可再生天然气脱汞装置设计及运行

王用良 吴新阳 刘改焕 陈彰兵

中国石油工程建设有限公司西南分公司, 四川 成都 610041

0 前言

汞具有高挥发性、高毒性、强腐蚀性,天然气中的汞极易聚集在管道或设备中造成金属汞齐脆化和电化学腐蚀以及催化剂中毒等问题。因此,从环境保护、人身健康、含汞天然气的安全开发等方面考虑,必须对天然气中的汞进行脱除[1-7]。目前,国内外广泛采用的天然气脱汞工艺是以载硫活性炭、载金属硫化物氧化铝为脱汞剂的不可再生化学吸附脱汞工艺，低温脱汞工艺及以载银分子筛为脱汞剂的可再生化学吸附脱汞工艺[8-20]。不可再生化学吸附脱汞工艺在国内各含汞气田天然气处理中得到了广泛应用,但该工艺需要在脱汞塔内装填大量脱汞剂,且吸附饱和后的脱汞剂更换、处理费用较高,脱汞处理成本高。而可再生化学吸附脱汞工艺不仅脱汞剂用量少,且脱汞剂可再生循环利用,脱汞剂更换、处理成本低。通过与脱水分子筛进行复配使用,还可以简化流程,降低工程投资。

根据相关文献报道,目前掌握可再生化学吸附脱汞技术及脱汞剂的公司主要是美国UOP,且未在中国天然气净化处理行业进行工业应用[18-20]。为掌握这一技术,推动天然气脱汞技术发展,本文在可再生载银分子筛研发基础上,通过开展可再生天然气脱汞装置设计、建设及运行,实现了可再生脱汞工艺在国内天然气净化处理行业的工业应用,获得了相关的工程经验,为以后自主设计和运行可再生天然气脱汞装置提供了工程经验。

1 可再生天然气脱汞装置设计

1.1 原料气及产品气条件

原料气流量为10 000 m3/d(标准工况20 ℃,101.325 kPa),压力为10.5 MPa,温度为20～40 ℃。原料气组成见表1。

表1 原料气组成表

产品气流量为9 981 m3/d(标准工况20 ℃,101.325 kPa),压力为6.5 MPa,温度为20～40 ℃,汞浓度<28 μg/m3,水露点<-5 ℃(操作压力下)。

1.2 主要设计运行参数

再生气加热器出口温度300 ℃,冷干机出口最低温度-15 ℃,再生气量120 m3/h,工作周期24 h,吸附时间12 h,再生时间12 h。

1.3 工艺流程

设计思路：1)为保护载银分子筛，在脱汞塔前设置脱水塔，装填脱水用4A分子筛；2)为对比不同再生流程对脱汞效果的影响，流程中设置产品气再生及原料气再生两种流程；3)为简化流程，降低成本，采用两塔流程，一塔吸附，一塔再生；4)分别在两组脱水塔、脱汞塔进出口管线上设置程序切换阀，以实现吸附和再生运行模式的自动切换。

工艺描述：工艺流程见图1，含汞原料气自上而下依次通过脱水塔、脱汞塔,脱水、脱汞后产品气经粉尘过滤器除去粉尘,然后进入产品气管线。采用产品气再生流程时,从粉尘过滤器出口管线上取气作再生气,再生气经电加热器加热后自下而上依次通过脱汞塔、脱水塔,从载银分子筛和4 A分子筛中脱附出来的汞和水进入再生气中,经空冷器、冷干机冷却后进入分离器分离,分离后进入产品气管线中。采用原料气再生流程时,从调节阀前管线取气作再生气,再生气依次经电加热器、脱汞塔、脱水塔、空冷器、冷干机、分离器后返回调节阀后原料气管线,与原料气汇合。

图1 可再生天然气脱汞工艺流程示意图Fig.1 Schematic diagram for renewable mercuryremoval process of gas

