天然气脱水装置BTEX和VOC减排措施研究

刘　佳　邓道明　万宇飞

1.中国石油大学(北京)油气管道输送安全国家工程实验室/石油工程教育部重点实验室/城市油气输配技术北京市重点实验室,　北京　102249；2.中海石油(中国)有限公司天津分公司,　天津　300452



天然气脱水装置BTEX和VOC减排措施研究

刘佳1邓道明1万宇飞2

1.中国石油大学(北京)油气管道输送安全国家工程实验室/石油工程教育部重点实验室/城市油气输配技术北京市重点实验室,北京102249；2.中海石油(中国)有限公司天津分公司,天津300452

摘要：天然气脱水装置BTEX和VOC的排放是备受关注的环保问题。综述了国外天然气脱水装置BTEX和VOC的主要减排措施——燃烧、冷凝回收、优化脱水工艺以及一些其他减排措施。通过对满足环保要求并取得良好经济效益的StripBurn系统、R-BTEX工艺和Drizo工艺进行详细模拟分析可得：StripBurn系统的能耗随着闪蒸压力和汽提气量的减小而减小；Drizo工艺的能耗随着冷凝温度的上升而降低。指出了各种减排措施的优缺点,因StripBurn系统具有节能、环保、经济、脱水深度大等优势,推荐采用StripBurn系统减少天然气脱水装置BTEX和VOC的排放。

关键词：天然气；脱水；BTEX排放；VOC排放；减排措施

0前言

天然气采出后一般都含有水蒸气,过量水蒸气的存在不仅会降低商品天然气管道的输送能力,还可能在输送过程中形成水合物,造成堵塞。如果气体中含有酸性气体,还会加剧管道的腐蚀。为了天然气集输、长输的需要,应对采出后的原料天然气进行脱水处理[1]。天然气脱水系统广泛应用低温冷凝脱水工艺和甘醇吸收脱水工艺[2],此二者都需要对醇溶液进行再生。在常规脱水吸收剂常压高温再生中,BTEX(benzene,toluene,ethylbenzene,and xylene)和VOC(volatile organic compounds)等大气污染物伴随着水蒸气被排放到大气中,污染源可通过大气扩散,在环境中累积并产生持久危害,对人体健康、大气环境质量和气候产生严重影响。

随着页岩气、致密气成为开采热点,天然气脱水装置的节能环保问题备受关注。因此,有必要对天然气脱水装置BTEX和VOC减排措施进行研究。目前天然气脱水装置BTEX和VOC的主要减排措施有燃烧、冷凝回收、优化脱水工艺以及一些其他减排措施。

1燃烧

通过燃烧减少BTEX和VOC的排放一直备受青睐,燃烧装置得以不断改进。由于气体燃烧必须要考虑燃点、燃烧时间、燃烧气体的组成、氧气等因素,因此脱水装置的尾气组成和通风方式可直接影响通过燃烧减少天然气脱水装置BTEX和VOC排放的效果。Franklin等公司早已开发出了专用于三甘醇(TEG)脱水装置尾气排放的燃烧系统,该系统设计了专用基准型、助风型及大处理量型的燃烧装置,具有经济、环保等优点[3]。

1.1火炬装置

火炬装置是常规脱水装置中控制污染物排放最简单、经济的装置,通常由高架火炬、分液罐、分子封、点火系统等组成。根据排放气体排放压力的不同,火炬一般分为高压放空火炬和低压放空火炬[4]。火炬可以烧掉天然气脱水装置中排放的气态产物,但在实际操作时会凝结产生烟雾,造成不完全燃烧,未被充分燃烧的烃类在排放时会产生黑烟,污染空气,导致排放物无法满足环保要求。此外,火炬在燃烧过程中还需补充燃料或配备辅助

