探析脫除酸性氣體工藝在LNG項(xiàng)目中的影響因素

摘" " " 要： 作為液化天然氣當(dāng)中一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，脫除天然氣組分中的酸性氣體是十分必要的。以某天然氣液化項(xiàng)目為研究對(duì)象，從脫除酸性氣體的目的、工藝流程和脫酸過程中的影響因素及調(diào)整方法等方面進(jìn)行論述，為天然氣液化項(xiàng)目中生產(chǎn)管理及現(xiàn)場(chǎng)操作人員提供借鑒和參考。

關(guān)" 鍵" 詞：天然氣；酸性；液化；工藝流程

中圖分類號(hào)：TE644" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A" " "文章編號(hào)： 1004-0935（2023）05-0694-04

脫除酸氣技術(shù)方法有很多，主要分為物理吸收法、化學(xué)吸收法、直接轉(zhuǎn)化法、物理和化學(xué)聯(lián)合吸收法等[1]。本文所研究的天然氣液化項(xiàng)目中主要采用化學(xué)吸收法，將弱堿性溶液作為吸收劑，與來自上游天然氣（國(guó)家二類標(biāo)準(zhǔn)）中的酸性氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成化合物。當(dāng)吸收了酸性氣體的溶液溫度升高、壓力降低時(shí)，該化合物中的酸性氣體即被分解釋放出來[2]。脫除酸性氣體工藝主要是為了凈化天然氣以滿足液化工藝要求。

通過對(duì)各種技術(shù)方法進(jìn)行比較總結(jié)，結(jié)合本項(xiàng)目的實(shí)際應(yīng)用情況，選用活化劑N-甲基二乙醇胺（MDEA）作為吸收劑脫除項(xiàng)目中天然氣的酸性氣體，并以吸收法為基礎(chǔ)，采用可再生胺液（以胺為原料按水、MDEA、活化劑比例50%∶15%∶35%混合而成的水溶液）對(duì)原料氣中的酸性氣體進(jìn)行" 脫除。

天然氣液化項(xiàng)目主要工藝流程是將上游天然氣處理廠引入的天然氣經(jīng)過調(diào)配、脫酸凈化和液化等一系列工藝處理，深冷至低溫液態(tài)成為L(zhǎng)NG，再送入LNG儲(chǔ)罐儲(chǔ)存，最后經(jīng)LNG泵裝車外輸。當(dāng)上游處理廠或海上平臺(tái)檢修時(shí)，LNG儲(chǔ)罐內(nèi)液化天然氣經(jīng)加壓氣化后進(jìn)入長(zhǎng)輸管道或周邊直供氣干管以滿足下游用戶的要求。

1" 脫除酸性氣體的目的

1.1" 具有腐蝕性

由于天然氣原料氣組分中具有大量的酸性氣體和機(jī)械雜質(zhì)。其中以二氧化碳、硫化氫為代表的酸性氣體具有很強(qiáng)的腐蝕性。當(dāng)其溶解于液體中會(huì)發(fā)生反應(yīng)形成酸液，會(huì)加大對(duì)天然氣管道、器材及設(shè)備的腐蝕而影響其使用壽命。

1.2" 對(duì)環(huán)境造成污染

硫化氫是一種毒性較大的氣體。含有硫化氫的天然氣燃燒時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的異味，當(dāng)其燃燒所生成的二氧化硫等化合物泄漏在外部環(huán)境時(shí)，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的環(huán)境污染，導(dǎo)致接觸人員中毒，嚴(yán)重者危及生命安全[3]。隨著我國(guó)“雙碳”目標(biāo)的提出，對(duì)環(huán)境的重視提到前所未有的高度，因此綠色化工是化工企業(yè)得以發(fā)展及創(chuàng)新的趨勢(shì)[4]。

1.3" 不利于LNG的運(yùn)輸

二氧化碳是一種無機(jī)物，不能燃燒，無熱值。其運(yùn)輸和液化都將增大LNG的成本，在很大程度上影響天然氣管道輸送效率，降低天然氣熱值，生成水合物，因此必須將其脫除。尤其以LNG槽車運(yùn)輸最為明顯，不僅增加了運(yùn)輸及采購(gòu)成本，還在一定程度上存在著儲(chǔ)運(yùn)風(fēng)險(xiǎn)，不利于槽車的安全運(yùn)行和裝卸。

