曹文全 韓曉蘭 王貴清 王國慶 宋 偉中石化西南油氣分公司元壩凈化廠

常規(guī)單塔汽提工藝在火炬裝置中的應用

曹文全 韓曉蘭 王貴清 王國慶 宋 偉
中石化西南油氣分公司元壩凈化廠

介紹了常規(guī)單塔汽提工藝在元壩凈化廠火炬裝置中的運行情況，考察了火炬裝置水封罐的酸性水經(jīng)單塔汽提處理后凈化水質(zhì)的各項指標，對運行過程中出現(xiàn)的問題進行了具體分析并提出對策。該工藝在元壩凈化廠火炬裝置兩年的運行結(jié)果表明，凈化水的各項指標均達到設(shè)計要求，保證了火炬裝置水封罐的酸性水可循環(huán)使用，減少了酸性水排至污水處理廠的量，有利于環(huán)境保護。該工藝在元壩凈化廠火炬裝置的成功應用，可為同類高含硫天然氣凈化廠火炬裝置的改造提供借鑒。

單塔汽提 火炬 凈化水 改造

火炬系統(tǒng)是石油、天然氣、化工、冶金、環(huán)保等行業(yè)生產(chǎn)過程中的安全排放設(shè)施[1]。元壩凈化廠火炬裝置用于處理凈化廠、集氣總站及元壩首站等裝置各種工況下排放的火炬氣，火炬氣在空中點燃，火炬氣中的烴類、H2S及其他硫化物轉(zhuǎn)變?yōu)镃O2、SO2及水等，以減少環(huán)境污染，達到環(huán)保要求。元壩凈化廠火炬高壓最大瞬間放空量為(20 ℃，101.325 kPa，下同)300 000.0 m3/h，低壓最大瞬間放空量為32 646.8 m3/h。為了防止回火，高、低壓火炬放空管道上設(shè)有水封罐，水封罐內(nèi)的水需定期更換，由于排放的污水中含有H2S，設(shè)置火炬酸水汽提裝置處理該酸性水。當放空量較大時，水封罐將會集聚大量的硫化物，此時需要對酸性水進行連續(xù)置換。如果不及時處理置換，當水封罐發(fā)生泄漏時，酸性水中的甲硫醇、H2S等惡臭氣體釋放出來，會造成大氣污染，甚至發(fā)生H2S中毒事件[2-3]。元壩凈化廠火炬酸水汽提裝置是與火炬系統(tǒng)配套的組合工藝，該汽提裝置主要連續(xù)處理來自火炬系統(tǒng)水封罐的酸性水，保證了水封罐的水處于長流、干凈狀態(tài)，實現(xiàn)了水資源的高效回收利用。同時，也提高了高含硫天然氣凈化廠火炬裝置安全運行的穩(wěn)定性。

1 火炬裝置工藝流程簡述

1.1 高壓火炬系統(tǒng)

高壓火炬系統(tǒng)用于處理凈化廠、集氣總站及元壩首站來的高壓排放氣，各排放源排放的高壓排放氣由火炬管收集后通過總管送往火炬進行處理。高壓火炬系統(tǒng)由高壓放空總管、高壓火炬加熱器、高壓火炬分液罐、高壓火炬水封罐、高壓火炬筒及其他附件組成。高壓排放氣自高壓放空總管進入高壓火炬分液罐分液，并在此將可能出現(xiàn)的低溫排放氣升溫，分液后的放空氣進入高壓火炬水封罐，并沖破水封進入高壓火炬筒，經(jīng)流體密封器后進入火炬頭燃燒[4-6]。

1.2 低壓火炬系統(tǒng)