火焰,需要额外的能耗[5]。

1.2StripBurn系统

为满足相应的环保要求,燃烧装置一直得以不断优化,StripBurn系统能较好地解决BTEX和VOC减排的问题。该系统利用闪蒸气作为气提柱的汽提气,再生塔塔顶外排气经过冷凝后,不凝气和补充气作为再沸炉的燃料[6]。由于将脱水装置尾气中的BTEX和VOC作为燃料,因此该系统在充分利用资源的同时还降低了天然气脱水的燃料费用。该系统的关键是控制气体流量平衡(燃料气、闪蒸气、汽提气)及保证脱水装置尾气的充分燃烧。通常情况下,首先基于对TEG脱水装置能耗的优化来确定燃料气流量,其次通过调节脱水装置闪蒸罐的压力和温度来控制闪蒸气流量,然后在保证天然气露点降的前提下选择合适的汽提气流量,最后根据不凝气流量对燃料气进行补充,最终达到减少污染和节约能耗的双重目标。重沸器的主燃烧器作为脱水装置尾气燃烧的重要装置,可采用自然或强制通风方式以保证尾气的充分燃烧。

StripBurn系统有以下优点：

1)从再生塔排放的气体可被完全燃烧。

2)使用气提对TEG进行提浓,减少了TEG的循环量；使用不凝气作为重沸器的燃料,降低了燃料气的消耗。

3)VOC大量存在于混合气中,冷凝水中VOC的含量非常少,因此,污水中污染物的含量低。

4)没有BTEX和VOC被排放到大气中,不需要相应的环境监测。

为进一步分析TEG脱水装置中StripBurn系统的气体平衡影响因素,本文建立了StripBurn系统工艺计算模型[8-10](图1)。模拟的基准工况是：原料气组成见表1,进料天然气温度为36 ℃,压力为5.5 MPa,日处理量100×104m3/d。模拟过程选用PR方程[11]。

图1　StripBurn系统工艺计算模型

表1原料气组成

组分摩尔分数/(%)组分摩尔分数/(%)C190.42C24.67C31.03㊞i㊣C40.17㊞n㊣C40.19㊞i㊣C50.08㊞n㊣C50.04㊞n㊣C60.09㊞n㊣C70.1㊞n㊣C80.01㊞n㊣C90.01N21.64H2O0.32CO21.01苯0.01乙苯0.01二甲苯0.01甲苯0.01

1.2.1汽提气量

TEG脱水通常采用的汽提气量为0.02～0.05 m3/L。由图2可见,露点降和重沸器热负荷随着汽提气量的增大而增大。在再生塔塔顶冷凝温度一定时,随着汽提气量的增大,再生塔塔顶回流量增大,同时导致重沸器热负荷增大。在TEG循环量一定时,TEG浓度随着汽提气量的增大而增大,天然气的露点降也随之增大。当汽提气量小于0.032 m3/L时,闪蒸气流量随着汽提气量的增大而增大,但变化幅度很小。随着汽提气量的增加,TEG浓度不断增大,对原料气中重烃的吸收能力增强；在65 ℃、300 kPa的条件下进行闪蒸,随着TEG富液中吸收重烃量的增加,解析出的闪蒸气不断增多。当汽提气量大于0.032 m3/L时,闪蒸气流量不随汽提气量的增大而改变。当TEG浓度达到一定值时,对原料气重烃的吸收达到饱和,闪蒸气流量不再变化。随着汽提气量的增大,补充汽提气流量增大,因为汽提气量的变化对闪蒸气的影响很小。

图2　汽提气量对露点降、闪蒸气流量、补充汽提气流量及重沸器热负荷的影响

1.2.2闪蒸压力

由图3可见,在TEG循环量为25 L/kg,汽提气量为0.03 m3/L时,闪蒸压力对露点降没有影响。闪蒸气流量随着闪蒸压力的增大而减小,补充汽提气量和重沸器热负荷随着闪蒸压力的增大而增加。在闪蒸温度为65 ℃时,随着闪蒸压力的增大,闪蒸罐中直接从富液中解析出的烃类减少,闪蒸气流量减少,需要补充的汽提气量增大,从闪蒸罐中流出的富液中携带的烃类增加,轻烃汽化所需的热量增大,再生塔重沸器的热负荷增大。

