采用三甘醇(TEG)進(jìn)行天然氣脫水技術(shù)優(yōu)化

陳雷軍(山東萊克工程設(shè)計(jì)有限公司，山東 東營 257000)

0 引言

采用天然氣脫水對(duì)天然氣進(jìn)行預(yù)處理是十分重要的工藝流程。地層采出的未處理的天然氣可能含有飽和水、游離水和液態(tài)重?zé)N(濕天然氣)，未處理天然氣的含液量超過一定的要求后，會(huì)引起下列三個(gè)問題：(1)濕天然氣在特定的工況及環(huán)境下容易生成天然氣水合物，導(dǎo)致管路、管件及設(shè)備流通性變差；(2)濕天然氣中的飽和水、游離水與H2S、CO2在輸送管道內(nèi)同時(shí)存在時(shí)，將會(huì)發(fā)生反應(yīng)，形成硫酸性、碳酸性液體，對(duì)輸送管道管件及設(shè)備造成化學(xué)腐蝕，造成安全生產(chǎn)隱患；(3)濕天然氣含液會(huì)造成不必要的動(dòng)力消耗與能耗損失。

因而在生產(chǎn)輸送過程中需要對(duì)濕天然氣進(jìn)行脫水處理[1]。天然氣脫水的工藝處理方法按照原理可分為低溫分離工藝法、溶劑吸收工藝法、固體吸附工藝法以及膜分離工藝法等[2]。其中溶劑吸收工藝法也包括乙二醇(EG)、二甘醇(DEG)、三甘醇(TEG)等溶劑吸收工藝。眾多氣田生產(chǎn)處理運(yùn)行中，因?yàn)槿蚀?TEG)脫水工藝具有易再生、熱穩(wěn)定性好等一系列優(yōu)點(diǎn)，在氣田脫水處理工藝上受到廣泛采用[3]。文章結(jié)合氣田運(yùn)行中產(chǎn)生的問題提出一些優(yōu)化建議及措施。

1 三甘醇(TEG)脫水技術(shù)及其應(yīng)用現(xiàn)狀

三甘醇(TEG)脫水工藝原理主要是：利用甲烷(CH4)和水(H2O)在三甘醇(TEG)溶液中溶解度不相同的物理性質(zhì)。由于TEG分子中含有兩個(gè)-OH分子基，-OH分子基上的氧原子能與水分子的氫原子組合成氫鍵。其次，三甘醇和水都為極性分子形式，根據(jù)相似相溶的物理性質(zhì)，水分子與甲烷相比較更容易溶于三甘醇(TEG)溶液中，因?yàn)榧淄榉肿映收拿骟w結(jié)構(gòu)，為非極性分子，故甲烷在三甘醇(TEG)中的溶解性很低，基于這一原理達(dá)到天然氣脫水的效果。三甘醇(TEG)物理性質(zhì)如表1所示。

表1 三甘醇(TEG)物理性質(zhì)

目前，國內(nèi)有延長鄂爾多斯氣田、陜甘寧油氣田、四川東北普光高含硫氣田及川西元壩含硫氣田等，基本上都采用三甘醇溶液(TEG)脫水工藝法進(jìn)行天然氣脫水處理，工藝流程如圖1所示。

圖1 三甘醇(TEG)脫水原理工藝流程圖

2 三甘醇(TEG)脫水裝置運(yùn)行中常見問題

根據(jù)當(dāng)前運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，三甘醇(TEG)溶劑吸收工藝法技術(shù)路線成熟，裝置操作穩(wěn)定、生產(chǎn)運(yùn)行成本較低、脫水后的富三甘醇溶液容易再生等優(yōu)勢(shì)，已成為油氣田行業(yè)普遍采用的天然氣脫水工藝。但實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行過程中，三甘醇(TEG)脫水裝置也時(shí)常會(huì)出現(xiàn)一些問題，既影響到氣田集輸處理生產(chǎn)運(yùn)行效率，又會(huì)加大氣田安全環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)隱患。因此，需要進(jìn)一步了解掌握具體運(yùn)行存在的問題，來尋找合適的解決措施。