低壓火炬系統(tǒng)用于處理凈化廠、集氣總站及元壩首站的低壓排放氣，各排放源排放的低壓排放氣由火炬管收集后通過總管送往低壓火炬處理。低壓火炬系統(tǒng)由低壓火炬放空總管、低壓火炬分液罐、低壓火炬水封罐、低壓火炬筒及其他附件組成。低壓放空氣自低壓放空總管進入低壓火炬分液罐分液，分液后進入低壓火炬水封罐，并沖破水封與系統(tǒng)來的燃料氣匯合后進入低壓火炬筒，經(jīng)流體密封器后進入火炬頭燃燒。

1.3 備用火炬系統(tǒng)

備用火炬系統(tǒng)由備用火炬分液罐、備用火炬水封罐、備用火炬筒、地面爆燃器及其他附件組成。在高壓或低壓放空筒體、分液罐、水封罐需要檢修時，將高壓或低壓火炬系統(tǒng)切入備用火炬系統(tǒng)。備用火炬系統(tǒng)可以處理輸氣首站、各聯(lián)合裝置的高低壓放空氣，高低壓放空氣自高低壓放空管線進入備用火炬分液罐分液，分液后進入備用火炬水封罐，并沖破水封與系統(tǒng)來的燃料氣匯合后進入備用火炬筒，經(jīng)流體密封器后進入火炬頭燃燒。

2 火炬酸水汽提裝置工藝流程簡述

2.1 工藝流程簡介

自火炬裝置水封罐來的酸性水經(jīng)酸水汽提塔進料/產(chǎn)品換熱器與來自酸水汽提塔底部的凈化水換熱升溫后進入酸水汽提塔。在塔內(nèi)，酸性水與酸水汽提塔重沸器內(nèi)產(chǎn)生的汽提蒸汽在規(guī)整填料中逆流接觸，汽提出所含的酸性氣。酸水汽提塔塔頂氣直接送往火炬燃燒。該汽提塔汽提出的酸性氣主要來自凈化裝置事故泄壓、開停工、檢修時排放的可燃氣體，以及凈化裝置容器經(jīng)壓力控制排出的可燃氣，正常火炬補氣來自凈化裝置凈化后的產(chǎn)品氣，其總硫質(zhì)量濃度≤30 mg/m3，滿足SH 3009-2013《石油化工可燃性氣體排放系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》要求。酸水汽提塔內(nèi)酸性水通過塔釜進入酸水汽提塔重沸器，重沸器采用低壓蒸汽作為加熱介質(zhì)，將酸性水部分汽化產(chǎn)生汽提蒸汽并分離出水中殘留的H2S，汽提蒸汽經(jīng)集液箱升氣管進入規(guī)整填料中層。汽提后的凈化水由重沸器返回酸水汽提塔底部，經(jīng)凈化水泵升壓后，進入酸水汽提塔進料/產(chǎn)品換熱器，與進入酸水汽提塔之前的酸性水換熱降溫，然后在凈化水冷卻器中被循環(huán)冷卻水進一步冷卻至40 ℃后，送出單元至火炬裝置水封罐。圖1為火炬/火炬酸水汽提工藝流程圖。

2.2 酸水汽提塔設(shè)計

根據(jù)元壩凈化廠高低壓火炬放空設(shè)計工況，成功設(shè)計火炬酸水汽提塔，該塔高19.5 m，內(nèi)徑0.6 m，采用250Y規(guī)整填料，填料高度為2.8 m。塔殼體材質(zhì)為S30403，內(nèi)件及填料材質(zhì)均為304L，塔體總質(zhì)量為21 t。

3 火炬酸水汽提裝置運行效果評價

火炬酸水汽提裝置自2014年12月投用以來，各項工藝參數(shù)均達到設(shè)計指標，設(shè)備運行正常，凈化水指標優(yōu)于設(shè)計值。

3.1 設(shè)計物料平衡

本裝置處理火炬水封罐酸性水量為4.8×104t/a。表1為設(shè)計物料平衡情況。

表1 設(shè)計物料平衡Table1 Designvalueofthematerialbalance物料平衡w/%質(zhì)量流量/(t·h-1)質(zhì)量流量/(t·d-1)質(zhì)量流量/(104t·a-1)入方酸性水100.006.000144.0004.800合計100.006.000144.0004.800出方凈化水98.105.886141.2464.709酸性氣1.900.1142.7360.091合計100.006.000144.0004.800

