劉　佳　鄧道明　萬宇飛

1.中國石油大學(北京)油氣管道輸送安全國家工程實驗室/石油工程教育部重點實驗室/城市油氣輸配技術北京市重點實驗室,　北京　102249；2.中海石油(中國)有限公司天津分公司,　天津　300452

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天然氣脫水裝置BTEX和VOC減排措施研究

劉佳1鄧道明1萬宇飛2

1.中國石油大學(北京)油氣管道輸送安全國家工程實驗室/石油工程教育部重點實驗室/城市油氣輸配技術北京市重點實驗室,北京102249；2.中海石油(中國)有限公司天津分公司,天津300452

摘要：天然氣脫水裝置BTEX和VOC的排放是備受關注的環(huán)保問題。綜述了國外天然氣脫水裝置BTEX和VOC的主要減排措施——燃燒、冷凝回收、優(yōu)化脫水工藝以及一些其他減排措施。通過對滿足環(huán)保要求并取得良好經(jīng)濟效益的StripBurn系統(tǒng)、R-BTEX工藝和Drizo工藝進行詳細模擬分析可得：StripBurn系統(tǒng)的能耗隨著閃蒸壓力和汽提氣量的減小而減?。籇rizo工藝的能耗隨著冷凝溫度的上升而降低。指出了各種減排措施的優(yōu)缺點,因StripBurn系統(tǒng)具有節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟、脫水深度大等優(yōu)勢,推薦采用StripBurn系統(tǒng)減少天然氣脫水裝置BTEX和VOC的排放。

關鍵詞：天然氣；脫水；BTEX排放；VOC排放；減排措施

0前言

天然氣采出后一般都含有水蒸氣,過量水蒸氣的存在不僅會降低商品天然氣管道的輸送能力,還可能在輸送過程中形成水合物,造成堵塞。如果氣體中含有酸性氣體,還會加劇管道的腐蝕。為了天然氣集輸、長輸?shù)男枰?應對采出后的原料天然氣進行脫水處理[1]。天然氣脫水系統(tǒng)廣泛應用低溫冷凝脫水工藝和甘醇吸收脫水工藝[2],此二者都需要對醇溶液進行再生。在常規(guī)脫水吸收劑常壓高溫再生中,BTEX(benzene,toluene,ethylbenzene,and xylene)和VOC(volatile organic compounds)等大氣污染物伴隨著水蒸氣被排放到大氣中,污染源可通過大氣擴散,在環(huán)境中累積并產(chǎn)生持久危害,對人體健康、大氣環(huán)境質(zhì)量和氣候產(chǎn)生嚴重影響。

隨著頁巖氣、致密氣成為開采熱點,天然氣脫水裝置的節(jié)能環(huán)保問題備受關注。因此,有必要對天然氣脫水裝置BTEX和VOC減排措施進行研究。目前天然氣脫水裝置BTEX和VOC的主要減排措施有燃燒、冷凝回收、優(yōu)化脫水工藝以及一些其他減排措施。

1燃燒

通過燃燒減少BTEX和VOC的排放一直備受青睞,燃燒裝置得以不斷改進。由于氣體燃燒必須要考慮燃點、燃燒時間、燃燒氣體的組成、氧氣等因素,因此脫水裝置的尾氣組成和通風方式可直接影響通過燃燒減少天然氣脫水裝置BTEX和VOC排放的效果。Franklin等公司早已開發(fā)出了專用于三甘醇(TEG)脫水裝置尾氣排放的燃燒系統(tǒng),該系統(tǒng)設計了專用基準型、助風型及大處理量型的燃燒裝置,具有經(jīng)濟、環(huán)保等優(yōu)點[3]。

1.1火炬裝置

火炬裝置是常規(guī)脫水裝置中控制污染物排放最簡單、經(jīng)濟的裝置,通常由高架火炬、分液罐、分子封、點火系統(tǒng)等組成。根據(jù)排放氣體排放壓力的不同,火炬一般分為高壓放空火炬和低壓放空火炬[4]。火炬可以燒掉天然氣脫水裝置中排放的氣態(tài)產(chǎn)物,但在實際操作時會凝結產(chǎn)生煙霧,造成不完全燃燒,未被充分燃燒的烴類在排放時會產(chǎn)生黑煙,污染空氣,導致排放物無法滿足環(huán)保要求。此外,火炬在燃燒過程中還需補充燃料或配備輔助

火焰,需要額外的能耗[5]。

1.2StripBurn系統(tǒng)

