羅 斌 王 劍 喻澤漢 陳 信 李 麗

（1.中國石油西南油氣田公司重慶天然氣凈化總廠 2.中國石油西南油氣田公司天然氣研究院）

天然氣脫水是天然氣進入輸送管道前進行集中處理的重要環(huán)節(jié)。通過脫除天然氣中的水分，可以有效防止水合物的形成，避免堵塞管道閥門，同時還可以減少氣體對管線的腐蝕，保證集輸管道的安全生產。目前已經工業(yè)化的天然氣脫水方法有：溶劑吸收法、固體吸附法、直接冷凍法、膜分離法等。最近，超音速渦流管技術在天然氣脫水應用中取得了成功，兩列工業(yè)裝置總處理規(guī)模已達1 700×104m3/d［1－3］。在上述工藝中，溶劑吸收法和固體吸附法應用最為普遍，而在固體吸附法中，分子篩又因具有吸附選擇性強、吸附劑濕容量高、使用壽命長、不易被液態(tài)水破壞等優(yōu)點，成為應用廣泛的脫水吸附劑，除中、低含硫天然氣外，在高含硫天然氣和凝析氣田的脫水中也得到成功的應用［4－6］。

1 脫水工藝簡述

土庫曼斯坦一大型天然氣處理廠采用固體吸附法脫水工藝，吸附劑選用UOP上海公司生產的4?型分子篩，該分子篩對水的吸附具有很好的選擇性，通過4塔切換操作實現分子篩對天然氣中水分的吸附和再生，從而達到脫除原料天然氣中水分的目的。該裝置具有操作簡單、自動化程度高、脫水深度高等特點。

1.1 原料天然氣脫水吸附

來自脫硫脫碳裝置的原料氣壓力為5.73MPa（G），流量為395.7×104m3/d，經脫烴裝置冷卻至30℃后與經冷卻分離并增壓后的富再生氣混合，進入原料氣聚結器除去夾帶的水滴。出聚結器的原料氣分為兩股，自上而下分別進入兩個并聯的分子篩脫水塔進行脫水吸附。脫水后的凈化氣進入產品氣粉塵過濾器過濾出殘留的分子篩粉塵后，作為本脫水單元產品氣送至脫烴裝置。

1.2 脫水塔冷卻再生

從脫水后的干氣管線上引出一股溫度為32℃，壓力為5.63MPa（G），流量為23.74×104m3/d的天然氣作為冷卻氣，自上而下通過剛完成再生過程的分子篩脫水塔以冷卻該塔。出脫水塔的冷卻氣經換熱器與富再生氣換熱后進入再生氣加熱爐加熱至300℃后作為貧再生氣，自下而上地通過剛完成吸附過程的分子篩脫水塔，使吸附的水脫附并進入再生氣中，從而完成該塔的再生過程。

1.3 再生氣冷卻外送

出塔后的富再生氣經換熱器回收熱量后進入再生氣空冷器進行冷卻，使再生氣中的大部分水蒸氣冷凝為液體。冷卻后的富再生氣進入再生氣分離器分離出游離水，經再生氣壓縮機增壓后返回進脫水塔的濕凈化氣管線。分離出的污水進入污水總管（見圖1）。

分子篩脫水采用四塔流程，分子篩脫水塔在1個操作周期內吸附12h，再生6h，冷卻6h，運行期間保持兩塔吸附、一塔冷卻、一塔再生，再生氣加熱爐連續(xù)操作（見表1）。該工藝有別于國內其他脫水工藝的特征在于：脫水裝置采用同一股氣流，先用作冷吹氣，后作為再生氣，因而無需建壓再生。其優(yōu)點是既簡化了工藝流程，又減少了再生氣用量，回收了熱能，從而降低了裝置整體能耗。

表1 脫水裝置吸附塔工作狀態(tài)切換表

2 裝置運行狀況

2.1 概述

該廠自裝置投運以來，脫水單元運行情況總體較好，無論是脫水深度還是分子篩的程序切換均達到設計要求，經測試：在原料氣處理量為500×104m3/d時，分子篩最高脫水深度可達－38℃。

同時，分子篩程序切換可在線修改正常切換時間及第一次切換時間，靈活地調整分子篩再生情況及脫水深度。

2.2 存在的問題

然而，自開產投運以來，取樣分析結果表明：再生氣中H2S含量偏高，從而導致干凈化氣中H2S含量超標，分析數據詳見表2。

表2 氣質分析數據

從表2可以看出：再生氣中H2S含量在吸附轉為再生后1h～2h內達到最高。

2.3 原因分析

該廠脫水裝置采用的4?型分子篩具有如下特性：分子篩外表成球狀，內部為孔隙結構，比表面積大，其孔隙對H2S、甲硫醇和乙硫醇具有一定的吸附能力，但是吸附能力很低。對于C3以上的硫醇，由于分子直徑較大，不能進入分子篩孔道，故基本不具備吸附C3以上硫醇的能力。由于分子篩的孔隙結構，決定了分子篩在吸附水的同時也要吸附部分H2S、有機硫等介質。當水和H2S同時存在時，分子篩將優(yōu)先吸附水，若吸附水后還具有多余的吸附能力，則將繼續(xù)吸附原料氣中的H2S等氣體。