图3　闪蒸压力对露点降、闪蒸气流量、补充汽提气量及重沸器热负荷的影响

1.2.3闪蒸温度

由图4可见,当TEG循环量和汽提气量分别在25 L/kg、0.03 m3/L时,闪蒸温度对露点降没有影响。闪蒸气流量随着闪蒸温度的升高而增加,补充汽提气量随着闪蒸温度的升高而减小。闪蒸压力为300 kPa时,随着闪蒸温度的升高,从富液中解析出的烃类增加,闪蒸气流量增大,需要补充的汽提气量减小,从闪蒸罐中流出的富液中携带的烃类减少,轻烃汽化所需的热量减小,再生塔重沸器的热负荷减小。

图4　闪蒸温度对露点降、闪蒸气量、汽提气量及重沸器热负荷的影响

通过对StripBurn系统的工艺计算分析得出：

1)在满足气体露点降的情况下,减少汽提气量可以降低能耗；

2)在一定吸收塔压力的情况下,闪蒸压力越低,StripBurn系统能耗越小；

3)建议富液闪蒸温度只靠贫/富液换热升温,不需要额外加热升温。

2冷凝回收

冷凝回收的投资一般大于燃烧排放的投资,但可以回收资源、化害为利。冷凝回收可有效回收BTEX,减轻污染,减少投资。目前已经开发了多种冷凝工艺,常见的冷凝工艺有空气冷凝、水冷凝、气体冷凝、甘醇冷凝和组合冷凝等工艺,其中空气冷凝具有设备简单、投资少、能耗大的特点。

2.1R-BTEX工艺

R-BTEX工艺是Radian公司开发的一套专门用于处理TEG脱水装置排放气的冷凝工艺[12],其技术成熟,且在经济、环保方面已取得较好效果,目前已得到广泛应用。在该工艺中,再生塔放空的水汽经过空冷器、水冷器两级冷却,在空冷器中,再生塔顶的排放物中大部分水和一部分烃被冷凝,部分凝液进入水冷器换热冷凝。该工艺中凝结水的温度可降至环境温度,因此可最大限度地将烃冷凝、回收[3]。

图5　采用气提再生TEG的R-BTEX工艺计算模型

由图6可见,BTEX和VOC排放量随着汽提气量的增大而增大。在再生塔塔顶回流比一定的情况下,汽提气对R-BTEX工艺的能耗(为满足环保要求而增加的能耗,即空冷器、水循环泵的电耗)没有影响。在保证气体脱水深度的情况下,减少汽提气量能够减少BTEX和VOC的排放。

图6　汽提气量对R-BTEX能耗及BTEX和VOC的排放量的影响

2.2Drizo工艺

Drizo工艺采用共沸再生的方法提高甘醇浓度,将BTEX、异辛烷、正庚烷等易挥发的有机化合物作为共沸剂,

为进一步分析Drizo工艺的能耗和环保效果,本文建立了Drizo工艺计算模型(图7)。模拟的基准工况同StripBurn系统工艺计算的基准工况。

由图8可见,随着冷凝器冷凝温度的升高,Drizo工艺的能耗降低。Drizo工艺能耗的主要影响因素是冷凝温度,BTEX和VOC排放量随冷凝温度的升高而增大。重沸器热负荷随着冷凝温度的增大而降低。在BTEX和VOC排放量满足环保要求时,可适当提高冷凝温度以降低Drizo系统能耗。

图7　Drizo工艺计算模型

图8　冷凝温度对露点降、BTEX和VOC排放量、Drizo能耗及重沸器热负荷的影响

3优化脱水工艺

优化脱水工艺,改变脱水装置操作条件,不仅可以节约能耗[14-15],还可减少甘醇脱水装置BTEX和VOC的排放。优化脱水工艺参数可主要从减少甘醇对BTEX和VOC的吸收、增大BTEX和VOC的闪蒸以及减少再生塔BTEX的解析等方面考虑[16]。