為滿足相應的環(huán)保要求,燃燒裝置一直得以不斷優(yōu)化,StripBurn系統(tǒng)能較好地解決BTEX和VOC減排的問題。該系統(tǒng)利用閃蒸氣作為氣提柱的汽提氣,再生塔塔頂外排氣經(jīng)過冷凝后,不凝氣和補充氣作為再沸爐的燃料[6]。由于將脫水裝置尾氣中的BTEX和VOC作為燃料,因此該系統(tǒng)在充分利用資源的同時還降低了天然氣脫水的燃料費用。該系統(tǒng)的關鍵是控制氣體流量平衡(燃料氣、閃蒸氣、汽提氣)及保證脫水裝置尾氣的充分燃燒。通常情況下,首先基于對TEG脫水裝置能耗的優(yōu)化來確定燃料氣流量,其次通過調(diào)節(jié)脫水裝置閃蒸罐的壓力和溫度來控制閃蒸氣流量,然后在保證天然氣露點降的前提下選擇合適的汽提氣流量,最后根據(jù)不凝氣流量對燃料氣進行補充,最終達到減少污染和節(jié)約能耗的雙重目標。重沸器的主燃燒器作為脫水裝置尾氣燃燒的重要裝置,可采用自然或強制通風方式以保證尾氣的充分燃燒。

StripBurn系統(tǒng)有以下優(yōu)點：

1)從再生塔排放的氣體可被完全燃燒。

2)使用氣提對TEG進行提濃,減少了TEG的循環(huán)量；使用不凝氣作為重沸器的燃料,降低了燃料氣的消耗。

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

4)沒有BTEX和VOC被排放到大氣中,不需要相應的環(huán)境監(jiān)測。

為進一步分析TEG脫水裝置中StripBurn系統(tǒng)的氣體平衡影響因素,本文建立了StripBurn系統(tǒng)工藝計算模型[8-10](圖1)。模擬的基準工況是：原料氣組成見表1,進料天然氣溫度為36 ℃,壓力為5.5 MPa,日處理量100×104m3/d。模擬過程選用PR方程[11]。

圖1　StripBurn系統(tǒng)工藝計算模型

表1原料氣組成

組分摩爾分數(shù)/(%)組分摩爾分數(shù)/(%)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汽提氣量

TEG脫水通常采用的汽提氣量為0.02～0.05 m3/L。由圖2可見,露點降和重沸器熱負荷隨著汽提氣量的增大而增大。在再生塔塔頂冷凝溫度一定時,隨著汽提氣量的增大,再生塔塔頂回流量增大,同時導致重沸器熱負荷增大。在TEG循環(huán)量一定時,TEG濃度隨著汽提氣量的增大而增大,天然氣的露點降也隨之增大。當汽提氣量小于0.032 m3/L時,閃蒸氣流量隨著汽提氣量的增大而增大,但變化幅度很小。隨著汽提氣量的增加,TEG濃度不斷增大,對原料氣中重烴的吸收能力增強；在65 ℃、300 kPa的條件下進行閃蒸,隨著TEG富液中吸收重烴量的增加,解析出的閃蒸氣不斷增多。當汽提氣量大于0.032 m3/L時,閃蒸氣流量不隨汽提氣量的增大而改變。當TEG濃度達到一定值時,對原料氣重烴的吸收達到飽和,閃蒸氣流量不再變化。隨著汽提氣量的增大,補充汽提氣流量增大,因為汽提氣量的變化對閃蒸氣的影響很小。

圖2　汽提氣量對露點降、閃蒸氣流量、補充汽提氣流量及重沸器熱負荷的影響

1.2.2閃蒸壓力

由圖3可見,在TEG循環(huán)量為25 L/kg,汽提氣量為0.03 m3/L時,閃蒸壓力對露點降沒有影響。閃蒸氣流量隨著閃蒸壓力的增大而減小,補充汽提氣量和重沸器熱負荷隨著閃蒸壓力的增大而增加。在閃蒸溫度為65 ℃時,隨著閃蒸壓力的增大,閃蒸罐中直接從富液中解析出的烴類減少,閃蒸氣流量減少,需要補充的汽提氣量增大,從閃蒸罐中流出的富液中攜帶的烴類增加,輕烴汽化所需的熱量增大,再生塔重沸器的熱負荷增大。

