賀江波，吳 昊，王勝軍

（1.中國石油塔里木油田公司，新疆 庫爾勒 841000；2.西南石油大學，四川 成都 610000）

天然氣自井口輸送至處理廠后，需先對其進行脫水處理，對于壓力較高天然氣，常采用低溫分離工藝，處理后外輸干氣可同時滿足烴水露點要求，亦可降低能耗。國內(nèi)外部分氣田中汞含量較高[1]，可達2000μg/m3，汞在天然氣中的存在易導致設備及管線的腐蝕，同時對人體具有較大的危害性，在各物流中的濃度分布規(guī)律也差別較大，有必要對汞在處理單元中的分布規(guī)律進行研究。

Aspen Plus 模擬軟件為大型通用流程模擬系統(tǒng)，通過其穩(wěn)態(tài)計算過程，可對天然氣處理廠多種工藝進行模擬，分析各工藝流程規(guī)律特點并進行優(yōu)化改良。以某高含汞氣田天然氣的低溫分離單元為例，借助ASPEN PLUS 對單質(zhì)汞及有機汞的分布規(guī)律進行模擬研究，同時提出濕氣脫汞方案及凝析油氣提的脫汞方案，對汞污染進行控制，保障天然氣處理廠的安全穩(wěn)定運行。

1 低溫分離工藝流程

天然氣經(jīng)井口送至處理廠后，送至低溫分離單元，通過節(jié)流閥將天然氣壓力迅速降低，利用高壓天然氣的壓力，提供大量冷能，將天然氣溫度降低至約-15℃，可同時脫除天然氣中的水分和烴類，以滿足天然氣外輸?shù)臒N露點及水露點要求[2-7]。該流程中為避免天然氣降溫過程中產(chǎn)生水合物凍堵管線及設備，常在節(jié)流閥前方注入乙二醇等水合物抑制劑，以改變原料氣物性，使水合物形成溫度降低至操作溫度以下，確保低溫分離單元的正常運行。

圖1 天然氣低溫分離工藝流程

某天然氣處理廠低溫分離工藝流程如圖1，含部分烴類及飽和水的濕天然氣經(jīng)空冷器冷卻至23℃，送至原料氣分離器進行初步分離，液相經(jīng)閃蒸罐閃蒸后送至凝析油處理單元；氣相經(jīng)注醇后與外輸氣在氣/ 氣換熱器中預冷至-2℃，在經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流至溫度-15℃，壓力7000kPa，送至低溫分離器中，分離氣相為脫除烴類及水分的外輸干氣，分離后液相為乙二醇富液，經(jīng)調(diào)壓、加熱后進入醇烴液分離器，分離出的富液經(jīng)貧富液換熱器換熱后，送至乙二醇再生單元，再生后的乙二醇送回乙二醇注入單元循環(huán)使用。

以某天然氣處理廠低溫分離單元為例，研究其低溫分離工藝中不同形態(tài)汞的分布特征，原料氣基礎條件為：12MPa，60℃，總汞質(zhì)量濃度1800μg/Nm3，單套裝置處理量1000×104Nm3/d。原料氣組成見表1。

表1 原料氣組成（干基）

2 低溫分離工藝中汞分布模擬

2.1 不同形態(tài)汞的分布

根據(jù)該氣田處理廠原料氣物性及組分，參考其低溫分離單元工藝流程及運行參數(shù)特點，采用Aspen Plus 軟件進行流程模擬，采用Peng-Robinson模型，研究不同形態(tài)汞的分布規(guī)律，指出不同形態(tài)汞在流程中的主要流向，整個流程模擬中不考慮熱損失及汞在管道和設備中的吸附、滲透等情況[8-12]。據(jù)調(diào)研，天然氣中單質(zhì)汞占90%以上，有機汞（甲基汞、乙基汞等）含量相對較少，故在原料氣中添加一定量的單質(zhì)汞（Hg0）及有機汞（Hg(CH3)2），其汞質(zhì)量濃度分別為1620μg/m3及180μg/m3。其中，Aspen Plus 模擬流程圖見圖2，低溫分離單元各物流點運行參數(shù)見表2，主要物流中汞的含量見表3,低溫分離流程中單質(zhì)汞的分布規(guī)律見圖3,低溫分離流程中有機汞的分布規(guī)律見圖4。

圖2 低溫分離單元Aspen Plus 模擬流程圖

表2 低溫分離單元運行參數(shù)

圖3 低溫分離流程中單質(zhì)汞的分布規(guī)律

表3 主要物流中汞含量

圖4 低溫分離流程中有機汞的分布規(guī)律

分析含單質(zhì)汞及有機汞的天然氣低溫分離工藝的ASPEN PLUS 模擬結(jié)果，可得出以下汞分布規(guī)律：

（1）經(jīng)低溫分離后，天然氣中單質(zhì)汞含量由1620μg/m3降低至1046μg/m3，減少量為35.38%；有機汞含量由180μg/m3降低至84.12μg/m3，減少量為53.26%，可見低溫分離過程對單質(zhì)汞及有機汞均有一定的脫除效果。

