含汞氣田低壓閃蒸氣脫汞試驗

宋曉俊 王洪松 潘旭 尹紅衛(wèi) 劉文超 馬超

中國石油塔里木油田公司

在天然氣開采過程中,汞是一種有害的伴生物,其質(zhì)量濃度通常為1～200 μg/m3,國內(nèi)高含汞氣田的汞質(zhì)量濃度甚至可以達(dá)到1 930 μg/m3[1]。降低天然氣中汞含量,脫除天然氣中的汞能夠有效防止汞污染,從而保護(hù)人身安全[2-5]。

1 國內(nèi)天然氣脫汞現(xiàn)狀

目前,我國規(guī)定管輸商品天然氣中汞質(zhì)量濃度小于28 μg/m3[6],國內(nèi)外天然氣脫汞工藝主要有化學(xué)吸附、溶液吸收、低溫分離、陰離子樹脂和膜分離等[7],其中,化學(xué)吸附脫汞工藝在經(jīng)濟(jì)性、脫汞效果和環(huán)保等方面均優(yōu)于其他脫汞工藝,可將天然氣中汞質(zhì)量濃度降至0.01 μg/m3,能夠滿足商品天然氣、液化天然氣和天然氣凝液回收對原料氣中汞質(zhì)量濃度的要求,在國內(nèi)外天然氣脫汞裝置中得到廣泛應(yīng)用[8-11]?；瘜W(xué)吸附脫汞工藝中脫汞吸附劑由載體和反應(yīng)物兩部分構(gòu)成,其中載體一般是活性炭、氧化鋁和分子篩,反應(yīng)物為硫、銀、碘等物質(zhì)[12-13]。

為降低含汞氣田開發(fā)成本,大部分含汞氣田采用化學(xué)吸附脫汞工藝解決管輸商品天然氣中汞含量超標(biāo)的問題,高壓脫汞吸附劑的應(yīng)用已經(jīng)十分成熟,但在天然氣處理過程中汞會滲入到凝析油、富氣、乙二醇、污水、燃料氣等低壓系統(tǒng)中,當(dāng)對這些介質(zhì)進(jìn)行加熱、閃蒸等處理時,汞會富集進(jìn)入閃蒸氣中,形成高濃度低壓含汞閃蒸氣,如果不對低壓閃蒸氣進(jìn)行脫汞處理就直接排放至大氣,將造成環(huán)境污染,危及人員人身健康[14],國家標(biāo)準(zhǔn)GB 16297-1996《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》要求排放尾氣中的汞及其化合物質(zhì)量濃度不高于12 μg/m3[15]。因此,本研究對化學(xué)吸附脫汞工藝中常用的4種高壓脫汞吸附劑對低壓閃蒸氣的脫汞效果進(jìn)行了現(xiàn)場試驗和評價,篩選出適用于低壓閃蒸氣脫汞的國產(chǎn)吸附劑,形成低壓閃蒸氣脫汞工藝技術(shù),可為低壓閃蒸氣脫汞工藝提供指導(dǎo)和借鑒。

2 低壓閃蒸氣脫汞試驗裝置設(shè)計

2.1 試驗現(xiàn)場選擇

為合理設(shè)置低壓閃蒸氣脫汞設(shè)施,選擇某含汞氣田天然氣處理廠作為試驗和評價的現(xiàn)場,該天然氣處理廠采用J-T閥節(jié)流制冷低溫分離脫水脫烴、注乙二醇防止水合物的處理工藝,主要工藝單元包括脫水脫烴單元、乙二醇再生單元及凝析油穩(wěn)定單元,脫水脫烴單元的工藝流程如圖1所示,自集氣裝置來的原料天然氣從上部進(jìn)入原料氣預(yù)冷器。自乙二醇再生及注醇裝置來的乙二醇貧液通過霧化噴頭霧化,噴射入原料氣預(yù)冷器,和原料氣在管程中充分混合接觸后,與自干氣過濾分離器來的冷干氣進(jìn)行換熱,被冷卻至-5 ℃左右。原料天然氣再經(jīng)J-T閥作等焓膨脹,壓力降至6.4 MPa,溫度降至約-30 ℃,再從中部進(jìn)入低溫分離器進(jìn)行分離,分離出液態(tài)含醇液和凝析油。干氣進(jìn)入干氣過濾分離器進(jìn)一步分離出夾帶的少量含醇液和凝析油,再進(jìn)入醇烴液加熱器殼程與原料天然氣逆流換熱,換熱后的干氣輸送至輸氣首站。乙二醇再生采用了塔底重沸器加熱、塔頂冷回流的精餾方法,提濃乙二醇富液使其再生,要求乙二醇貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為85%。再生塔塔頂回流罐排出的未凝氣體主要為水蒸氣、CO2、微量乙二醇和烴類,經(jīng)灼燒后排入大氣。再生塔塔頂回流罐排出的污水進(jìn)入污水池。

