吳基榮 毛紅艷

中國(guó)石化中原油田普光分公司天然氣凈化廠

高含硫天然氣凈化新工藝技術(shù)在普光氣田的應(yīng)用

吳基榮 毛紅艷

中國(guó)石化中原油田普光分公司天然氣凈化廠

普光氣田的天然氣具有高含H2S和含CO2及有機(jī)硫的特點(diǎn),天然氣凈化難度大。為滿足高含硫天然氣凈化的要求,普光天然氣凈化廠采用了MDEA法脫硫脫碳、TEG法脫水、常規(guī)Claus硫磺回收、加氫還原吸收尾氣處理的天然氣凈化工藝路線。同時(shí),在國(guó)內(nèi)首次應(yīng)用了氣相固定床水解脫除羰基硫(COS)、中間胺液冷卻、MAG 液硫脫氣等國(guó)際先進(jìn)的天然氣凈化新工藝和專利技術(shù),通過(guò)不斷地摸索及優(yōu)化工藝參數(shù),解決了原料氣脫除有機(jī)硫、CO2選擇性吸收、液硫深度脫除H2S等技術(shù)難題;還應(yīng)用了溶劑串級(jí)吸收和聯(lián)合再生工藝、能量回收利用等多項(xiàng)技術(shù),通過(guò)優(yōu)化調(diào)整胺液循環(huán)量、降低能耗等手段,降低了操作費(fèi)用。高含硫天然氣凈化新工藝技術(shù)應(yīng)用于普光氣田后,凈化裝置運(yùn)行穩(wěn)定,凈化氣質(zhì)量超過(guò)設(shè)計(jì)要求,達(dá)到了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)一類氣的指標(biāo)。

普光氣田 高含硫 天然氣凈化 新工藝 有機(jī)硫 H2S CO2氣質(zhì)

中國(guó)石化中原油田普光分公司天然氣凈化廠處理來(lái)自四川東北部普光氣田的高含硫、含碳天然氣,原料氣壓力超過(guò)8.0 MPa,原料氣中H2S平均含量為14% (體積分?jǐn)?shù),下同),CO2平均含量為8%左右,同時(shí)含有一定量的有機(jī)硫,必須進(jìn)行凈化處理,以滿足《天然氣》(GB 17820—1999)二類氣的技術(shù)指標(biāo)要求。

該廠總處理能力達(dá)120×108m3/a,居目前世界第二、亞洲第一;硫磺回收生產(chǎn)能力達(dá)240×104t/a,居目前世界第一。普光天然氣凈化廠是中國(guó)建成投產(chǎn)的第一個(gè)百億立方米級(jí)的高含硫天然氣凈化廠,設(shè)計(jì)及施工階段可供借鑒的工藝技術(shù)及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)有限。因此,針對(duì)普光氣田天然氣的氣質(zhì)特點(diǎn)及凈化裝置規(guī)模宏大的實(shí)際,中國(guó)石化組織工程技術(shù)人員,通過(guò)5年多的努力,成功進(jìn)行了天然氣凈化新工藝技術(shù)的引進(jìn)、吸收與應(yīng)用。這些新工藝、新技術(shù)在普光氣田的成功應(yīng)用,也為今后國(guó)內(nèi)外其他大型含硫或高含硫氣田的凈化處理提供良好的示范和借鑒。

1 天然氣凈化技術(shù)路線

普光天然氣凈化廠共有12個(gè)系列的天然氣凈化裝置,單個(gè)系列的設(shè)計(jì)處理規(guī)模為300×104m3/d。采用MDEA法脫硫脫碳[1]、TEG法脫水、常規(guī)Claus二級(jí)轉(zhuǎn)化法硫磺回收、加氫還原吸收尾氣處理以及酸性水汽提的工藝路線。

高含硫原料氣經(jīng)過(guò)脫硫單元脫除幾乎所有的H2S、部分有機(jī)硫及CO2,再經(jīng)過(guò)脫水單元脫水后,合格凈化氣出裝置外輸。脫硫單元產(chǎn)生的含有H2S的酸性氣體進(jìn)入硫磺回收單元,將硫元素回收為液硫,送出裝置,經(jīng)成型后運(yùn)至硫磺儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)并外銷。硫磺回收單元的尾氣經(jīng)過(guò)尾氣處理單元凈化處理,凈化后的尾氣送至尾氣焚燒爐焚燒后,產(chǎn)生的煙氣能滿足國(guó)家環(huán)保要求,經(jīng)煙囪排入大氣;產(chǎn)生的酸性水送至酸性水汽提單元,汽提出的酸性氣體送至尾氣處理單元凈化處理,而處理后合格的凈化水則送至循環(huán)水廠循環(huán)使用。