（2）經(jīng)醇烴液三相分離器分離后，單質(zhì)汞在乙二醇富液中流量為227.75g/h（155.73mg/L），占醇烴液中單質(zhì)汞總量的95.34%，為單質(zhì)汞的主要流向；有機汞在凝析油、乙二醇富液中流量分別為26.13g/h（25.39mg/L）、12.71g/h（8.68mg/L），占醇烴液中有機汞總量的65.41%、31.82%，故凝析油對有機汞有較強的吸收能力，乙二醇對有機汞的吸收能力相對較弱。

（3）單質(zhì)汞及有機汞在乙二醇再生后貧液中含量均為0mg/L，主要分布于再生塔塔頂氣相中，分別占乙二醇富液中汞含量的80.99%、94.17%，再生塔塔頂氣相具有流量小、汞濃度高、危害性大的特點。

2.2 不同條件對汞分布的影響

為探究不同運行條件對單質(zhì)汞及有機汞分布規(guī)律的影響，分別對原料氣汞濃度、乙二醇循環(huán)量、乙二醇濃度及低溫分離器進料溫度等參數(shù)進行對比分析。

2.2.1 不同原料氣汞濃度下的汞分布

根據(jù)表2 中給出的基礎數(shù)據(jù)，將原料氣總汞質(zhì)量濃度由0μg/m3增加至3000μg/m3，保持單質(zhì)汞與有機汞的比例不變，得各物流點單質(zhì)汞有機汞流量，模擬結(jié)果見圖5。

圖5 原料氣汞濃度對單質(zhì)汞及有機汞含量影響

經(jīng)對比后發(fā)現(xiàn)，原料氣中單質(zhì)汞及有機汞濃度升高，使得各物流點中汞濃度以相同比例增加，呈線性關系，故原料氣汞濃度的升高只會引起各物流中汞濃度的同比例提升，不會改變汞在各股物流中的分布比例。

2.2.2 不同乙二醇循環(huán)量下的汞分布

根據(jù)表2 中給出的基礎數(shù)據(jù)，將乙二醇循環(huán)量由1000kg/h 增加至1500kg/h，得各物流點單質(zhì)汞有機汞流量，模擬結(jié)果見圖6。

圖6 乙二醇循環(huán)量對單質(zhì)汞及有機汞含量影響

經(jīng)對比分析后發(fā)現(xiàn)，乙二醇循環(huán)量每增加100kg/h，外輸干氣中單質(zhì)汞含量將減小19.06g/h，質(zhì)量濃度降低45.88μg/m3，有機汞含量減少0.47g/h，質(zhì)量濃度降低1.13μg/m3。說明乙二醇對單質(zhì)汞具有較強的吸收能力，對有機汞吸收能力相對較弱。外輸氣中單質(zhì)汞及有機汞經(jīng)乙二醇貧液吸收后，大部分轉(zhuǎn)移至乙二醇富液中，再生塔塔頂氣液兩相中汞含量比例有微弱變化。

2.2.3 不同乙二醇濃度下的汞分布

根據(jù)表2 中給出的基礎數(shù)據(jù)，將乙二醇質(zhì)量分數(shù)由70%增加至90%，得各物流點單質(zhì)汞有機汞流量，模擬結(jié)果見圖7。

圖7 不同乙二醇濃度對單質(zhì)汞及有機汞含量影響

經(jīng)對比分析后發(fā)現(xiàn)，乙二醇質(zhì)量分數(shù)每增加2%，外輸干氣中單質(zhì)汞含量降低7.37～11.81g/h，質(zhì)量濃度降 低 17.74～28.43μg/m3，有機汞含量降低0.16～0.34g/h，質(zhì)量濃度降低0.38～0.81μg/m3，且兩者轉(zhuǎn)移量均隨乙二醇濃度增加逐漸提高?？梢娞岣咭叶佳h(huán)量和濃度均可促進單質(zhì)汞及有機汞從外輸氣至乙二醇富液的轉(zhuǎn)移，提高循環(huán)量對汞的遷移效果更加明顯，對單質(zhì)汞的轉(zhuǎn)移效果優(yōu)于有機汞。

2.2.4 不同低溫分離器進料溫度下的汞分布

根據(jù)表2 中給出的基礎數(shù)據(jù)，將低溫分離器分離溫度由-10℃降低至-20℃，得各物流點單質(zhì)汞有機汞流量，模擬結(jié)果見圖8。

圖8 低溫分離器進料溫度對單質(zhì)汞及有機汞含量影響

經(jīng)對比分析后發(fā)現(xiàn)，分離溫度每降低1℃，外輸干氣中單質(zhì)汞質(zhì)量流量將減小5.61～8.56g/h，質(zhì)量濃度降低13.51～20.60μg/m3，有機汞質(zhì)量流量減小0.012～0.009g/h，質(zhì)量濃度降低0.028～0.021μg/m3。其中單質(zhì)汞的變化趨勢逐漸增大，對單質(zhì)汞在低溫分離工藝中的分布有較大影響，而有機汞的變化趨勢逐漸變小，且變化量不大，對溫度變化的敏感程度較低。