通過穩(wěn)態(tài)流程模擬軟件(virtual materials group simulation,VMGSim)對整個天然氣處理工藝系統(tǒng)進(jìn)行了模擬和實測(見圖2)。從模擬結(jié)果可以看出,該天然氣處理站高低壓系統(tǒng)均分布有大量汞,其中,產(chǎn)品氣和乙二醇再生塔塔頂不凝氣是汞聚集最多的地方[16],在所有低壓系統(tǒng)中,乙二醇再生塔塔頂不凝氣中汞質(zhì)量濃度最高,且溫度對汞質(zhì)量濃度的影響較大[17]。模擬數(shù)據(jù)與現(xiàn)場實際檢測數(shù)據(jù)一致,因此,以乙二醇塔塔頂不凝氣為試驗對象具有統(tǒng)計學(xué)意義和普適性。

2.2 試驗裝置基礎(chǔ)參數(shù)

2.2.1試驗介質(zhì)工況

某含汞氣田天然氣處理站乙二醇塔塔頂不凝氣相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 乙二醇塔塔頂不凝氣參數(shù)氣量/(m3·h-1)壓力(G)/MPa溫度/℃汞質(zhì)量濃度/(μg·m-3)處理后汞質(zhì)量濃度/(μg·m-3)25±5% 0.08±5%35±5%20 000±10%≤12

2.2.2試驗裝置工藝流程描述

低壓閃蒸氣脫汞試驗橇包含2組吸附塔,吸附塔與脫汞分液罐并聯(lián)設(shè)置,低壓閃蒸氣脫汞試驗裝置流程示意圖如圖3所示,現(xiàn)場照片如圖4所示。低壓閃蒸氣脫汞流程為：自乙二醇再生塔塔頂回流罐來的不凝氣經(jīng)脫汞分液罐下段分液并進(jìn)入不凝氣加熱器加熱后至脫汞分液罐或試驗裝置吸附罐中,與吸附劑在吸附部分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)吸附,汞以化合物的形式從不凝氣中分離,使不凝氣中汞質(zhì)量濃度≤12 μg/m3,不凝氣經(jīng)放空總管再至低壓放空分液罐至低壓火炬燃燒。分別在不凝氣進(jìn)試驗裝置前管線和在低壓放空分液罐前放空總管上設(shè)置取樣點,定期通過高量程汞檢測儀(德國MERRY TRANCKER生產(chǎn),型號為MT-3000IP,量程為0～40 000 μg/m3)跟蹤檢測閃蒸氣中汞含量,當(dāng)閃蒸氣中汞含量明顯超標(biāo)時,表明吸附劑達(dá)到飽和。

3 吸附劑在低壓閃蒸氣中的脫汞評價

選取4種常用的高壓脫汞吸附劑(進(jìn)口吸附劑1種,國產(chǎn)吸附劑3種)進(jìn)行低壓閃蒸氣脫汞效果研究,分別為：進(jìn)口金屬硫化物吸附劑8805、國產(chǎn)金屬硫化物吸附劑Tg-1、國產(chǎn)金屬硫化物吸附劑DKT813、國產(chǎn)活性炭吸附劑ZS。

低壓閃蒸氣脫汞試驗裝置實際運行參數(shù)如下：閃蒸氣流量(0 ℃,101.325 kPa下)為25 m3/h,閃蒸氣壓力(G)為0.08 MPa,閃蒸氣溫度為35 ℃,閃蒸氣中汞質(zhì)量濃度為20 000 μg/m3,吸附劑裝填量為18.5 L。