2.1 三甘醇(TEG)再生循環(huán)管路堵塞

天然氣在三甘醇(TEG)脫水裝置運(yùn)行中，三甘醇脫水吸收塔內(nèi)的壓力狀態(tài)平穩(wěn)正常，但當(dāng)加大打開三甘醇貧液循環(huán)泵的調(diào)節(jié)閥開度時(shí)，三甘醇(TEG)貧液循環(huán)泵次較低 。其主要根本原因是施工過程中殘留鐵屑雜質(zhì)和焊渣等殘留物、析出的飽和狀態(tài)無機(jī)鹽等物會(huì)導(dǎo)致三甘醇(TEG)循環(huán)的管路中存在固體雜質(zhì)堵塞狀況。

比如在裝置管道連接的施工安裝焊接過程中，遺留的鐵屑焊渣等物沒有吹掃干凈會(huì)導(dǎo)致貧富液換熱器、循環(huán)泵管道和調(diào)節(jié)閥門流通不暢，或是生產(chǎn)運(yùn)行中，溫度壓力變化導(dǎo)致無機(jī)鹽成分析出情況，將堵塞循環(huán)運(yùn)行管路和三甘醇脫水工藝設(shè)備。

2.2 三甘醇(TEG)損耗量加大

首先，三甘醇(TEG)脫水裝置在生產(chǎn)運(yùn)行中，三甘醇脫水吸收塔、三甘醇再生裝置上精餾柱內(nèi)可能有三甘醇溶劑發(fā)泡現(xiàn)象出現(xiàn)，從而導(dǎo)致三甘醇吸收塔塔頂產(chǎn)生霧沫夾帶現(xiàn)象比較突出，從而加大三甘醇(TEG)循環(huán)量的損耗。具體誘導(dǎo)產(chǎn)生三甘醇(TEG)溶液發(fā)泡的原因是天然氣中含重?zé)N組分、無機(jī)鹽和生產(chǎn)運(yùn)行中添加的緩蝕抑制劑等其他成分，污染了三甘醇(TEG)溶液的純度，解決其問題的辦法就是做好三甘醇溶液的過濾分離，可以在再生系統(tǒng)中增設(shè)三道過濾器(前置過濾器+活性炭過濾器+后置過濾器)分別除去雜質(zhì)及烴類組分，其中的細(xì)小液滴提前分離出去，保持三甘醇溶液的純度。

其次，三甘醇吸收塔處于壓力較低情況下運(yùn)行，在此狀態(tài)下，未脫水處理的天然氣的進(jìn)三甘醇吸收塔溫度會(huì)較高(此條件下壓力為5.1 MPa，當(dāng)天然氣溫度超過30 ℃時(shí)，水露點(diǎn)溫度迅速上升，溫度升高到一定情況下增加了氣體的流速。20～30 ℃的控制溫度較為合理)，從而加大了三甘醇(TEG)的損耗。對(duì)此需適當(dāng)調(diào)節(jié)三甘醇吸收塔的運(yùn)行壓力、天然氣進(jìn)三甘醇吸收塔溫度，從而降低三甘醇的損耗。

最后，氣提氣量增加引發(fā)的三甘醇損耗量增加，雖然氣提氣的使用，可以使再生塔內(nèi)貧三甘醇濃度的純度更高，但是由于氣提氣的引入，使再生塔內(nèi)平衡分壓遭到破壞，再生塔內(nèi)貧三甘醇內(nèi)水分被氣化揮發(fā)出來，但是也導(dǎo)致部分三甘醇(TEG)被帶出了氣化，因此也會(huì)加大三甘醇(TEG)損耗，對(duì)此需要合理地控制三甘醇再生裝置中再生塔的氣提氣量，對(duì)三甘醇純度有一定輔助作用，也會(huì)造成三甘醇量損耗。

