天然气脱酸装置工艺改造应用

郭 昊

(中海石油(中国)有限公司海南分公司，海南 海口 570100)

1 概述

某气田天然气中CO2含量通常在20%以上，CO2的存在对天然气的热值有较大影响，并造成设备腐蚀，故必须对其进行处理以保证后续使用过程的安全高效[1]。该天然气处理厂建有天然气年处理能力8亿方的脱碳装置一套。该装置采用主要适用于高含碳天然气的CO2脱除的天然气半贫液脱酸工艺[2]。在多年的生产运行过程中，该装置出现了脱碳能力下降、能耗较高、系统运行稳定性不好的问题。

图1 天然气半贫液脱酸工艺

为了解决存在问题，技术人员基于HYSYS实际工艺计算模型，以酸气脱除效果为指标，在现有机泵、再沸器、冷却器等关键设备能力范围内，开展工艺参数的敏感性分析。通过对系统运行数据、设备状态、工艺参数敏感性分析研究认为该装置吸收塔的吸收效率低、溶液换热器换热效率较低，富胺液再生热负荷较大，蒸汽消耗较高等是造成脱碳能力降低、能耗较高的主要原因。根据以上分析结果和生产状况制定了对吸收塔塔内件改造升级、更换溶液换热器、贫液泵变频改造的整体改造方案。

2 吸收塔塔内件升级改造

该装置吸收塔原贫液吸收段和半贫液吸收段采用的是扁环填料。扁环填料是常见环形散装填料的典型之一，属于开孔环形填料。它把填料环壁的开孔窗叶由传统的断开式内弯舌片状改为连续内弯的弧形筋片，取消了环壁端面的翻边并且设计了较小的环的高径比。结构上的改变减小了填料层由环的翻边以及内弯叶片的端点所形成的汇集分散点。而结构对称均匀的内弯弧形筋片结构，对流体流动的均匀性有较好的影响，并且能够提高填料的强度，避免使用可能引起液滴聚结或物料结焦的翻边。也可促进液滴群分散-汇合-再分散的循环过程，有效的降低了填料层的轴向返混，提高液液两相间的传质效率。

孔板波纹规整填料作为规整填料之一，具有很高的分离效率。它作为高效规整填料中的一种，同样表面积高、气液分布均匀、持液量小、压降小等特性。因其特性，孔板波纹规整填料广泛应用于精馏单元操作，尤其适用于难分离物系和热敏性物系的减压精馏过程。

对于贫胺液段的填料：分析是由于现场所使用的扁环散堆填料在填充时填料间容易产生架桥、空穴等现象，影响填料层液体的均匀流动，造成填料层内液体的偏流、勾流、股流甚至严重的壁流，甚至导致气体的短路情况，从而影响填料的效率发挥乃至整塔效率及操作。这是因为在高压吸收的工况下，气液相粘度均偏大，尤其是气相粘度，其扩散性能减弱，故气相往往成为传质的控制因素。对填料塔而言，填料对液体的自分布性能减弱，易造成液体偏流、沟流等不均匀流动。且充了气的液相、高的气液相密度比、高的气液相粘度比，都会使填料层的持液量增加，从而空隙率减小，导致处理能力受到制约，压降增大。对于填料塔，在高压下填料压降小的优势以不甚重要，但轴向返混加剧，降低塔的分离效率。本次改造的吸收塔的操作压力为3.4MPa(G)，属于高压吸收，选用板式塔要优于填料塔。

