土库曼斯坦某工程分子筛脱水装置优化及应用

宋东辉 汪 贵 祁亚玲 胡 玲 董丽萍 杜通林

中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司，四川 成都 610041

0 前言

近年来完成的多项包含分子筛脱水装置的项目，从现场操作运行来看，存在着流程不优化、设备本体损坏、设备能耗高等问题。本文对工艺流程和设备的结构设计等方面做了改进和优化，并将其应用于土库曼斯坦某天然气处理厂工程的设计中。

1 流程优化

1.1 再生气H2S积累问题

由于H2S分子极性较强，分子筛在吸附脱水的同时吸附了天然气中的部分H2S，造成H2S在分子筛中积累，再生初期的短时间内大量H2S进入再生系统中。若该股再生气经增压后返回到脱水装置进口，则再生气长期在分子筛脱水装置中循环，会造成出装置的产品天然气中H2S含量超标，不能满足相关的规范要求。同时，出分子筛脱水塔的富再生气经再生气冷却器冷却后温度降低， H2S对设备及管线腐蚀加剧，长期运行会导致严重的后果[1]。存在潜在风险的部位见图1。

1.2 解决方案

1.2.1 H2S积累问题的解决方案

为解决H2S积累问题，对富再生气的工艺流程进行了优化：

a) 当再生气中的H2S含量超标时（即再生初期），富再生气经再生气压缩机增压后返回至上游脱硫脱碳装置的进口，脱除富再生气中的H2S。

b) 当再生气中H2S含量正常时，富再生气返回至脱水装置进口。从以往工程改造情况看，通过此优化，既解决了干气中H2S含量超标的问题，又减轻了H2S含量正常时脱硫脱碳装置的负荷。

具体优化情况见图2。

1.2.2 设备及管线腐蚀问题的解决方案

富再生气中H2S在再生初期含量较高，经过再生气冷却器后，其含量及温度均满足H2S腐蚀条件。为此，在设备及管线的选材方面做了相应的研究和比较[2-3]：

a) 再生气冷却器后的管线选用20 G，抗HIC材料。

b) 再生气分离器采用Q245R（正火板）。

图1 存在潜在风险的部位示意图

图2 分子筛脱水装置流程优化示意图

c) 再生气压缩机的进气条件中明确了H2S含量，供货商根据条件选择能够满足该气质条件的材料。

通过以上选材措施能够很好地避免H2S在富再生气中的腐蚀问题。

2 设备优化

2.1 防腐蚀优化

再生气分离器为易腐蚀设备。为避免或尽量减少富再生气对其腐蚀，结构设计做了一定的优化，其进口设计为弯管结构，并在封头处设置了防冲挡板[4-5]，具体结构见图3。

图3 再生气分离器防腐蚀设计细节图

2.2 节能优化

节能优化的设备主要为再生气加热炉。

2.2.1 常规加热炉（纯辐射式）

纯辐射式加热炉采用燃料气直接对炉管加热，火焰在炉膛中的辐射热将再生气加热达到要求的再生温度。该类型的加热炉由于仅仅利用了火焰直接加热的热量，排烟温度较高，效率较低，燃料气用量大，能耗较高。同时，纯辐射式加热炉的体积较大，增加了施工的难度。

2.2.2 加热炉结构的优化

除纯辐射式加热炉外，通常采用另外一种形式的加热炉即辐射式+对流式加热炉。辐射式+对流式加热炉利用了高温的烟气。进入加热炉的再生气首先进入对流段通过烟气对其预热，对流段所承担的负荷约为总负荷的30%，然后再进入辐射段完成加热。对流室的增加，降低了排烟温度，减少了热损失，将加热炉的效率从69%提高到78.3%，减小了炉子的尺寸和投资。有利于降低设备的长期运行成本，实现节能环保的目的。设备结构对比见图4。

图4 加热炉结构对比图

2.3 承重强度优化

以往工程中出现过分子筛脱水塔底部支撑垮塌的情况。本项目对分子筛脱水塔的支撑结构设计综合考虑了塔内件、分子筛及瓷球等填充物的重量因素，并考虑了极端情况的天然气吸附压降，经过强度计算后优化了支撑结构形式，增加了十字支撑结构，保证在极端工况时分子筛脱水塔不受损伤，为装置的平稳运行起到了积极作用。结构优化前后对比见图5～6。

图5 优化前塔底结构图

图6 优化后塔底结构图

3 结论

通过对以前工程中出现的问题进行研究，在新的工程中着重对装置的工艺流程和设备选型进行优化，使装置的操作运行平稳，并大大降低装置的能耗，达到节能环保的目的。

[1]王遇冬. 天然气处理原理与工艺（第二版）[M]. 北京：中国石油出版社，2011. 223-224.Wang Yudong. Natural Gas Processing Theory and Technology (2nd Edition)[M]. Beijing: China Petroleum Press, 2011. 223-224.

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