3.1 進(jìn)口金屬硫化物吸附劑8805試驗結(jié)果

進(jìn)口金屬硫化物吸附劑8805共試驗28天,吸附塔出口汞含量情況見圖5。根據(jù)測試結(jié)果,吸附劑約25天時開始穿透。卸出后的吸附劑形態(tài)發(fā)生明顯變化,吸附劑存在粉化或開裂等現(xiàn)象(見圖6),使用篩孔直徑為2.0 mm的標(biāo)準(zhǔn)篩篩1 min,將篩下物稱重,計算得出含粉率(w)為13.5%(吸附劑出廠數(shù)據(jù)為≤2%),說明該吸附劑不適用于低壓濕氣工況。

3.2 國產(chǎn)金屬硫化物吸附劑Tg-1試驗結(jié)果

國產(chǎn)金屬硫化物吸附劑Tg-1共試驗37天,吸附塔出口汞含量情況見圖7,根據(jù)測試結(jié)果,吸附劑約34天時開始穿透。卸出后的吸附劑形態(tài)保持完好,未發(fā)生粉化或開裂等現(xiàn)象(見圖8),說明該吸附劑適用于低壓濕氣工況。

3.3 國產(chǎn)金屬硫化物吸附劑DKT813試驗結(jié)果

國產(chǎn)金屬硫化物吸附劑DKT813共試驗31天,吸附塔出口汞含量情況見圖9,根據(jù)測試結(jié)果,吸附劑約28天時開始穿透。卸出后吸附劑形態(tài)保持完好,未發(fā)生粉化或開裂等現(xiàn)象(見圖10),說明該吸附劑適用于低壓濕氣工況。

3.4 國產(chǎn)活性炭吸附劑ZS試驗結(jié)果

國產(chǎn)活性炭吸附劑ZS共試驗11天,吸附塔出口汞含量情況見圖11,根據(jù)測試結(jié)果,吸附劑約4天時開始穿透。卸出后的吸附劑形態(tài)保持完好,未發(fā)生粉化或開裂等現(xiàn)象(見圖12),說明該吸附劑適用于低壓濕氣工況,但脫汞效果較差。

3.5 不同工作溫度下的低壓閃蒸氣脫汞評價

為了考查原料氣中液體含量對脫汞效果的影響,啟動不凝氣電加熱器,在吸附塔中填充國產(chǎn)金屬硫化物吸附劑Tg-1,將進(jìn)吸附塔的氣體溫度控制在30 ℃(未啟動電加熱器前的閃蒸氣溫度約15 ℃),進(jìn)氣投運,脫汞試驗結(jié)果如圖13所示。

根據(jù)測試結(jié)果,30 ℃下國產(chǎn)吸附劑Tg-1約38天時開始穿透,與未啟動電加熱器所測數(shù)據(jù)對比,啟動電加熱器后,吸附穿透時間更長,吸附劑汞容量更大。結(jié)果表明,進(jìn)料氣中液體含量越少,吸附效果越好。

4 結(jié)論

通過開展低壓閃蒸氣脫汞試驗,對低壓閃蒸氣脫汞處理有了較全面的認(rèn)識,對現(xiàn)場汞處理具有一定的指導(dǎo)意義,并得出以下研究結(jié)論：

(1) 采用VMGSim模擬軟件模擬天然氣處理工藝所得乙二醇不凝氣中汞質(zhì)量濃度與實測結(jié)果接近,汞分布模擬結(jié)果對含汞天然氣的設(shè)計及生產(chǎn)管理具有一定的指導(dǎo)作用。

(2) 根據(jù)現(xiàn)場試驗結(jié)果,用于高壓天然氣脫汞的吸附劑能滿足低壓閃蒸氣脫汞的要求,可達(dá)到廢氣中汞質(zhì)量濃度低于12 μg/m3的排放要求。

(3) 在低壓閃蒸氣條件下,金屬硫化物吸附劑脫汞效果明顯優(yōu)于活性炭吸附劑。從4種脫汞吸附劑現(xiàn)場試驗評價結(jié)果來看,其脫汞效果從大到小的順序為：國產(chǎn)金屬硫化物吸附劑Tg-1>國產(chǎn)金屬硫化物吸附劑DKT813>進(jìn)口金屬硫化物吸附劑8805>國產(chǎn)活性炭吸附劑ZS。4種吸附劑中僅進(jìn)口金屬硫化物吸附劑8805在濕氣條件下易粉化,不適合在濕氣工況下使用。