此外，胺液属于易发泡物系。胺液脱硫过程泡沫形成主要有以下几方面因素：

①传统脱硫塔均采用浮阀塔盘，浮阀塔盘属于鼓泡传质，这种气液接触状态为泡沫的形成创造了有利条件；②由于吸收过程存在物理、化学变化，气液接触时间要求较高，板上液层厚，增加了泡沫停留时间；③进气口的水溶性表面活性剂(胺溶液添加剂、管道腐蚀抑制剂)，它们会降低胺溶液的表面张力，过量的消泡剂也会导致发泡；④液态烃类(压缩机中的润滑油伴随在原料气中、在胺溶液冷凝下来的烃类)导致胺液更容易发泡；⑤颗粒污染物(FeS腐蚀产物，铁锈)，存在于原料气中或者在胺处理单元中产生，像FeS之类的固体物质本身并不会导致发泡，但是这些颗粒会在气液表面聚集进而通过提高表面的黏度使泡沫稳定，所以延迟了泡沫的破裂；⑥由于氧气进入系统导致胺和氧反应生成羧酸和热稳定盐类，溶解的铁离子会催化胺与氧的反应；⑦检修时被油脂或其他油类污染；⑧补充水中的水处理剂、缓蚀剂等。

胺液的发泡会引起突发性拦液冲塔问题，会给安全平稳生产带来威胁，其带来的危害主要表现在以下几个方面：①胺液损失加大，同时胺液被带入下游导致下游产品质量降低；②降低了酸性气体的脱除效率，并且达不到产品出厂的合格指标，在生产中不得不降量处理；③整个吸收塔或再生塔的压力快速上升，或者压力表读数不准确，给安全操作带来困难；④拦液造成整个系统波动较大，并对其他并行装置，如硫磺回收单元等装置平稳运行带来较大危害。

针对胺液脱硫过程拦液发泡以及吸收效果差等问题，需要从两方面解决这些问题，一方面是开展脱硫吸收溶剂净化提质技术研究，旨在提高胺液质量，降低发泡倾向，提高吸收效果；另一方面是开发具有抑制发泡功能的新型塔盘，改变塔盘鼓泡传质形式，由喷射态传质取代传统鼓泡态传质。且随着胺液的循环使用，胺液中可能夹杂固体颗粒，而板式塔的抗堵塞能力要优于填料塔。另外，填料塔的造价高于板式塔。因此，吸收塔贫胺液段采用高效喷射态塔板替代原扁环填料为最佳选择。

对于半贫胺液段的填料：分析是由于现场所使用的扁环散堆填料在填充时填料间容易产生架桥、空穴等现象，影响填料层液体的均匀流动，造成填料层内液体的偏流、勾流、股流甚至严重的壁流，甚至导致气体的短路情况，从而影响填料的效率发挥乃至整塔效率及操作。但是半贫胺液段不建议更换为板式塔，原因是半贫胺液段的液相流量较贫胺液段大很多，但是气相流量与贫胺液段相差不大，此时如果选用板式塔，则容易发生液相短路(即返混)现象。故建议将半贫胺液段的扁环散堆填料更换为规整填料。

对于贫胺液段和半贫胺液段的分布器：分析是由于现场所使用的分布器存在布液点个数较少、喷淋点密度较小、液体分布较不均匀，从而导致填料的润湿效果较差，严重影响填料效率的发挥。因此需将现场所使用的分布器进行更换，以减小液体初始不良分布造成的填料效率的损失，同时解决因液体的不良分布导致的填料效率下降及塔的分离效率下降的问题。

通过对天然气脱酸装置吸收塔的分析诊断，以及对分布器、填料、塔板的一系列试验研究，现场进行了如下改造：将原贫液吸收段的两段扁环填料及配套分布器更换为22层高效的具有抑制发泡作用的新型膜喷射塔板；将原半贫液吸收段的两段扁环填料更换为表面积更大、效率更高的新型高效填料孔板波纹规整填料，同时将上段填料上方的现有分布器更换为液体分布效果更好的新型槽式分布器，并在两段填料之间增加一套槽盘式气液分布器。

完成改造后在总气量及胺液循环量不变的前提下，改造后胺液脱出的酸性气总量提高了5.7%以上，且酸性气脱除率较改造前由93.8%提高至95.3%，说明吸收塔的吸收效果有了明显改善。

