S處理負(fù)荷、較低腐蝕性等特點(diǎn)，在天然氣凈化領(lǐng)域得到了較為廣泛的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外絕大多數(shù)天然氣凈化廠脫硫裝置均采用MDEA溶液法或MDEA混合溶液法。同時(shí)脫硫脫碳吸收塔通常采用的是浮閥塔盤(pán)，其主要原因是它具有處理能力大、操作彈性大、塔板效率高、壓力降小、氣體分布均勻和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[1]。

MDEA溶液脫除原料天然氣中 CO2和H2S是一個(gè)氣液傳質(zhì)并發(fā)生反應(yīng)的過(guò)程，在傳質(zhì)過(guò)程中，會(huì)伴有大量氣泡產(chǎn)生，但在正常工況下產(chǎn)生的氣泡會(huì)迅速破裂，液層在塔板上維持適宜的高度，氣液兩相在每層塔板上呈錯(cuò)流且處于高效的接觸狀態(tài)，不會(huì)影響裝置正常操作。但在日常生產(chǎn)運(yùn)行中，因原料天然氣攜帶氣井化學(xué)劑、脫硫系統(tǒng)腐蝕產(chǎn)物，MDEA溶液自身降解產(chǎn)物等因素存在，導(dǎo)致溶液質(zhì)量不斷下降。當(dāng)塔內(nèi)產(chǎn)生致密的氣泡且氣泡相當(dāng)穩(wěn)定而不迅速破裂時(shí)，胺液就會(huì)趨于發(fā)泡[2-4]。

在以往的認(rèn)知中，溶液發(fā)泡是裝置運(yùn)行異常的一個(gè)標(biāo)志。而本文以西南油氣田某200×104m3/d高含硫凈化廠為例，將對(duì)MDEA溶液發(fā)泡與產(chǎn)品氣質(zhì)量關(guān)系，以及如何利用溶液發(fā)泡進(jìn)行探討。

1 MDEA溶液輕微發(fā)泡對(duì)產(chǎn)品氣CO2含量的影響

1.1 影響情況

筆者收集了該凈化廠正常生產(chǎn)運(yùn)行期間的有關(guān)生產(chǎn)數(shù)據(jù)及趨勢(shì)記錄，分別見(jiàn)表1和圖1。

圖1 產(chǎn)品氣CO2含量下降趨勢(shì)圖

從表1和圖1可知：在氣質(zhì)氣量較為穩(wěn)定、貧液入塔層數(shù)一定及溶液循環(huán)量不變等情況下，隨著裝置運(yùn)行，產(chǎn)品氣質(zhì)量會(huì)呈現(xiàn)較為規(guī)律的變化，即CO2含量逐漸降低(其中產(chǎn)品氣H2S含量略有上漲趨勢(shì)，但不明顯)。

1.2 影響分析

初步分析判斷該現(xiàn)象系MDEA溶液發(fā)泡所致：由于溶液發(fā)泡且持續(xù)，泡沫高度增加，進(jìn)而延長(zhǎng)了原料天然氣與MDEA溶液的接觸反應(yīng)時(shí)間，致使CO2吸收量增加，產(chǎn)品氣中CO2含量下降[5]。

1.2.1 分析驗(yàn)證

為驗(yàn)證此現(xiàn)象，采取向系統(tǒng)適量加入阻泡劑。通過(guò)對(duì)比4次加入阻泡劑后產(chǎn)品氣CO2含量變化趨勢(shì)發(fā)現(xiàn)：其中存在一定的相似性，如在圖2至圖5中分別羅列2020年4月24日、6月6日、6月23日、7月4日加入阻泡劑后，產(chǎn)品氣CO2含量、吸收塔差壓等參數(shù)的趨勢(shì)圖。

圖2 2020年4月24日加入阻泡劑后產(chǎn)品氣質(zhì)量變化趨勢(shì)圖

圖3 2020年6月6日加入阻泡劑后產(chǎn)品氣質(zhì)量變化趨勢(shì)圖

圖4 2020年6月23日加入阻泡劑后產(chǎn)品氣質(zhì)量變化趨勢(shì)圖

圖5 2020年7月4日加入阻泡劑后產(chǎn)品氣質(zhì)量變化趨勢(shì)圖

從圖2至圖5可以看出：在向系統(tǒng)加入阻泡劑后，產(chǎn)品氣質(zhì)量變化較為明顯，特別是CO2含量呈現(xiàn)較為明顯的趨勢(shì)——先快速上漲，再下降；然后再相對(duì)緩慢上漲，然后再緩慢下降。