通过以上工艺流程处理后,原料气中的水和汞分别被脱水分子筛和载银分子筛吸附脱除,产品气水露点和汞浓度满足指标要求;经加热再生后,分子筛吸附的水和汞解吸脱附至再生气中,经冷却分离后以液态形式沉积在分离器底部。

1.4 设备布置

根据工艺流程,对装置进行橇装化设计,见图2。所有设备布置在一个橇座上,橇大小为8 000 mm×2 500 mm,包含:脱水塔A/B、脱汞塔A/B、粉尘过滤器、电加热器、空冷器、冷干机、分离器等设备。

图2 可再生天然气脱汞装置现场照片Fig.2 Field photo of renewable mercury removal facility

2 装置运行结果

2.1 原料气汞浓度检测

装置运行期间,采用日本NIC便携式测汞仪EMP-2每天检测一次原料气汞浓度,检测结果见图3。由图3可见,原料气汞浓度一直在275～300 μg/m3范围内波动。

图3 原料气汞浓度随运行天数变化曲线图Fig.3 Curve of mercury concentration in raw gaschanging with the operating days

由于实际检测到的原料气汞浓度只有设计值的一半,为了保证脱水塔、脱汞塔床层再生完全,再生时间足够,实际运行时将工作周期从24 h延长至48 h。

2.2 产品气再生流程运行效果

采用产品气再生工艺流程,再生气冷却方式只采用空冷,空冷后温度约45 ℃,加热再生后的天然气经空冷分离后进入粉尘过滤器出口产品气管线。设定工作周期48 h,其中吸附时间24 h,加热时间16 h,冷却时间8 h,自动切换流程,装置连续运行。在粉尘过滤器出口阀前取脱水脱汞后产品气进行汞浓度检测,每个工作周期内取样3次,分别对应工作时间1 h、7 h、23 h,采用俄罗斯LUMEX便携式测汞仪RA-915+对产品气汞浓度进行检测,汞浓度检测结果见图4。

图4 产品气再生工艺下产品气汞浓度随运行时间变化曲线图Fig.4 Curve of mercury concentration in product gas changing withthe operating time under the product gas regeneration process

由图4可知,产品气再生工艺下,原料气中汞从 300 μg/m3脱除至0.05 μg/m3以下,汞脱除率约99.98%。装置连续运行21 d,产品气汞浓度一直维持在0.03 μg/m3左右波动,满足产品气指标要求。说明该工艺稳定可靠,长期运行能保证产品气汞浓度合格。

对脱水、脱汞后产品气水露点进行检测，结果为：操作压力下的产品气水露点<-40 ℃。

2.3 原料气再生流程运行效果

采用原料气再生工艺流程,再生气冷却方式只采用空冷,空冷后温度约45 ℃,加热再生后的天然气经空冷分离后返回调节阀后管线,与原料气汇合。设定工作周期48 h,其中吸附时间24 h,加热时间16 h,冷却时间8 h,自动切换流程,装置连续运行。

2.3.1 产品气汞浓度检测

在粉尘过滤器出口阀门前取脱水脱汞后产品气进行汞浓度检测,每个工作周期内取样3次,分别对应工作时间 1 h、7 h、23 h,采用俄罗斯LUMEX便携式测汞仪RA-915+对产品气汞浓度进行检测,汞浓度检测结果见图5。

图5 原料气再生工艺下产品气汞浓度随运行时间变化曲线图Fig.5 Curve of mercury concentration in product gas changing withthe operating time under the raw gas regeneration process

由图5可知,装置连续运行20 d,产品气汞浓度与采用产品气再生工艺的汞浓度相比,变化趋势明显不同。每个工作周期(24 h)内,切换初期(工作时间1 h)对应的产品气汞浓度约22 μg/m3,随后产品气汞浓度随运行时间增加不断降低;切换末期(工作时间23 h)对应的产品气汞浓度降至约7 μg/m3,流程切换至下一个工作周期后,产品气汞浓度又升高至上一个工作周期初期值 22 μg/m3左右,呈周期性变化。