圖3　閃蒸壓力對露點降、閃蒸氣流量、補充汽提氣量及重沸器熱負荷的影響

1.2.3閃蒸溫度

由圖4可見,當TEG循環(huán)量和汽提氣量分別在25 L/kg、0.03 m3/L時,閃蒸溫度對露點降沒有影響。閃蒸氣流量隨著閃蒸溫度的升高而增加,補充汽提氣量隨著閃蒸溫度的升高而減小。閃蒸壓力為300 kPa時,隨著閃蒸溫度的升高,從富液中解析出的烴類增加,閃蒸氣流量增大,需要補充的汽提氣量減小,從閃蒸罐中流出的富液中攜帶的烴類減少,輕烴汽化所需的熱量減小,再生塔重沸器的熱負荷減小。

圖4　閃蒸溫度對露點降、閃蒸氣量、汽提氣量及重沸器熱負荷的影響

通過對StripBurn系統(tǒng)的工藝計算分析得出：

1)在滿足氣體露點降的情況下,減少汽提氣量可以降低能耗；

2)在一定吸收塔壓力的情況下,閃蒸壓力越低,StripBurn系統(tǒng)能耗越小；

3)建議富液閃蒸溫度只靠貧/富液換熱升溫,不需要額外加熱升溫。

2冷凝回收

冷凝回收的投資一般大于燃燒排放的投資,但可以回收資源、化害為利。冷凝回收可有效回收BTEX,減輕污染,減少投資。目前已經(jīng)開發(fā)了多種冷凝工藝,常見的冷凝工藝有空氣冷凝、水冷凝、氣體冷凝、甘醇冷凝和組合冷凝等工藝,其中空氣冷凝具有設備簡單、投資少、能耗大的特點。

2.1R-BTEX工藝

R-BTEX工藝是Radian公司開發(fā)的一套專門用于處理TEG脫水裝置排放氣的冷凝工藝[12],其技術成熟,且在經(jīng)濟、環(huán)保方面已取得較好效果,目前已得到廣泛應用。在該工藝中,再生塔放空的水汽經(jīng)過空冷器、水冷器兩級冷卻,在空冷器中,再生塔頂?shù)呐欧盼镏写蟛糠炙鸵徊糠譄N被冷凝,部分凝液進入水冷器換熱冷凝。該工藝中凝結水的溫度可降至環(huán)境溫度,因此可最大限度地將烴冷凝、回收[3]。

圖5　采用氣提再生TEG的R-BTEX工藝計算模型

由圖6可見,BTEX和VOC排放量隨著汽提氣量的增大而增大。在再生塔塔頂回流比一定的情況下,汽提氣對R-BTEX工藝的能耗(為滿足環(huán)保要求而增加的能耗,即空冷器、水循環(huán)泵的電耗)沒有影響。在保證氣體脫水深度的情況下,減少汽提氣量能夠減少BTEX和VOC的排放。

圖6　汽提氣量對R-BTEX能耗及BTEX和VOC的排放量的影響

2.2Drizo工藝

Drizo工藝采用共沸再生的方法提高甘醇濃度,將BTEX、異辛烷、正庚烷等易揮發(fā)的有機化合物作為共沸劑,

為進一步分析Drizo工藝的能耗和環(huán)保效果,本文建立了Drizo工藝計算模型(圖7)。模擬的基準工況同StripBurn系統(tǒng)工藝計算的基準工況。

由圖8可見,隨著冷凝器冷凝溫度的升高,Drizo工藝的能耗降低。Drizo工藝能耗的主要影響因素是冷凝溫度,BTEX和VOC排放量隨冷凝溫度的升高而增大。重沸器熱負荷隨著冷凝溫度的增大而降低。在BTEX和VOC排放量滿足環(huán)保要求時,可適當提高冷凝溫度以降低Drizo系統(tǒng)能耗。

圖7　Drizo工藝計算模型

圖8　冷凝溫度對露點降、BTEX和VOC排放量、Drizo能耗及重沸器熱負荷的影響

3優(yōu)化脫水工藝

優(yōu)化脫水工藝,改變脫水裝置操作條件,不僅可以節(jié)約能耗[14-15],還可減少甘醇脫水裝置BTEX和VOC的排放。優(yōu)化脫水工藝參數(shù)可主要從減少甘醇對BTEX和VOC的吸收、增大BTEX和VOC的閃蒸以及減少再生塔BTEX的解析等方面考慮[16]。