3 更换溶液换热器

该系统的溶液换热器是全焊式板式换热器。全焊式板式换热器是一种通用换热设备，以其独特的优点被广泛的应用于机械、电力、矿山、石油、化工等工业系统中。可满足各种介质的冷却、加热、冷凝、浓缩和余热回收等工艺的需求。但是，由于板式换热器一般换热温度较高，且其换热效率高，所以容易结垢。同时板式换热器内部流通孔径较小，结构后使内部通道截面积变小甚至堵塞，造成板式换热器效率降低，从而影响生产的正常进行和设备的安全。

根据现场数测试和模型模拟分析得知该溶液换热器设计传热负荷为8232kW，实际运行负荷为5147 kW，实际运行负荷仅为设计负荷的62%。换热器实际运行的压降值分别为150kPa(贫液)、80kPa(半贫液)，远高于设计值的24kPa和43kPa。通过对溶液换热器的直接观测及换热器压降数据的分析可以明确换热器存在比较严重的结垢。换热器结垢一方面降低了换热器的传热负荷，另一方面各流路压降也远远高于设计值。

该溶液换热器已经使用十多年，如果进行清洗脱垢作业可能效果并不明显。另外，清洗脱垢作业时间太长，对上游生产和下游用气有较大影响。综合考虑后，此次改造为用一台全新的板式换热器替代原来的旧设备。

更换全新的板式溶液换热器后，溶液换热器的溶液进出口温度都有了明显变化，运行的压降值也明显降低。

4 贫液泵变频改造

在脱碳工艺中胺液吸收原料气中的CO2达到脱碳的目的，胺液吸收再生的循环过程依靠泵进行驱动，通过对胺液的配方优化可以降低半贫液及贫液的循环量，减小半贫液泵、贫液泵的流量。充分利用原贫胺液泵、液力透平半贫液泵所带电机等基础件，制定电机变频的改造方案，通过对半贫液透平泵及贫液泵的电机变频改造，在保证正常的脱碳能力情况下，实现节约装置能耗的目的。整个工艺流程在满负荷运行状况时，贫液流量约为220 m3/h、半贫液流量约为1120 m3/h。在整个装置中半贫液泵及贫液泵的实际运行流量大，消耗的电能最多。因此对半贫液透平泵及贫液泵进行变频改造是装置降低能耗的有效方式。但由于半贫液的流量变化对液力透平端的输出功率影响极大，需要结合原液力透平段的工作参数进行综合判断。综合现场工作人员操作经验，认为该透平泵对流量变化敏感性强，不建议优化改造过程中减少半贫液的流量，因此此次改造只对贫液泵进行变频改造。

变频调速的基本原理：由于离心泵原理，在相似情况下水泵的流量、扬程和功率分别与其转速的一次方、二次方和三次方成正比。

三相交流电动机的转速与频率、级数以及转差率之间的关系如下：

n=60f(1-s)/p

其中：

n—每分钟的转速

f —交流电的频率

s—转差率

p—磁极对数

在三相电动机中对转速的调节有多种方法，如通过调整交流电的频率、电动机的级数以及转差率来实现。随着电力电子技术的发展，变频控制技术的不断成熟，通过调整电源的频率调速效果更好。

贫液泵的变频改造主要是通过配套增加一套与原贫液泵匹配的变频器及其控制系统，通过控制电机转速，减少能耗。泵的变频系统主要由变频器、信号采集及处理系统及控制系统三部分组成。

经过改造与原来的定频贫液泵相比可节约电能约93 kW，按照每年运行8000小时，电费1元/ kW h计算，年节约电能7.44×105kW h，约合74万元。

5 改造后效果

通过对该天然气脱酸装置吸收塔塔内件改造升级、更换溶液换热器、半贫液泵变频改造不但提高了系统运行稳定性，显著提高了吸收塔的吸收效果，而且在装置现有运行状态的基础上，将该脱酸装置用电及蒸汽费用降低了10%，实现了降本增效，使得系统运行成本大大降低。