1.1 天然氣脫硫單元

針對(duì)原料氣中H2S含量介于13%～18%、有機(jī)硫含量340.6 mg/m3、CO2含量介于8%～10%,凈化氣要達(dá)到《天然氣》(GB 17820—1999)二類氣的技術(shù)要求,必須脫除幾乎全部的H2S,并部分脫除CO2。因此要求脫硫溶劑具有較好的選擇性。

普光天然氣凈化廠采用的MDEA法[2]具有選擇吸收性好、解吸溫度低、再生能耗低、腐蝕性弱、溶劑穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn),但MDEA也存在對(duì)有機(jī)硫脫除能力差等不足之處[3]。針對(duì)原料氣中有機(jī)硫主要為羰基硫(COS)的特點(diǎn),需采用單獨(dú)的脫除有機(jī)硫工藝。

1.2 天然氣脫水單元

根據(jù)產(chǎn)品氣的水露點(diǎn)在出廠壓力條件下應(yīng)低于下游輸送過(guò)程中最低環(huán)境溫度5～7℃的規(guī)定,結(jié)合下游川氣東送管線所經(jīng)區(qū)域的氣象條件,產(chǎn)品氣的水露點(diǎn)按照8.0 MPa條件下小于等于-15℃(冬季)進(jìn)行控制。脫水單元采用TEG脫水工藝[4],具有熱穩(wěn)定性好、吸濕性高、容易再生、蒸汽壓低,攜帶損失量小等優(yōu)點(diǎn)。TEG再生采用高壓蒸汽加熱,并用一定量的干燥產(chǎn)品氣作為汽提介質(zhì),進(jìn)一步改善TEG貧液中的水含量。在實(shí)際運(yùn)行中,再生溫度控制在198～202℃時(shí),水露點(diǎn)小于等于-20℃,再生能耗也較為合理。

1.3 硫磺回收單元

采用技術(shù)成熟的常規(guī)Claus工藝[5],從酸性氣中回收元素硫。脫硫單元采出的全部酸性氣進(jìn)入反應(yīng)爐,按酸性氣中攜帶烴類完全燃燒且1/3的H2S生成SO2控制進(jìn)入反應(yīng)爐的燃燒空氣量。在反應(yīng)爐內(nèi)發(fā)生Claus反應(yīng):

將酸性氣中的硫元素轉(zhuǎn)化成單質(zhì)硫。采用一級(jí)熱反應(yīng)與兩級(jí)催化反應(yīng)工藝,硫收率可達(dá)到95%。

設(shè)置了余熱鍋爐回收過(guò)程氣中的廢熱,兩級(jí)催化反應(yīng)器入口均采用自產(chǎn)高壓蒸汽間接加熱。

1.4 尾氣處理單元

由于單純采用Claus硫磺回收工藝不能滿足環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的要求,該凈化工藝增設(shè)了尾氣處理單元,使總硫回收率大于99.8%。采用尾氣加氫還原吸收工藝[5],將尾氣中的SO2、SX還原為H2S,將COS、CS2水解為H2S,通過(guò)MDEA法吸收脫除。凈化后的尾氣送至尾氣焚燒爐燃燒,煙氣經(jīng)煙囪排入大氣。

該單元設(shè)置了加氫反應(yīng)器出口冷卻器及尾氣焚燒爐高壓蒸汽過(guò)熱器,回收廢熱同時(shí)將單元產(chǎn)生的高壓蒸汽過(guò)熱后送至系統(tǒng)管網(wǎng)。

1.5 酸性水汽提單元

酸性水汽提單元接收尾氣處理單元急冷塔、硫磺回收單元酸氣分液罐和脫硫單元的酸性水,采用單塔低壓酸水汽提工藝[6],汽提出的H2S及CO2直接送往尾氣處理單元的急冷塔,汽提后的凈化水用于循環(huán)水場(chǎng)的補(bǔ)充水。整個(gè)流程簡(jiǎn)單、設(shè)備少、操作簡(jiǎn)便、能耗低。

2 凈化新工藝新技術(shù)的應(yīng)用

2.1 聯(lián)合裝置的設(shè)置

普光凈化廠共有6套聯(lián)合裝置。每套聯(lián)合裝置由2個(gè)系列完全相同的天然氣脫硫單元、硫磺回收單元、尾氣處理單元和共用的天然氣脫水單元、酸水汽提單元組成(見(jiàn)圖1)。6套完全相同的聯(lián)合裝置,大大方便了天然氣凈化廠的操作、管理和檢修維護(hù),同時(shí)2個(gè)系列共用1個(gè)天然氣脫水單元、酸水汽提單元也減少了設(shè)備臺(tái)數(shù),節(jié)省了占地,節(jié)約了投資。