3.2 主要設(shè)計和運行操作參數(shù)

設(shè)計操作工藝參數(shù)見表2。由表2可以看出，火炬酸水汽提裝置主要工藝操作參數(shù)均在設(shè)計指標之內(nèi)。兩年以來，裝置運行平穩(wěn)。

3.3 凈化水指標控制情況

為了考核火炬水封罐內(nèi)酸性水經(jīng)酸水汽提裝置處理后能否滿足水封罐回用水要求，2015年，進行了為期1年的酸性水和凈化水質(zhì)指標跟蹤觀察，每月取樣化驗4次，酸性水中硫化物質(zhì)量濃度約10～20 mg/L，氮化物質(zhì)量濃度約150～200 mg/L，pH值約7～9，COD值約500～1 000 mg/L，凈化水化驗數(shù)據(jù)取其平均值，分析化驗數(shù)據(jù)列于表3。

由表3可知，在為期1年的跟蹤觀察期間，凈化水中硫化物、氮化物質(zhì)量濃度、pH值及COD值各項指標始終在設(shè)計范圍內(nèi)，且符合水封罐回用水的使用要求，降低了污水處理廠生產(chǎn)負荷，有利于環(huán)境保護。

3.4 能耗情況分析

通過兩年的平穩(wěn)運行，對裝置單塔汽提工藝設(shè)計能耗與實際運行能耗進行了對比，見表4。

由表4可知，單塔汽提工藝實際運行能耗低于設(shè)計值，水、電、風能耗與設(shè)計相當，0.35 MPa蒸汽能耗高于設(shè)計值，氮氣能耗低于設(shè)計值。其原因在于：①按原設(shè)計提供的蒸汽量無法滿足凈化水的各項指標均達標的要求，故在實際運行過程中蒸汽量提高了15%，使凈化水各項指標達標，蒸汽能耗也相應提高；②按原設(shè)計，凈化水緩沖罐需維持一定的壓力，將凈化水壓至火炬水封罐，實際運行過程中，該緩沖罐未投用。因此，氮氣能耗降低。

表2 設(shè)計運行參數(shù)Table2 Designandoperatingparameters設(shè)備名稱項目設(shè)計溫度/℃運行溫度/℃設(shè)計壓力(G)/MPa運行壓力(G)/MPa酸水汽提塔進料/產(chǎn)品換熱器酸水進/出38～42/80～8540.6/820.35～0.40/0.30～0.350.38/0.33凈化水進/出100～110/55～60105/59.70.50～0.55/0.20～0.500.54/0.40酸水汽提塔酸水進塔80～85800.30～0.350.31酸氣出塔105～1101060.02～0.050.03凈化水出塔98～1051020.04～0.070.06凈化水冷卻器凈化水進/出55～60/40～4559.7/340.50～0.60/0.40～0.450.52/0.40

表3 凈化水水質(zhì)分析Table3 Waterqualityanalysisonpurifiedwater時間蒸汽量/(kg·h-1)凈化水水質(zhì)ρ(硫化物)/(mg·L-1)ρ(氮化物)/(mg·L-1)pH值COD值/(mg·L-1)1月426.50.0716.58.8337.82月420.70.0815.87.9242.53月453.10.117.27.5532.74月427.60.1119.98.8248.15月435.30.0620.17.7545.66月441.00.0913.27.7547.77月429.30.0410.77.8343.78月418.20.1115.68.8852.49月428.30.0317.68.4249.510月401.60.0516.97.5840.211月419.50.0515.57.8341.112月459.20.0814.78.8547.9設(shè)計值350～400≤0.1≤207～9≤80

