于風(fēng)杰

（中油遼河工程有限公司，遼寧 盤錦 124010）

開采的天然氣通常含有多種雜質(zhì)，汞是其中之一。 汞具有高揮發(fā)性、高毒性及腐蝕性，因此天然氣凈化過程中需要將汞脫除。 德國(guó)和荷蘭相關(guān)機(jī)構(gòu)研究顯示，天然氣中的汞含量＜30μg/m3時(shí)，對(duì)操作人員健康、設(shè)備安全及環(huán)境均不會(huì)造成危害，一般國(guó)內(nèi)處理廠外輸氣汞含量的要求為＜28μg/m3[1-4]。 天然氣處理工藝包括集輸、分離、脫硫、脫水脫烴、液烴分餾、乙二醇再生、凝析油穩(wěn)定、氣田水處理等多種單元，幾乎每個(gè)單元都有汞的分布，因此需要采取措施予以控制。 天然氣脫汞的主要方法有化學(xué)吸附、 低溫分離、 溶液吸收、 陰離子樹脂和膜分離等[5-7]。 而在天然氣脫水脫烴的方法中同樣包括低溫分離等，故在低溫分離脫水脫烴過程中也可同時(shí)實(shí)現(xiàn)部分汞的脫除，從而降低后續(xù)的脫汞負(fù)荷。 該工藝在國(guó)內(nèi)外天然氣脫汞中得到了廣泛應(yīng)用。 在脫水脫烴過程中需要加入水合物抑制劑，通常采用乙二醇[8]。 傳統(tǒng)的乙二醇再生工藝設(shè)置了就地焚燒爐，將再生塔產(chǎn)生的尾氣進(jìn)行焚燒后排放。 但在某廠高含汞天然氣處理過程中，乙二醇再生尾氣的汞含量較高，廠區(qū)內(nèi)焚燒排放會(huì)威脅到廠內(nèi)操作員工的人身安全。 因此，需要對(duì)該廠乙二醇再生尾氣的排放方式進(jìn)行優(yōu)化，包括增加脫汞設(shè)施，并將就地焚燒優(yōu)化為廠區(qū)外火炬燃燒排放。

1 某高含汞天然氣處理廠的現(xiàn)狀

某高含汞天然氣處理廠共建有6套500×104m3/d脫水脫烴裝置，2套乙二醇再生裝置，循環(huán)加注乙二醇貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%。 該廠處理工藝采用低溫冷凝脫水脫烴工藝[9]，其工藝原理主要是利用天然氣中各組分露點(diǎn)溫度的不同，通過制冷裝置降溫后進(jìn)行低溫分離，從而得到滿足要求的產(chǎn)品[10-12]。 其中，制冷方式采用J-T閥制冷， 工藝原理是焦耳-湯姆遜節(jié)流效應(yīng)[13]，此為高壓天然氣處理的常用工藝。

氣田的井流物（包括油、氣和水等混合物）經(jīng)氣田內(nèi)部集輸管網(wǎng)輸至天然氣處理廠，進(jìn)站后首先去氣液分離器分離，分離所得原料氣加注乙二醇后經(jīng)原料氣冷卻器與干氣換熱， 再過J-T閥節(jié)流制冷，再過低溫分離器、 干氣經(jīng)冷卻器和脫汞塔處理后外輸。 集氣裝置氣液分離器分離的液相經(jīng)液液分離器將油水分離，與油和醇烴液三相分離器分離的液烴混合后外輸。 由于氣田為干氣藏凝析油產(chǎn)量較少，僅為10t/d， 因此未進(jìn)行穩(wěn)定處理直接進(jìn)儲(chǔ)罐外運(yùn)，分離的氣田水去水處理裝置。 天然氣處理廠工藝流程見圖1。 根據(jù)實(shí)際檢測(cè)，原料氣組成見表1，其中汞含量為500μg/m3。 處理后外輸干氣組成見表2。

圖1 天然氣處理廠工藝流程圖

表1 原料氣組成

表2 干氣組成

排出脫水脫烴裝置的乙二醇富液進(jìn)富液緩沖罐， 再經(jīng)貧富液換熱器后從中部進(jìn)入乙二醇再生塔。 塔底液相進(jìn)塔底重沸器加熱，熱氣相回到再生塔下部。 從重沸器排出的乙二醇貧液經(jīng)貧富液換熱器和貧液冷卻器后，由貧液注入泵注入脫水脫烴裝置。 塔頂出來的氣相經(jīng)塔頂冷凝器后進(jìn)塔頂回流罐，部分經(jīng)塔頂回流泵回流至塔頂，部分去處理裝置。 塔頂回流罐排出的尾氣經(jīng)焚燒爐灼燒后排入大氣。 乙二醇再生工藝流程見圖2。

2 各物流汞分布模擬

采用HYSYS軟件進(jìn)行脫水脫烴裝置和乙二醇再生裝置的工藝模擬， 模擬流程見圖3。 其中，J-T 閥的節(jié)流溫度為15.7℃， 乙二醇注入量為185×10-6kg/(m3h) ， 目前該廠的天然氣實(shí)際處理量為2000×104m3/d，計(jì)算結(jié)果見表3～表5。