1.2.2 趨勢(shì)分析

下面以產(chǎn)品氣CO2含量變化為基準(zhǔn)，對(duì)各段變化趨勢(shì)分析：

(1)產(chǎn)品氣CO2含量首次出現(xiàn)上漲

在加入阻泡劑后，由于吸收塔塔盤(pán)上溶液泡沫破裂，原料氣與溶液接觸時(shí)間降低，進(jìn)而引起產(chǎn)品氣質(zhì)量變化，其中CO2含量呈現(xiàn)快速上漲，H2S含量呈現(xiàn)快速下降。

即產(chǎn)品氣H2S、CO2含量趨于反比例關(guān)系，其原因是：在一定的溶液組成、溫度和H2S、CO2分壓下，H2S、CO2與溶液之間有一定的酸氣平衡溶解度。當(dāng)吸收H2S多時(shí)，CO2吸收量便會(huì)減少[4]。

(2)產(chǎn)品氣CO2含量首次出現(xiàn)下降

阻泡器內(nèi)阻泡劑投加完畢后，系統(tǒng)內(nèi)未摻和阻泡劑的其他溶液進(jìn)入吸收塔(受阻泡劑消泡的溶液還未完成循環(huán))，在塔盤(pán)上再次出現(xiàn)發(fā)泡，從而導(dǎo)致產(chǎn)品氣CO2含量出現(xiàn)下降。

(3)產(chǎn)品氣CO2含量再次出現(xiàn)上漲

受阻泡劑消泡的溶液，完成再生、循環(huán)，再次進(jìn)入吸收塔。

(4)產(chǎn)品氣CO2含量再次出現(xiàn)下降

受阻泡劑消泡的溶液混合均勻，但在運(yùn)行過(guò)程中，阻泡劑作用逐漸下降或喪失，溶液再次呈現(xiàn)緩慢發(fā)泡趨勢(shì)。

通過(guò)分析產(chǎn)品氣CO2含量變化趨勢(shì)時(shí)間間隔發(fā)現(xiàn)：產(chǎn)品氣CO2含量?jī)纱紊蠞q時(shí)間起點(diǎn)較為接近(約30min)，按照溶液系統(tǒng)120m3進(jìn)行計(jì)算(開(kāi)產(chǎn)時(shí)系統(tǒng)加入量)，30min內(nèi)理論上不能完成溶液系統(tǒng)的一個(gè)完整循環(huán)，但是溶液系統(tǒng)并不是一個(gè)孤立的系統(tǒng)，其在循環(huán)過(guò)程中，也在進(jìn)行相互混合，從而縮短了受阻泡劑影響或混有阻泡劑的溶液循環(huán)至吸收塔的時(shí)間。

另外，按照溶液系統(tǒng)120m3保有量，在每次的循環(huán)量情況下，完成一個(gè)循環(huán)分別需要47min30s、51min48s、49min12s、54min24s，這與產(chǎn)品氣CO2含量首次上漲至再次上漲至最高值的時(shí)間間隔較為接近。

雖然上述四次加入阻泡劑后，產(chǎn)品氣CO2含量呈現(xiàn)相近趨勢(shì)，但與此同時(shí)也存在一些不同之處，產(chǎn)品氣CO2含量變化趨勢(shì)時(shí)間間隔見(jiàn)表2。

表2 產(chǎn)品氣CO2含量變化趨勢(shì)時(shí)間間隔表

由表2可知：

(1)2020年4月24日，在產(chǎn)品氣CO2含量第二次上漲至最高值后，立即呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，其原因是產(chǎn)品氣CO2含量超高，為快速降低該值，對(duì)貧液入塔層數(shù)進(jìn)行了倒換，由18層提高至22層。

(2)產(chǎn)品氣CO2含量首次上漲至最高值時(shí)間不一致，這跟阻泡劑注入系統(tǒng)的量以及溶液循環(huán)量存在一定關(guān)系。

(3)4次加入阻泡劑，產(chǎn)品氣CO2含量趨勢(shì)總體較為接近，但在其中存在細(xì)微不一致，其原因可能是溶液在塔盤(pán)上反應(yīng)存在差異(化學(xué)反應(yīng)存在偶然性)。

分析認(rèn)為：通過(guò)向系統(tǒng)加入阻泡劑現(xiàn)象，可基本認(rèn)定造成產(chǎn)品氣質(zhì)量變化的主要因素是溶液發(fā)泡。