表4 能耗分析Table4 Energyconsumptionanalysis項目設(shè)計值標定值能耗折算指標設(shè)計能耗/(MJ·h-1)標定能耗/(MJ·h-1)循環(huán)水質(zhì)量流量/(t·h-1)13.212.94.19①55.30854.051電耗/(kW·h·h-1)7.77.510.89②83.85381.6750.35MPa蒸汽耗量/(t·h-1)0.370.423182①1177.31336.4凝結(jié)水耗量/(t·h-1)-0.37-0.38320.29①-118.50-121.71凈化風體積流量(20℃,101.325kPa,下同)/(m3·h-1)30271.590③47.742.93氮氣體積流量/(m3·h-1)2006.28③188.40能耗合計/(MJ·h-1)---1434.11393.4 注:①能耗折算指標單位MJ/t;②能耗折算指標單位MJ/kW·h;③能耗折算指標單位MJ/m3。

4 應用過程中存在的問題

由于單塔汽提工藝在火炬系統(tǒng)為首次應用，在應用過程中，發(fā)現(xiàn)火炬水封罐水溫偏高、凈化水緩沖罐無液位等問題。

4.1 火炬水封罐水溫偏高現(xiàn)象

4.1.1 原因分析

根據(jù)工藝流程設(shè)計，汽提塔汽提后酸性氣首先進入火炬水封罐，經(jīng)過水封罐后進入火炬筒燃燒。此設(shè)計的目的是為了防止汽提后的酸性氣直接進入火炬筒發(fā)生回火現(xiàn)象。在實際運行過程中，由于汽提后的酸性氣溫度往往在105～107 ℃，溫度如此高的酸性氣進入水封罐，將導致水溫急劇上升，夏季水溫最高可達到90 ℃以上。當裝置發(fā)生大排量火炬氣放空時，大量水蒸氣會隨放空氣進入火炬燃燒，嚴重時會造成火炬熄滅，影響凈化廠安全生產(chǎn)。

4.1.2 解決對策

(1) 降低凈化水溫度。按設(shè)計凈化水經(jīng)過凈化水冷卻器后溫度≤45 ℃，工藝操作控制指標為40～45 ℃。通過工藝操作調(diào)整，提高凈化水冷卻器循環(huán)水流量，將凈化水冷卻器后凈化水溫度控制在約34 ℃(夏季期間循環(huán)水溫度最低只能控制在約32 ℃)。經(jīng)過1周的跟蹤觀察發(fā)現(xiàn)，水封罐的水溫有所降低，比調(diào)整前溫度降低了5～6 ℃，表明單獨采用工藝操作調(diào)整的方法，并不能徹底解決水封罐水溫高的問題。

(2) 氣相流程增加1臺換熱器。在汽提塔頂部至水封罐的氣相流程增加1臺換熱器，將出汽提塔的高溫(105 ℃)酸性氣與循環(huán)水換熱，溫度降至50 ℃后，再進入火炬水封罐(水封罐酸性水中的氨氮主要來自裝置放空時火炬氣攜帶的微量胺液，其主要成分為有機胺。H2S和氨在低溫情況下，容易產(chǎn)生銨鹽結(jié)晶；H2S和有機胺在低溫情況下，不會產(chǎn)生銨鹽結(jié)晶)。經(jīng)模擬核算，改造后水封罐水溫將維持在約40 ℃。目前，換熱器已采購，待停工檢修期間進行技術(shù)改造，改造流程見圖2。

4.2 凈化水緩沖罐無液位

4.2.1 原因分析

根據(jù)工藝流程設(shè)計，汽提后的凈化水通過凈化水泵送至進料/產(chǎn)品換熱器、凈化水冷卻器換熱后進入凈化水緩沖罐，經(jīng)液位控制進入水封罐補水。實際運行過程中，水封罐一直無液位。通過現(xiàn)場流程及設(shè)備布置觀察，發(fā)現(xiàn)凈化水緩沖罐坐落位置明顯高于火炬水封罐(緩沖罐最低點高出水封罐正常液位約1 m)，凈化水靠自重直接進入水封罐，水封罐基本維持在常壓狀態(tài)。因此，水封罐無法維持液位。