2.2 氣相水解法脫除有機(jī)硫工藝

普光氣田天然氣中有機(jī)硫含量為340.6 mg/m3,其中,羰基硫含量為316.2 mg/m3,硫醇含量為24.4 mg/m3。針對(duì)有機(jī)硫主要為羰基硫(COS),選擇并應(yīng)用了氣相水解法脫除COS技術(shù)。

圖1 聯(lián)合裝置凈化工藝流程圖

將氣相固定床水解專利技術(shù)首次應(yīng)用于國(guó)內(nèi)天然氣凈化領(lǐng)域。在氣相固定床反應(yīng)器中,在催化劑的作用下,COS水解為H2S和CO2,水解生成的H2S和CO2被MDEA吸收脫除,經(jīng)過(guò)實(shí)際運(yùn)行與優(yōu)化,水解溫度在121～129℃時(shí),COS脫除率可達(dá)到99%以上,凈化氣中總硫含量(以硫計(jì))小于70 mg/m3。與常規(guī)的物理溶劑吸收法脫除有機(jī)硫技術(shù)相比,氣相水解法脫除有機(jī)硫工藝未添加新的溶劑,也無(wú)需增設(shè)物理溶劑再生裝置,工藝投資節(jié)省,操作簡(jiǎn)單,COS脫除效果顯著(表1)。

表1 氣相水解有機(jī)硫脫除情況表

2.3 兩級(jí)吸收—級(jí)間胺液冷卻工藝

根據(jù)原料氣中CO2含量介于8%～10%,凈化氣只需部分脫除CO2的要求,在國(guó)內(nèi)首次應(yīng)用了兩級(jí)吸收—級(jí)間胺液冷卻專利技術(shù)控制CO2的吸收(圖2)。主要采用一級(jí)、二級(jí)主吸收塔吸收工藝,在兩級(jí)吸收塔之間設(shè)置級(jí)間冷卻系統(tǒng),通過(guò)降低胺液進(jìn)入一級(jí)吸收塔的溫度,降低吸收塔的溫度梯度,有效抑制了CO2的吸收,同時(shí)增強(qiáng)了H2S的均衡吸收。部分CO2穿過(guò)吸收塔,留在處理過(guò)的天然氣中,降低了胺液循環(huán)量及再生所產(chǎn)生的酸氣量,使整個(gè)裝置的投資和能耗較低。

圖2 兩級(jí)吸收—級(jí)間冷卻工藝簡(jiǎn)圖

經(jīng)過(guò)實(shí)際運(yùn)行與優(yōu)化,當(dāng)胺液冷卻到38～39℃時(shí),胺液對(duì)CO2的選擇性吸收效果較好,凈化天然氣中的CO2含量約為2%。

2.4 脫硫溶劑的串級(jí)吸收—聯(lián)合再生工藝

由于凈化工藝中脫硫單元和后續(xù)的尾氣處理單元均采用MDEA溶液作為吸收溶劑,而尾氣處理單元尾氣中的H2S含量不高,因此本工藝將尾氣吸收塔底的半富胺液送至脫硫單元一級(jí)主吸收塔串級(jí)使用,提高了溶劑的使用效率,胺液總循環(huán)量降低10%,同時(shí)只需設(shè)置1套胺液再生系統(tǒng)[7],減少了設(shè)備投資,降低了再生能耗和操作費(fèi)用(圖3)。

圖3 脫硫溶劑的串級(jí)吸收—聯(lián)合再生工藝簡(jiǎn)圖

2.5 能量回收設(shè)備的使用

從一級(jí)主吸收塔底出來(lái)的富胺液壓力較高(達(dá)到8.1 MPa),其中溶解有一定量的烴,在進(jìn)入胺液再生塔前,需降壓至0.5～0.7 MPa以閃蒸出溶解的烴。由于這部分富胺液量較大(約740 t/h),降壓會(huì)釋放出較多能量[8],故在凈化工藝中設(shè)置了液力透平,回收富胺液降壓所釋放的能量,用以驅(qū)動(dòng)高壓貧胺液泵,液力透平驅(qū)動(dòng)的電功當(dāng)量達(dá)到1 100 kW,降低了裝置的用電能耗。

2.6 液硫深度脫氣工藝

Claus硫磺回收工藝生產(chǎn)的液硫,隨溫度的不同會(huì)含有不同濃度的H2S,通常情況下,來(lái)自硫冷凝器的液硫中H2S濃度為165～199 mg/m3。