2 MDEA溶液輕微發(fā)泡現(xiàn)象利用

2.1 節(jié)能降耗

在原料氣氣質(zhì)氣量、循環(huán)量不變情況下，MDEA溶液發(fā)泡，可使溶液更多地吸收原料天然氣中CO2，那么我們是否可利用此現(xiàn)象呢？

筆者通過(guò)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：在溶液發(fā)泡、產(chǎn)品氣CO2含量降低后，通過(guò)調(diào)整溶液循環(huán)量，一方面可提升產(chǎn)品氣中CO2含量，保障外輸產(chǎn)品氣量，降低裝置系統(tǒng)脫損；另一方面也能降低循環(huán)泵功率、重沸器蒸汽耗量、貧液空冷器及水冷器負(fù)荷，達(dá)到節(jié)能降耗之目的。

表3 溶液發(fā)泡時(shí)調(diào)整參數(shù)后主要能耗對(duì)比表

但受制于溶液酸氣負(fù)荷的影響，降低循環(huán)量后，酸氣負(fù)荷呈現(xiàn)上漲，因此在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，后續(xù)需采取調(diào)整貧液入塔層數(shù)方式，來(lái)維持酸氣負(fù)荷在可接受范圍內(nèi)，一般為小于0.6mol/mol[6]。

2.2 溶液發(fā)泡程度依據(jù)

因溶液發(fā)泡引起系統(tǒng)攔液是胺法脫硫裝置發(fā)生頻次較高、影響較大的工藝難題，若處理不及時(shí)或不合理則易造成產(chǎn)品氣不合格、胺液損失、裝置被迫停產(chǎn)等問(wèn)題。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，可通過(guò)分析吸收塔差壓、閃蒸塔差壓、閃蒸氣流量、產(chǎn)品氣中H2S含量等現(xiàn)象來(lái)分析判斷發(fā)泡程度[5,7]。

但在實(shí)際過(guò)程中，筆者發(fā)現(xiàn)通過(guò)監(jiān)測(cè)產(chǎn)品氣CO2含量、吸收塔液位變化趨勢(shì)，更能提前、準(zhǔn)確分析判斷溶液發(fā)泡程度。

該凈化廠脫硫單元吸收塔液位監(jiān)控設(shè)置有浮筒液位計(jì)和差壓液位計(jì)，一般情況下采取以浮筒液位計(jì)為準(zhǔn)對(duì)液位進(jìn)行控制(吸收塔浮筒液位計(jì)相較于差壓液位計(jì)控制范圍更小，其主要目的是為達(dá)到精確控制)。通過(guò)歷次溶液發(fā)泡情況分析發(fā)現(xiàn)：當(dāng)溶液出現(xiàn)發(fā)泡時(shí)，差壓液位計(jì)顯示液位會(huì)逐漸下降；當(dāng)降低至65%后(正常情況下，差壓液位計(jì)顯示值為75%)，發(fā)泡現(xiàn)象便逐漸惡化，若不加入阻泡劑，吸收塔液位調(diào)節(jié)閥開(kāi)度將出現(xiàn)較大波動(dòng)，進(jìn)而引起液位波動(dòng)，造成進(jìn)入后續(xù)再生塔的富液流量出現(xiàn)不穩(wěn)定，酸氣流量波動(dòng)，導(dǎo)致硫磺回收單元配風(fēng)困難，尾氣SO2排放量增大[5]。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)該凈化廠凈化裝置運(yùn)行情況收集發(fā)現(xiàn)：MDEA溶液在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中，其周期性發(fā)泡是不可避免的，但可研究在產(chǎn)品氣質(zhì)量以及溶液酸氣負(fù)荷可控情況下，如何高效利用該現(xiàn)象，從而達(dá)到凈化裝置節(jié)能降耗的目的。與此同時(shí)，通過(guò)收集分析裝置運(yùn)行參數(shù)，使溶液系統(tǒng)發(fā)泡現(xiàn)象一直處于可控狀態(tài)，從而確保裝置正常運(yùn)行，更顯得尤為關(guān)鍵。

對(duì)此筆者建議在后續(xù)天然氣凈化廠建設(shè)中，可統(tǒng)籌考慮設(shè)計(jì)貧液及富液過(guò)濾系統(tǒng)，同時(shí)將活性炭過(guò)濾系統(tǒng)由體積龐大的活性炭過(guò)濾器優(yōu)化為濾芯式，以便工廠可較為主動(dòng)地控制溶液系統(tǒng)中的雜質(zhì)量，從而使溶液系統(tǒng)發(fā)泡處于可控狀態(tài)，最終達(dá)到高效利用發(fā)泡現(xiàn)象之目的。