1.4" 影響天然氣液化效果

由于酸性氣體冰點(diǎn)溫度較高，如不能對(duì)其進(jìn)行有效處理，在天然氣液化過程中易凝結(jié)成固體并積聚在LNG冷箱內(nèi)。長(zhǎng)時(shí)間如此工作會(huì)造成LNG冷箱內(nèi)部低溫?fù)Q熱器內(nèi)的流道和低溫管道的流通能力下降、壓力降增加，并將對(duì)正常生產(chǎn)帶來不利影響。

1.5" 增加了設(shè)備的保養(yǎng)和維修成本

眾所周知，機(jī)器設(shè)備的高效運(yùn)轉(zhuǎn)離不開對(duì)設(shè)備的保養(yǎng)和維修。不能有效脫除酸性氣體是十分危險(xiǎn)的，酸性氣體的腐蝕性和液化中易產(chǎn)生的天然氣水合物都不利于設(shè)備、管道及工藝流程的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，一定程度上增加維護(hù)保養(yǎng)的成本支出，嚴(yán)重時(shí)還必須通過停機(jī)甚至停產(chǎn)的方式進(jìn)行檢修，難以保證天然氣液化的出產(chǎn)率。

2" 項(xiàng)目脫酸工藝流程簡(jiǎn)述

2.1" 天然氣脫碳單元

由天然氣首站導(dǎo)入的天然氣原料氣經(jīng)過原料氣空氣冷卻器和原料氣過濾器分別進(jìn)行降溫和過濾雜質(zhì)處理。然后通過吸收塔與再生好后的活化MDEA溶液（貧液）進(jìn)行充分接觸，使其組分中脫除二氧化碳[5]。最后經(jīng)空冷器、氣液分離器及過濾器后將過濾精度在5～10 μm之間的凈化氣送入脫硫脫汞單元。

2.2" 脫硫脫汞單元

受天然氣液化工藝流程影響，硫和汞需要嚴(yán)格脫除[6]。來自脫碳單元的天然氣進(jìn)入本項(xiàng)目的脫硫脫汞塔進(jìn)行作業(yè)，自下而上進(jìn)入，最終通過活性炭粉塵過濾器精細(xì)過濾（其過濾精度可達(dá)99.5％）后，送至脫水脫苯單元。脫硫脫汞塔為雙塔，可根據(jù)工作效果，并聯(lián)或串聯(lián)投用。

2.3" 脫水脫苯單元

本單元通過脫水脫苯處理以避免在天然氣液化過程中形成冰堵設(shè)備和管線的情況發(fā)生。天然氣通過吸附凈化塔塔內(nèi)的吸附劑將氣體中的水分和苯吸附下來，合格的天然氣直接進(jìn)入液化裝置。吸附凈化塔采用雙塔流程，脫水深度可達(dá)1×10-6（體積分?jǐn)?shù)），一塔吸附，一塔再生。該流程通過天然氣液化廠自動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)工廠的產(chǎn)量設(shè)定運(yùn)作周期進(jìn)行工作，一般時(shí)間安排為8 h一個(gè)周期，其中用于再生的吸附凈化塔加熱4 h，冷卻3.9 h，雙吸附0.1 h。

2.4" 溶液再生單元

本單元的主要目的即是完成胺液由富胺液轉(zhuǎn)化為貧胺液這一過程。吸收大量二氧化碳的MDEA溶液（富液）進(jìn)入閃蒸罐進(jìn)行閃蒸，將溶液中的輕烴和部分二氧化碳閃蒸出去。然后通過貧富液換熱器與再生塔和再沸器裝置進(jìn)行工作，并在再生塔內(nèi)進(jìn)行汽提再生，直至使其產(chǎn)生達(dá)到符合濃度指標(biāo)的貧液。同時(shí)，富集在再生塔底部的MDEA溶液由再沸器排出時(shí)，所含的二氧化碳基本脫除，然后經(jīng)過貧富液換熱器換熱、貧液泵加壓、貧液空冷器降溫后，送至吸收塔，從而完成溶液再生循環(huán)。再生塔頂部排出的氣體主要成分為二氧化碳，先經(jīng)二氧化碳空冷器將溫度降低，然后經(jīng)過二氧化碳?xì)庖悍蛛x器分離氣體及液體，頂部氣體經(jīng)硫化氫吸收罐將達(dá)標(biāo)氣體排放至外界，而底部流出的凝結(jié)液體利用回收泵回到氣液分離器塔頂或送至閃蒸罐。