為了避免H2S氣體對(duì)后續(xù)加工和運(yùn)輸造成危險(xiǎn),采用了MA G 液硫脫氣工藝。與常規(guī)的脫氣裝置[9]相比,該工藝不需要額外的化學(xué)藥劑和脫氣風(fēng)機(jī),完全在液硫池內(nèi)完成。液硫在液硫池的3個(gè)不同分區(qū)循環(huán)流動(dòng)中,通過(guò)液硫冷卻器冷卻、脫氣噴射器進(jìn)行機(jī)械攪動(dòng),使溶解在液硫中的H2S釋放到氣相中,由抽空器送入尾氣焚燒爐焚燒。經(jīng)過(guò)實(shí)際運(yùn)行與優(yōu)化,液硫中H2S可脫除至滿足安全要求。

2.7 在線加氫還原吸收工藝

由于凈化廠沒(méi)有專門的氫氣來(lái)源,在尾氣處理單元的加氫還原吸收工藝中,采用在線加熱爐發(fā)生次氧化反應(yīng),提供加氫反應(yīng)所需的熱源及還原氣體,省去了單獨(dú)的制氫裝置。

3 應(yīng)用效果

針對(duì)高含硫、含碳天然氣的凈化新工藝技術(shù)在普光氣田得到成功的應(yīng)用。從2009年10月普光天然氣凈化廠第一聯(lián)合裝置順利投產(chǎn)以來(lái),目前全廠6套聯(lián)合裝置均已開(kāi)車成功,裝置運(yùn)行平穩(wěn),主要工藝技術(shù)指標(biāo)、產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求,硫磺回收率高于99.8%,尾氣排放中SO2低于960 mg/m3,滿足GB 16297—1996環(huán)保要求。運(yùn)行1年多來(lái),凈化天然氣產(chǎn)品質(zhì)量超過(guò)了設(shè)計(jì)要求的《天然氣》(GB 17820—1999)二類氣標(biāo)準(zhǔn),達(dá)到一類氣標(biāo)準(zhǔn)。目前的產(chǎn)品氣技術(shù)質(zhì)量指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 產(chǎn)品天然氣主要質(zhì)量指標(biāo)表

4 結(jié)論

普光天然氣凈化廠各聯(lián)合裝置順利開(kāi)車投產(chǎn)的實(shí)踐證明了凈化廠新工藝技術(shù)應(yīng)用的可靠性。作為我國(guó)建設(shè)的第一個(gè)百億立方米級(jí)高含硫含碳天然氣凈化廠,其成功投產(chǎn)運(yùn)行,為以后我國(guó)高含硫含碳天然氣田的凈化處理、為大型天然氣凈化廠的設(shè)計(jì)和建設(shè)提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)和良好的借鑒。

1)應(yīng)用氣相水解法脫除有機(jī)硫工藝,可以有效脫除原料氣中的COS,凈化氣中COS<70 mg/m3。

2)應(yīng)用兩級(jí)吸收—級(jí)間胺液冷卻技術(shù),可以部分脫除原料氣中的CO2,提高選擇性吸收能力。

3)應(yīng)用胺液串級(jí)吸收—聯(lián)合再生工藝、能量回收利用、設(shè)置聯(lián)合裝置、在線制氫等多項(xiàng)新技術(shù),極大地節(jié)約了工程設(shè)備投資,降低了能耗與操作費(fèi)用。

高含硫天然氣凈化新工藝技術(shù)成功應(yīng)用于普光氣田,凈化裝置運(yùn)行穩(wěn)定,凈化氣質(zhì)量合格?？梢栽陬愃频拇笮透吆驓馓锾烊粴鈨艋b置上推廣應(yīng)用。

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10.3787/j.issn.1000-0976.2011.05.027

2011-03-23 編輯 趙 勤)

吳基榮等.高含硫天然氣凈化新工藝技術(shù)在普光氣田的應(yīng)用.天然氣工業(yè),2011,31(5):99-102.

國(guó)家科技重大專項(xiàng)“四川盆地普光大型高含硫氣田開(kāi)發(fā)示范工程”項(xiàng)目(編號(hào):2008ZX05048-005)。

吳基榮,1972年生,高級(jí)工程師;1998年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院;現(xiàn)任中國(guó)石化中原油田普光分公司天然氣凈化廠副廠長(zhǎng),從事天然氣凈化與油氣儲(chǔ)運(yùn)方面的研究與技術(shù)管理工作。地址:(636156)四川省達(dá)州市宣漢縣土主鄉(xiāng)普光分公司生產(chǎn)管理中心405室。電話:(0818)4737226。E-mail:wujirong555@sina.com