2.3 再生塔底重沸器內(nèi)三甘醇(TEG)加熱溫度上升慢

再生塔重沸器在加熱運(yùn)行過程中，溫度上升速率較低。具體原因就是三甘醇(TEG)脫水裝置中燃燒器輸出熱量較低，導(dǎo)致緩沖罐內(nèi)三甘醇(TEG)再生溫度不能滿足要求，使得三甘醇(TEG)貧液和富液經(jīng)過貧富液換熱器換熱后，溫度變化區(qū)別不大，富液在進(jìn)入再生裝置精餾柱后其溫度與設(shè)計(jì)溫度相比較低，不能達(dá)到三甘醇再生塔工藝溫度。再生塔塔底重沸器提高熱負(fù)荷，短時(shí)間內(nèi)因?yàn)樨?fù)荷較大，難以快速達(dá)到要求溫升。解決辦法是提高燃燒器燃燒效率及強(qiáng)度，使其達(dá)到熱平衡。但溫度過高會(huì)使三甘醇(TEG)化學(xué)分解，理論上分解溫度為207 ℃，再生溫度過高也會(huì)增加能耗費(fèi)用，所以三甘醇(TEG)再生溫度控制在197～203 ℃比較合理。

3 三甘醇(TEG)脫水裝置運(yùn)行常見問題處理措施

3.1 優(yōu)化設(shè)備操作參數(shù)

塔里木油田某處理廠三甘醇(TEG)脫水裝置是通過降低三甘醇再生塔底重沸器再生溫度以及控制氣提氣量，使得再生后的三甘醇(TEG)貧液的濃度、脫水后天然氣的水露點(diǎn)都達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，同時(shí)也節(jié)約了能耗。達(dá)到處理單位每百萬方天然氣脫水處理，單套裝置節(jié)約310 Nm3燃料氣與230 Nm3氣提氣量，實(shí)現(xiàn)了三甘醇(TEG)脫水整體裝置系統(tǒng)的節(jié)能降耗目的。

川渝地區(qū)的某天然氣脫水裝置，應(yīng)用HYSYS軟件和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及遺傳算法相結(jié)合，搭建了三甘醇(TEG)脫水裝置能耗節(jié)約的優(yōu)化模型，優(yōu)化了三甘醇脫水再生裝置系統(tǒng)的操作參數(shù)，顯著地降低了三甘醇脫水裝置的能耗，使三甘醇脫水裝置單位能耗比設(shè)計(jì)值降低10%左右[3]。

3.2 采用高效設(shè)備

通過對(duì)三甘醇再生塔底重沸器和吸收塔進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化、引進(jìn)高效的貧富液板式換熱器，實(shí)現(xiàn)再生裝置能耗的降低目的。某西部氣田通過改進(jìn)了天然氣三甘醇脫水裝置部分設(shè)備結(jié)構(gòu)，使用了釬焊式高效三甘醇貧富液板式換熱器，在天然氣脫水再生裝置節(jié)約能耗的效果較為明顯。

3.3 引進(jìn)先進(jìn)工藝

在先進(jìn)工藝引進(jìn)方面，長慶氣田某處理廠采用了三甘醇(TEG)脫水吸收塔撬與再生塔橇，大大縮短了多個(gè)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)安裝的工期，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，工廠化預(yù)制，模塊化施工的先進(jìn)施工模式；在川西氣田某處理廠，混合采用三甘醇(TEG)脫水法、turbine膨脹機(jī)法和J-T閥法幾種工藝相結(jié)合的方式組合生產(chǎn)運(yùn)行，極大提高脫水效果，并且實(shí)現(xiàn)了深度脫水。

4 結(jié)語

三甘醇(TEG)脫水裝置的工藝流程較為復(fù)雜、工藝設(shè)備多且占地面積大，同時(shí)也存在著能耗較大的問題。為了提升三甘醇(TEG)脫水裝置的脫水效率、達(dá)到節(jié)能減排的目的，應(yīng)在設(shè)備的操作參數(shù)等方面進(jìn)行優(yōu)化，并引進(jìn)先進(jìn)設(shè)備及五化理念。