3" 脫酸氣過程中的影響因素及調(diào)整方法

3.1" 吸收塔

吸收塔主要目的是脫除天然氣中的以二氧化碳為代表的酸性氣體，使氣體含量達(dá)到天然氣液化的標(biāo)準(zhǔn)?？梢酝ㄟ^氣動(dòng)閥門調(diào)節(jié)的方式控制吸收塔塔內(nèi)液位及壓力、進(jìn)吸收塔的貧液流量來保證吸收塔運(yùn)行正常，得到合格產(chǎn)品。

3.1.1" 吸收塔塔內(nèi)液位及壓力

吸收塔塔內(nèi)液位對(duì)于整個(gè)脫除酸性氣體效果及系統(tǒng)流程安全運(yùn)營(yíng)有著極大的影響，本項(xiàng)目吸收塔液位有效控制在600～1 400 mm之間。液位過低會(huì)降低反應(yīng)的應(yīng)用空間，影響脫碳的效果，對(duì)后續(xù)的流程造成不利影響；液位過高易發(fā)生溢出風(fēng)險(xiǎn)，液體進(jìn)入氣道，因此可通過吸收塔底部液位控制閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證其液位控制在合理范圍之內(nèi)。

壓力高使得原料氣氣體中的二氧化碳分壓就越大，增大吸收的推動(dòng)力，有助于二氧化碳在溶液中溶解，進(jìn)而有助于吸收效果和反應(yīng)速度。反之，壓力低不利于吸收，效果和反應(yīng)速度也不佳。因此可通過調(diào)節(jié)吸收塔進(jìn)氣管線的調(diào)節(jié)閥來進(jìn)行控制，以便達(dá)到提高氣體凈化度的要求。

液位與壓力的調(diào)節(jié)閥均以氣動(dòng)調(diào)節(jié)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，既注意了天然氣易燃易爆的特性，又避免突然停電而造成的不安全因素[7]。

3.1.2" 進(jìn)吸收塔的貧液流量

吸收塔的貧液量如果過少，會(huì)使得出塔天然氣中的二氧化碳含量超標(biāo)。所以，要采取一定的必要措施防止因?yàn)樨氁毫髁枯^少而造成的LNG液化效果不佳?？衫庙?xiàng)目中貧液泵功率及其出口旁路管線上的流量調(diào)節(jié)閥控制加大流量，使其滿足吸收塔此時(shí)所需的貧液流量。如還是難以達(dá)到出吸收塔天然氣酸性氣體含量的標(biāo)準(zhǔn)，可通過化驗(yàn)的方式，按比例配置胺液，然后通過循環(huán)將其均勻地混合在一起，待化驗(yàn)合格后將其導(dǎo)入到脫酸工藝流程系統(tǒng)中，及時(shí)增加貧液的供給量。

3.2" 閃蒸罐

閃蒸罐是天然氣脫除酸性氣體中一個(gè)重要環(huán)節(jié)。在閃蒸的作用下，將該項(xiàng)目系統(tǒng)中的已經(jīng)充分吸收二氧化碳并在一定高壓的環(huán)境下的富胺液由3.9 MPa降壓至0.5 MPa左右，將輕烴和一部分二氧化碳閃蒸出來，其效果將直接影響脫碳及后續(xù)工作對(duì)胺液處理的工藝要求，同時(shí)對(duì)于酸性氣體的回收也有一定的影響[8]。

以本項(xiàng)目為例，利用閃蒸原理和閃蒸罐的作用，通過閥門調(diào)節(jié)的方式控制進(jìn)閃蒸罐壓力及液位來滿足后續(xù)工段對(duì)胺液處理的操作要求，使其正常運(yùn)轉(zhuǎn)。同時(shí)，該罐具有向系統(tǒng)內(nèi)補(bǔ)充胺液的功能。