4.2.2 解決對策

進行流程改造，將凈化水緩沖罐直接跨接，在緩沖罐進口和出口連接一條跨線，進出口各增加一道閘閥，跨線增加一道閘閥。將緩沖罐隔離后，汽提后凈化水經(jīng)過凈化水冷卻器后直接進入火炬水封罐。改造后，經(jīng)過兩個月的試運行，火炬及火炬酸水汽提裝置運行平穩(wěn)，各項工藝參數(shù)正常。

5 結(jié)論及建議

5.1 結(jié) 論

對于傳統(tǒng)的火炬裝置設(shè)計，相關(guān)配套設(shè)施只有分液罐和水封罐，水封罐采取間歇式補水方式，置換后的酸性水排至污水處理廠進行處理，增加了污水處理負荷。元壩凈化廠設(shè)計并應用單塔汽提處理火炬系統(tǒng)水封罐酸性水的組合工藝，可將酸性水經(jīng)過汽提處理后作為水封罐補充水循環(huán)使用，凈化水各項指標均符合補水標準。單塔汽提工藝在元壩凈化廠火炬裝置中的成功應用，可為新建高含硫天然氣凈化廠火炬裝置提供借鑒。

5.2 建 議

由于該工藝在火炬裝置屬首次應用，現(xiàn)提出以下建議。

(1) 新建火炬裝置在采用該組合工藝時，可取消水封罐的蒸汽加熱盤管。水封罐設(shè)計加熱盤管是為了防止冬季水溫過低而凍結(jié)，阻塞火炬氣排放，采用該工藝可用汽提氣代替加熱蒸汽。

(2) 酸水汽提裝置無需設(shè)置凈化水緩沖罐，汽提后的凈化水可通過凈化水泵直接送至火炬水封罐。

(3) 對于天然氣凈化裝置，在正常生產(chǎn)過程中，火炬水封罐酸性水中硫化物含量較低，只有在事故放空時會集聚大量硫化物?？蓪⑺崴嵫b置由連續(xù)運轉(zhuǎn)優(yōu)化為間歇性運轉(zhuǎn)(按每月取樣化驗分析數(shù)據(jù)進行判斷)，以降低裝置能耗。

(4) 酸水汽提裝置氣相管線增設(shè)取樣器，不定期取樣分析酸性氣組成，用于指導裝置生產(chǎn)操作。

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Application of conventional single tower stripping process in torch device

Cao Wenquan, Han Xiaolan, Wang Guiqing, Wang Guoqing, Song Wei
YuanbaGasPurificationPlant,SouthwestOilandGasCompany,Sinopec,Guangyuan,Sichuan,China

The operation of the conventional single tower stripping process in the torch device of Yuanba Purification Plant was introduced. After the acid water of torch device was stripped by single tower, the purified water indicators were studied and problems analysis and countermeasures in the course of operation were made. The operation results of the process in the Yuanba Purification Plant for two years showed that all the indexes of the purified water reached the design requirements. The acid water of water sealed tank could be recycled in the torch device, the acid water capacity to the sewage treatment plant and the environmental pressure was reduced. The successful application of the technology in the Yuanba Purification Plant could provide reference for the transformation of the torch device in similar high sulfur natural gas purification plant.

single tower stripping, torch, purified water, transformation

曹文全(1981-)，男，山西大同人，工程師，碩士，主要從事高含硫天然氣凈化、硫磺回收技術(shù)研究工作。E-mail：18583378586@163.com

TE992.2

B

10.3969/j.issn.1007-3426.2017.02.003

2016-09-15；編輯：溫冬云