影响甘醇吸收BTEX和VOC的因素主要有甘醇种类、吸收塔的压力、温度。甘醇对重烃的亲和力随着甘醇碳原子数的增加而增加。因此,采用二甘醇(DEG)和乙二醇(MEG)替换TEG可有效减少脱水装置BTEX和VOC的排放。如脱水装置在25 L/kg的甘醇循环量下操作时,TEG的VOC排放量比MEG的VOC排放量高20～30倍,TEG的BTEX排放量比MEG的BTEX排放量高5～10倍[17]。甘醇循环量是影响重烃吸收量的关键因素之一,提高TEG浓度并减小TEG循环量,是减少BTEX排放的一个行之有效的方法。甘醇对BTEX的吸收随着原料气压力的增大而增加,随着原料气温度的降低而增大。因此,降低吸收塔压力、提高吸收塔温度可以减少BTEX的排放。此外,原料气中水及CO2含量的增加也会减弱甘醇对重烃的吸收[3]。

通过闪蒸可以有效控制VOC的排放,合理的闪蒸条件可以有效解析甘醇所携带的重烃。适当提高闪蒸温度、降低闪蒸压力可以有效减少VOC的排放,同时也能减少BTEX的排放。可以通过降低再沸温度和减少汽提气量以减少再生塔BTEX的解析。

在满足天然气脱水要求的情况下,通过优化脱水装置的运行参数,使BTEX和VOC的排放达到最小[18]。通过优化脱水工艺控制BTEX和VOC的排放,可减少投资,充分利用现有装置的性能,但该方法不能彻底解决BTEX对空气的污染,因此使用该办法时可以结合其他工艺,以达到更好的经济、环保效果。

4其他减排措施

使用其他脱水工艺,如固体吸附法、膜分离法、超音速法等,可以减少甚至消除BTEX和VOC的排放,但需要做详细的技术经济比较。此外,减少天然气脱水装置BTEX和VOC的排放,还可借鉴其他行业挥发性有机气体的控制措施,如吸附法、吸收法、光催化还原法、电晕法、膜分离法等回收处理方法[19-20],考虑到这些措施的经济和技术问题,其在天然气脱水装置尾气处理中的应用还有待进一步研究。

5主要减排措施对比分析

火炬装置设施简单,能够方便地消除BTEX和VOC的污染,但没有充分利用燃烧产生的热能,对整套脱水装置的能耗节约、脱水效果没有任何改善,只是单一地解决了脱水装置的环保问题。

StripBurn系统充分利用BTEX和VOC,先将其作为汽提气,后又将其作为重沸器的燃料,在较彻底地消除BTEX和VOC对环境污染的同时发挥BTEX和VOC的价值,且脱水效果较好。StripBurn系统在经济、环保等方面非常有优势,是较经济可行的控制BTEX和VOC排放的措施。

R-BTEX工艺将BTEX冷凝回收,不凝气VOC一般直接外排,环保效果受再生系统的影响。TEG脱水装置中再生系统若仅采取重沸器加热的常压再生方法,得到的天然气脱水深度较浅。若再生系统选用气提再生,VOC的排放量会增大,此时建议将不凝气作为燃烧炉的燃料使用。若再生系统选用共沸再生时,共沸剂的选择需要考虑凝液的处理方案。因此,R-BTEX工艺适用于BTEX含量高的脱水装置。

Drizo工艺将BTEX作为共沸剂,回收利用了BTEX,但不凝气VOC一般直接外排,VOC的环保效果受到影响,建议将不凝气通往燃烧炉作为燃料使用。

6结论

通过对比燃烧、冷凝回收、优化脱水工艺等天然气脱水装置BTEX和VOC减排措施可得：

1)燃烧措施简单易行,投资操作费用低,但不能回收轻烃。

2)冷凝回收的操作运行费用比燃烧的费用高,但可以部分回收轻烃,环保效果受脱水装置再生系统的影响。

3)优化脱水工艺可以免去对设备的改造,但控制BTEX排放的效果有限,往往需要与其他工艺结合才能达到环保要求。

(4)从技术经济方面综合考虑,推荐优先考虑StripBurn系统。

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收稿日期：2015-09-11

作者简介：刘佳(1992-)，女，陕西渭南人，硕士研究生，主要从事油气田地面工程研究。

DOI:10.3969/j.issn.1006-5539.2016.03.010