3.3" 再生塔及再沸器

再生塔與吸收塔在機(jī)構(gòu)上都屬于填料塔，以金屬孔板波紋作為填料。相較于吸收塔內(nèi)的介質(zhì)為天然氣和MDEA溶液（貧液），再生塔則是二氧化碳、MDEA溶液和水蒸汽。再生塔主要作用將吸收二氧化碳等酸性氣體富液重新再生為具有吸附酸氣能力的貧液。而再生塔塔底設(shè)有再沸器，在導(dǎo)熱油的作用下使其內(nèi)部的胺液加熱、沸騰、蒸發(fā)，最終產(chǎn)生大量的蒸發(fā)氣回到再生塔對(duì)胺液（富液）進(jìn)行汽提再生制作貧液，達(dá)到指標(biāo)[9]。

本項(xiàng)目的再生塔及再沸器通過控制再生后貧液的濃度、再生塔上部出口管道壓力、再生塔和再沸器液位來得到合格的再生貧液。

3.3.1" 再生后胺液的濃度

再生后貧液的濃度與塔上升蒸汽溫度相關(guān)，塔上部溫度與導(dǎo)熱油向再沸器內(nèi)輸送的熱量相關(guān)。導(dǎo)熱油來自本項(xiàng)目的導(dǎo)熱油系統(tǒng)，屬于中溫導(dǎo)熱油，通過將再沸器內(nèi)的溫度加熱至115 ℃左右使其發(fā)生效果。因此，再生后貧液的濃度可以通過調(diào)節(jié)向再沸器供熱的導(dǎo)熱油旁路管線上的控制閥進(jìn)行控制，以避免反復(fù)調(diào)節(jié)導(dǎo)熱油系統(tǒng)油溫而帶來的不必要波動(dòng)[10]。

3.3.2" 再生塔上部出口管道壓力

再生塔上部出口設(shè)有空冷器和二氧化碳?xì)庖悍蛛x器用以處理排出的二氧化碳。受工藝要求影響，胺液再生適宜在較低的操作壓力下（0.08 MPa左右）進(jìn)行，同時(shí)不能低于操作壓力下限，以免造成貧液泵入口壓力過低而容易產(chǎn)生氣蝕的現(xiàn)象。因此，可通過調(diào)節(jié)二氧化碳?xì)庖悍蛛x器后壓力調(diào)節(jié)閥進(jìn)行 控制。

3.3.3" 再生塔和再沸器液位

再沸器為管殼式換熱器，其與再生塔底部相連通，液位也由再生塔內(nèi)的液位所控制。因而，兩個(gè)裝置的液位可以通過胺液循環(huán)系統(tǒng)及補(bǔ)充系統(tǒng)進(jìn)行控制。同時(shí)液位高低設(shè)有報(bào)警值，當(dāng)出現(xiàn)異常液位時(shí)，中控室將收到發(fā)送信號(hào)，以便工作人員采取措施防止液位不當(dāng)造成的危害。

3.4" 其他方面

相較于上面較為主要的設(shè)備，天然氣脫碳單元還有空冷器、氣液分離器、過濾器和泵等配套設(shè)備。因此，有效地把握胺液溫度、濾除胺液中的機(jī)械雜質(zhì)及相對(duì)分子質(zhì)量較高且成液態(tài)的烴類物質(zhì)等因素也顯得十分重要[11]。

4" 結(jié) 論

本文通過結(jié)合該LNG項(xiàng)目中脫除酸性氣體工藝的實(shí)際工作，著重總結(jié)分析其影響因素，得到下列結(jié)論：

1）利用現(xiàn)有的工藝技術(shù)，安全有效地進(jìn)行LNG生產(chǎn)過程中脫除酸性氣體是液化天然氣前十分重要的環(huán)節(jié)。

2）采用自動(dòng)化控制操作，在很大程度上確保了天然氣凈化單元及其他單元正常生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)，避免事故的發(fā)生。

3）相關(guān)工藝流程中液位、壓力、溫度和流量等因素應(yīng)在合理范圍內(nèi)。

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Abstract：" As an important part of natural gas liquefaction ， it is necessary to remove acid gas from natural gas components. Taking a natural gas project as the research object， the purpose of acid gas removal， process flow， influencing factors and adjustment methods in the process of acid removal were discussed， which could provide some reference for production management and field operators in natural gas liquefaction projects.

Key words： Natural gas; Acidic; Liquefaction; Technological process