3 汞污染控制措施

對低溫分離單元進行汞分布模擬后可知，天然氣經(jīng)原料氣分離器分離后，外輸氣及凝析油中汞含量分別高達800μg/m3及4507μg/L，遠高于天然氣及凝析油產(chǎn)品質(zhì)量要求。為減小汞的危害性，提高產(chǎn)品質(zhì)量，同時防止汞在管道及設備上的吸附和聚集，需采取相應的汞污染控制措施，對天然氣及凝析油進行脫汞處理。

3.1 濕氣脫汞

目前，天然氣脫汞主要采用化學吸附。針對高含汞天然氣，推薦采用濕氣脫汞方案，在原料分離器后設置天然氣脫汞裝置，可從源頭上解決汞污染問題[13-15]，避免汞的二次污染，濕氣脫汞方案流程見圖9。

圖9 濕氣脫汞工藝流程

含汞天然氣經(jīng)原料氣分離器分離后，去除部分烴類和游離水，含飽和水的天然氣送入氣液聚結(jié)器，脫除直徑0.3μm 以上的液滴，同時控制液相含量不高于10μg/m3，以保證脫汞劑的脫汞效果。脫汞劑推薦采用負載型金屬硫化物型，避免產(chǎn)生毛細管冷凝現(xiàn)象，處理后天然氣中總汞含量遠低于28μg/m3，可直接送至下游處理單元。

3.2 凝析油脫汞

原料氣中部分汞經(jīng)入口分離器后進入凝析油中，存在危害人員健康及腐蝕設備管道等問題，同時會造成凝析油價格下降，需對其進行脫汞處理。凝析油脫汞工藝包括化學吸附、化學沉淀和氣提等，其中氣提脫汞工藝適用于凝析油初步脫汞，能將凝析油中汞含量降低至100μg/L，滿足煉油廠原料油汞含量要求。推薦該處理廠凝析油采用氣提脫汞方案[16-21]，凝析油脫汞工藝流程見圖10。

圖10 凝析油脫汞工藝流程

含汞凝析油穩(wěn)定后從氣提塔上部進入，氣提氣（低含汞外輸天然氣）自塔底進入，與含汞凝析油逆流接觸，將凝析油中汞轉(zhuǎn)移至氣相中，從塔頂排出，含汞氣相經(jīng)氣液聚結(jié)器分離出固體雜質(zhì)及液滴后，送至氣相脫汞塔，脫汞后尾氣送至燃料氣系統(tǒng)。對于該處理廠凝析油，溫度為50℃，總汞含量4507μg/L，流量為12t/d，氣提氣（天然氣）流量為80m3/h，氣提塔操作絕對壓力130kPa，經(jīng)氣提后汞含量可低至84μg/L。

4 結(jié)論

根據(jù)某高含汞天然氣氣田低溫分離流程運行參數(shù)，采用ASPEN PLUS 軟件進行仿真模擬，研究了單質(zhì)汞及有機汞在低溫分離流程中的分布規(guī)律，得出如下結(jié)論：

（1）低溫分離流程中單質(zhì)汞大部分轉(zhuǎn)移至外輸干氣中（64.61%），部分轉(zhuǎn)移至再生塔塔頂氣相（27.33%）及再生塔塔頂廢液中（6.11%），其余少量單質(zhì)汞轉(zhuǎn)移至凝析油（1.46%）及醇烴液分離器氣相中（0.18%）；

（2）低溫分離流程中有機汞大部分轉(zhuǎn)移至外輸干氣中（46.73%），部分轉(zhuǎn)移至凝析油（34.84%）及再生塔塔頂氣相中（15.96%），其余少量有機汞轉(zhuǎn)移至醇烴液分離器氣相（1.48%）及再生塔塔頂廢液中（0.99%）；

（3）通過改變原料氣中汞濃度，保持單質(zhì)汞與有機汞比例不變，對低溫分離工藝進行模擬后發(fā)現(xiàn)，各物流點的單質(zhì)汞及有機汞含量均隨原料氣汞濃度增加而變大，且呈線性關系，不會改變汞在各股物流中的分布比例。

（4）通過改變乙二醇循環(huán)量、乙二醇濃度，對低溫分離工藝進行模擬后發(fā)現(xiàn)，乙二醇對單質(zhì)汞的吸收能力較強，對有機汞的吸收能力較弱。提高乙二醇循環(huán)量及濃度均可促進單質(zhì)汞由外輸干氣至乙二醇富液中的遷移，且提高乙二醇循環(huán)量相比于提高乙二醇濃度對單質(zhì)汞的遷移效果影響更明顯。

（5）低溫分離溫度的降低，可促進外輸氣中單質(zhì)汞向乙二醇富液中的遷移，影響程度為5.61～8.56g/(℃·h)，但對有機汞的分布規(guī)律影響較小，僅為0.009～0.012g/(℃·h)。

（6）根據(jù)以上模擬結(jié)果，提出濕氣脫汞方案及凝析油氣提脫汞工藝，防止汞在管道及設備上的吸附和聚集，保障作業(yè)人員安全，提高天然氣及凝析油產(chǎn)品質(zhì)量，解決汞的二次污染問題。