通過上述計(jì)算，可以得出：

（1）低溫分離脫水脫烴過程中通過低溫沉降罐脫除了40.296%，有效地降低了下游脫汞塔的負(fù)荷；

圖2 乙二醇再生及加注工藝流程圖

圖3 脫水脫烴及乙二醇再生工藝模擬流程圖

表3 模擬計(jì)算參數(shù)結(jié)果

表4 各物流中汞含量表

表5 乙二醇再生尾氣組成表

（2）經(jīng)過脫水脫烴和乙二醇再生裝置后的每一個(gè)輸出物流均有汞的存在，乙二醇再生尾氣中的濃度為66.436mg/m3， 凝析油和污水濃度中分別為543.601mg/m3和1275.757mg/m3， 因此每一股輸出物流包括燃料氣、乙二醇再生尾氣、凝析油和污水均有必要脫汞。

該處理廠原現(xiàn)場(chǎng)凝析油和污水均為密閉處理，汞逸散危害操作人員健康的風(fēng)險(xiǎn)較低，且已開展凝析油脫汞中試裝置試驗(yàn)和建設(shè)污水脫汞裝置。 而乙二醇再生尾氣原工藝設(shè)計(jì)為在工廠內(nèi)焚燒排放，存在一定的安全隱患，需要進(jìn)行優(yōu)化改造。

3 乙二醇再生尾氣處理工藝的優(yōu)化

優(yōu)化措施主要從兩個(gè)方面入手， 一要脫除汞，減少汞直接排放；二要熄滅灼燒爐，消除廠內(nèi)明火的安全風(fēng)險(xiǎn)，優(yōu)化后流程見圖4。

（1）脫汞措施：增加小型脫汞罐，罐內(nèi)裝填與干氣脫汞塔相同的GMG273脫汞劑[14]，質(zhì)量500kg。按目前處理廠處理量2000×104m3/d， 原料氣汞含量500μg/m3進(jìn)行計(jì)算， 乙二醇再生尾氣中的汞質(zhì)量流量為0.0072kg/d，GMG273脫汞劑的汞容可達(dá)到5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），年運(yùn)行天數(shù)以333d計(jì)，脫汞劑使用年限為：(500×5%/0.0072)/333=10.43年。

（2）熄滅措施：熄滅灼燒爐后將再生尾氣引入到低壓放空系統(tǒng)，再生尾氣去低壓放空火炬焚燒后排放。 由于原設(shè)計(jì)中再生尾氣就地焚燒排放，管道距離較短， 乙二醇再生塔的塔頂操作壓力僅為20kPa（G），采取上述兩個(gè)措施后增加了小型脫汞罐的壓降和低壓放空管道的摩阻，需提高塔頂操作壓力至35kPa（G）。采用HYSYS軟件對(duì)乙二醇再生裝置進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表6和圖5。

圖4 優(yōu)化后乙二醇再生及加注工藝流程圖

表6 模擬計(jì)算結(jié)果表

圖5 塔頂壓力-塔底溫度-燃料氣用量曲線圖

根據(jù)上述模擬，采用脫汞和熄滅措施后，乙二醇再生塔的塔底重沸器溫度由133.46℃提高至137.09℃，導(dǎo)熱油爐的燃料氣用量增加41.69m3/d，但是尾氣灼燒爐熄滅后可節(jié)省燃料氣120m3/d，優(yōu)化后總體燃料氣用量節(jié)省78.31m3/d。 本次優(yōu)化于2018年實(shí)施，目前乙二醇再生塔的塔底重沸器溫度實(shí)際增加值為3℃，與模擬計(jì)算結(jié)果接近。 通過一年多的運(yùn)行，乙二醇再生裝置和低壓火炬運(yùn)行良好，達(dá)到了預(yù)期效果。

4 結(jié)論

某高含汞天然氣處理廠的乙二醇再生尾氣就地焚燒排放，存在汞中毒和明火風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重威脅到廠內(nèi)操作人員人身安全。 對(duì)此，進(jìn)行了天然氣處理工藝的汞含量分析，明確了汞的去向和再生尾氣脫汞的必要性，對(duì)乙二醇再生尾氣焚燒工藝進(jìn)行了優(yōu)化和模擬分析，得出以下結(jié)論：

（1）經(jīng)過脫水脫烴和乙二醇再生裝置后的每一個(gè)輸出物流均有汞的存在，閃蒸氣相、乙二醇再生、污水和凝析油等工段物流汞含量較高， 有必要脫汞。

（2）針對(duì)乙二醇再生工段，通過增加脫汞罐和將再生尾氣引入低壓放空管道， 實(shí)現(xiàn)了汞的脫除和尾氣灼燒爐的熄滅，解決了汞中毒和明火風(fēng)險(xiǎn)的問題。

（3）經(jīng)模擬可知，采取優(yōu)化措施會(huì)導(dǎo)致乙二醇再生塔的塔頂操作壓力升高15kPa， 塔底重沸器溫度提高3.63℃，從而導(dǎo)熱油爐燃料氣增加41.69m3/d，但總體燃料氣用量可節(jié)省78.31m3/d。 通過一年多的實(shí)際運(yùn)行，該模擬與實(shí)際優(yōu)化結(jié)果接近，達(dá)到了預(yù)期效果。