影響甘醇吸收BTEX和VOC的因素主要有甘醇種類、吸收塔的壓力、溫度。甘醇對重烴的親和力隨著甘醇碳原子數(shù)的增加而增加。因此,采用二甘醇(DEG)和乙二醇(MEG)替換TEG可有效減少脫水裝置BTEX和VOC的排放。如脫水裝置在25 L/kg的甘醇循環(huán)量下操作時,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]。甘醇循環(huán)量是影響重烴吸收量的關鍵因素之一,提高TEG濃度并減小TEG循環(huán)量,是減少BTEX排放的一個行之有效的方法。甘醇對BTEX的吸收隨著原料氣壓力的增大而增加,隨著原料氣溫度的降低而增大。因此,降低吸收塔壓力、提高吸收塔溫度可以減少BTEX的排放。此外,原料氣中水及CO2含量的增加也會減弱甘醇對重烴的吸收[3]。

通過閃蒸可以有效控制VOC的排放,合理的閃蒸條件可以有效解析甘醇所攜帶的重烴。適當提高閃蒸溫度、降低閃蒸壓力可以有效減少VOC的排放,同時也能減少BTEX的排放?？梢酝ㄟ^降低再沸溫度和減少汽提氣量以減少再生塔BTEX的解析。

在滿足天然氣脫水要求的情況下,通過優(yōu)化脫水裝置的運行參數(shù),使BTEX和VOC的排放達到最小[18]。通過優(yōu)化脫水工藝控制BTEX和VOC的排放,可減少投資,充分利用現(xiàn)有裝置的性能,但該方法不能徹底解決BTEX對空氣的污染,因此使用該辦法時可以結合其他工藝,以達到更好的經(jīng)濟、環(huán)保效果。

4其他減排措施

使用其他脫水工藝,如固體吸附法、膜分離法、超音速法等,可以減少甚至消除BTEX和VOC的排放,但需要做詳細的技術經(jīng)濟比較。此外,減少天然氣脫水裝置BTEX和VOC的排放,還可借鑒其他行業(yè)揮發(fā)性有機氣體的控制措施,如吸附法、吸收法、光催化還原法、電暈法、膜分離法等回收處理方法[19-20],考慮到這些措施的經(jīng)濟和技術問題,其在天然氣脫水裝置尾氣處理中的應用還有待進一步研究。

5主要減排措施對比分析

火炬裝置設施簡單,能夠方便地消除BTEX和VOC的污染,但沒有充分利用燃燒產(chǎn)生的熱能,對整套脫水裝置的能耗節(jié)約、脫水效果沒有任何改善,只是單一地解決了脫水裝置的環(huán)保問題。

StripBurn系統(tǒng)充分利用BTEX和VOC,先將其作為汽提氣,后又將其作為重沸器的燃料,在較徹底地消除BTEX和VOC對環(huán)境污染的同時發(fā)揮BTEX和VOC的價值,且脫水效果較好。StripBurn系統(tǒng)在經(jīng)濟、環(huán)保等方面非常有優(yōu)勢,是較經(jīng)濟可行的控制BTEX和VOC排放的措施。

R-BTEX工藝將BTEX冷凝回收,不凝氣VOC一般直接外排,環(huán)保效果受再生系統(tǒng)的影響。TEG脫水裝置中再生系統(tǒng)若僅采取重沸器加熱的常壓再生方法,得到的天然氣脫水深度較淺。若再生系統(tǒng)選用氣提再生,VOC的排放量會增大,此時建議將不凝氣作為燃燒爐的燃料使用。若再生系統(tǒng)選用共沸再生時,共沸劑的選擇需要考慮凝液的處理方案。因此,R-BTEX工藝適用于BTEX含量高的脫水裝置。

Drizo工藝將BTEX作為共沸劑,回收利用了BTEX,但不凝氣VOC一般直接外排,VOC的環(huán)保效果受到影響,建議將不凝氣通往燃燒爐作為燃料使用。

6結論

通過對比燃燒、冷凝回收、優(yōu)化脫水工藝等天然氣脫水裝置BTEX和VOC減排措施可得：

1)燃燒措施簡單易行,投資操作費用低,但不能回收輕烴。

2)冷凝回收的操作運行費用比燃燒的費用高,但可以部分回收輕烴,環(huán)保效果受脫水裝置再生系統(tǒng)的影響。

3)優(yōu)化脫水工藝可以免去對設備的改造,但控制BTEX排放的效果有限,往往需要與其他工藝結合才能達到環(huán)保要求。

(4)從技術經(jīng)濟方面綜合考慮,推薦優(yōu)先考慮StripBurn系統(tǒng)。

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收稿日期：2015-09-11

作者簡介：劉佳(1992-)，女，陜西渭南人，碩士研究生，主要從事油氣田地面工程研究。

DOI:10.3969/j.issn.1006-5539.2016.03.010