該廠脫水裝置即為分子篩吸附能力過剩的情況，在設定的吸附周期內，分子篩吸附塔吸附水后尚未達到飽和，將繼續(xù)吸附原料氣中的H2S等氣體，并于再生時將H2S解析至再生氣中，造成再生氣中H2S含量升高。由于系統(tǒng)中的再生氣需循環(huán)使用，H2S在再生氣中不斷累積，含量持續(xù)升高，導致出吸收塔的干凈化氣所含H2S出現周期性的波動。

此外，當分子篩吸附塔處于再生流程時，再生塔底部溫度由40℃逐漸升高至290℃，頂部溫度也將高達270℃。當再生塔溫度在270℃～290℃時，若再生塔含水量較高，部分有機硫將與水發(fā)生水解反應生成H2S，也會導致再生氣中H2S含量升高。

2.4 可能導致的后果

由于分子篩再生初期H2S和有機硫含量較高，導致再生氣中H2S含量也隨著再生過程呈現周期性的變化，影響產品氣質量。

同時，再生氣中含有大量H2S和再生出來的游離水，勢必加劇設備、管線的腐蝕，若設計時腐蝕裕量考慮不足，勢必成為裝置運行的安全隱患。

3 整改措施及效果

3.1 臨時措施

為使分子篩在吸附水的同時盡可能少吸附H2S，經過多次試驗分析，通過延長吸附周期、降低再生溫度及再生氣流量等措施，使分子篩在吸附水的同時盡可能少吸附H2S，通過運行試驗取得了較好的效果。

3.1.1 吸附周期、溫度、再生氣量臨時調整

調整吸附周期、降低再生溫度、減少再生氣流量措施，使分子篩吸附水后趨向飽和，以盡可能少吸附H2S，并用水驅趕吸附在分子篩中的少量H2S。

處理廠在保證脫水后水露點合格的情況下，單塔吸附周期由原設計的12h延長至16h。將再生塔出口溫度由設計的290℃降到250℃，并將再生氣流量由設計值8 889m3/h降為6 000m3/h。通過以上操作參數調整后分析取樣結果表明：再生氣中H2S含量明顯下降（見表3）。

表3 氣質分析數據

由表3看出，將再生氣流量調整為比設計值低2 800m3/h，并將再生時間延長2h，再生氣中H2S在再生后90min達到137mg/m3的最高含量，比2009年12月26日再生氣中H2S最高含量284 mg/m3降低約一半。

3.1.2 工藝流程臨時調整

濕凈化氣不經過脫烴裝置的繞管式換熱器進行預冷，將脫硫裝置來的濕凈化氣部分走旁通直接去脫水裝置脫水，提高進脫水裝置濕凈化氣含水量，讓吸附塔內分子篩盡可能多吸附水，少吸附H2S等其它氣體。

3.2 長期整改措施

3.2.1 更換部分設備管線。

為減少設備管材腐蝕，裝置大修期間將脫水單元不抗硫的設備管線材質全部更換為抗硫材質，避免因H2S腐蝕導致潛在的安全隱患。

同時，正式變更工藝操作參數，通過設置空冷器風機轉速，使空冷器出口管線中被分離出來的游離水溫度保持在40℃以上，盡量避開H2S腐蝕的溫度敏感區(qū)。

3.2.2 調整工藝流程

為充分保證工藝操作安全，徹底降低生產操作過程中的潛在風險，在2010年裝置大修時，將原設計的再生氣通過增壓機增壓后返回脫水單元分子篩吸收塔，更改為增壓后返回脫硫單元吸收塔入口管線。同時，通過對再生氣壓縮氣閥、冷卻系統(tǒng)等進行改造，增加壓縮比，以滿足工藝需求，使再生氣中積累的H2S在吸收塔內得以脫除，徹底消除了再生系統(tǒng)中H2S含量持續(xù)升高所帶來的安全隱患。

由于脫硫單元原料氣處理量為450×104m3/d，H2S含量為45g/m3，而再生氣最高流量僅為21.36 ×104m3/d，H2S含量最高也只有0.284g/m3，故將再生氣引入脫硫系統(tǒng)對脫硫效果不會造成影響。

3.3 效果評價

通過長期整改措施對工藝流程實施整改后，從整改后1年半的裝置運行情況來看，徹底改變了再生氣中H2S含量規(guī)律變化導致的產品氣質量波動的缺陷，同時有效地消除了再生氣中H2S含量升高造成的安全隱患。氣質分析見表4。

由表4與表2對比可看出，在再生氣流量、吸附及再生時間不變的前提下，再生氣中H2S含量雖然沒有變化，但是通過工藝流程的更改，將再生氣中富含的H2S引至脫硫吸收塔吸收后，產品氣質量合格、穩(wěn)定。

表4 氣質分析數據

注：流程更改后再生氣流量8 900m3/h，再生6h，吸附12h。

4 結語

總體來看，4塔分子篩脫水工藝在該座大型高含硫天然氣處理廠運用比較成功。該工藝脫水深度和自動化程度較高，完全能夠滿足設計及現場工況的要求。在研究出再生氣中H2S含量隨再生時間和再生氣量的變化規(guī)律后，通過改造，產品氣質量波動問題已得到徹底解決。為進一步研究高含硫天然氣分子篩脫水裝置再生氣中H2S含量升高原因積累了現場經驗。

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