分析出现上述结果的主要原因是:再生时高含汞的原料气从脱汞塔底部进入塔内时,导致脱汞塔底部至出口切换阀前管道吸附了大量汞,当脱汞塔工作状态由再生操作切换为吸附操作时,管道中吸附的汞被产品气带出导致产品气汞浓度升高。

2.3.2 进塔原料气汞浓度检测

在脱水塔入口取混合了返回后的再生气的原料气进行汞浓度检测,同时对装置入口原料气和分离器出口再生气进行汞浓度检测,一个工作周期内(48 h)的汞浓度检测结果见图6。

由图6可知,采用原料气再生工艺,一段时间内分离器出口再生气汞浓度约700 μg/m3,高含汞的再生气返回原料气汇合后导致进入脱汞塔的原料气汞浓度升高，最大达到约410 μg/m3,明显高于装置入口原料气汞浓度300 μg/m3。

图6 原料气再生工艺原料气及再生气汞浓度变化曲线图Fig.6 Curve of mercury concentration in raw gas and regeneration gaschanging with the operating time under the raw gas regeneration process

2.3.3 产品气水露点检测

采用原料气再生工艺时,对原料气经脱水塔、脱汞塔后的产品气水露点进行检测,结果见表2。根据检测结果可知,采用原料气再生工艺下的产品气满足水露点<-5 ℃要求。

表2 原料气再生工艺下产品气水露点测试结果表

3 管道对汞的吸附能力测试

为了验证采用原料气再生工艺时切换初期产品气汞浓度偏高的原因分析是否合理,考察了管道对天然气中汞的吸附能力。将工艺流程切换至产品气再生流程,检测产品气管线中的汞浓度并将其维持在0.05 μg/m3左右,采用300 ℃脱水、脱汞后产品气对脱水塔B、脱汞塔B充分再生,切换流程：关闭两台脱水塔顶部及脱汞塔A底部所有切换阀,打开脱汞塔B底部所有切换阀。维持原料气流量420 m3/h,原料气经电加热器、脱汞塔B底部切换阀后去粉尘过滤器并外输。该流程中天然气不经过脱水分子筛和载银分子筛床层,电加热器处于不加热状态,天然气所经过的管道材质为16 Mn,设备材质为Q245R。

在粉尘过滤器出口管线上进行取样分析,结果见图7。原料气汞浓度一直维持在270～280 μg/m3范围波动,而粉尘过滤器出口气经6 h左右的吸附,汞浓度逐渐从130 μg/m3升高至270 μg/m3,与装置原料气汞浓度相当,说明碳钢管道对天然气中汞的吸附能力较强。

图7 装置原料气及出口气汞浓度与时间关系曲线图Fig.7 Curve of mercury concentration in raw gas andoutlet gas changing with the operating time

4 结论与建议

1)采用产品气作再生气,载银分子筛可将原料气中的汞脱除至0.05 μg/m3以下,完全满足商品天然气汞含量小于28 μg/m3的指标要求。

2)采用产品气再生工艺和原料气再生工艺,20 d左右的运行中产品气汞浓度变化趋势基本稳定,说明可再生脱汞工艺是稳定可靠的。

3)通过脱水分子筛和载银分子筛复配使用,可共用再生系统，同时实现脱水脱汞。

4)采用原料气再生工艺时,因再生气汞浓度高,若再生气返回原料气中,应充分考虑再生气中高浓度的汞对载银分子筛装填量的影响,避免在吸附时间内床层穿透,产品气汞浓度超标。

5)因常温下钢材对汞具有一定的吸附作用,采用原料气作再生气时,应避免常温下含汞再生气进入脱汞塔底部,造成脱汞塔切换运行后产品气汞浓度超标。