劉淵,李樹國,江志華,汪大林
(中海油研究總院有限責(zé)任公司,北京 100028)
隨著海上油氣田的開發(fā),某海上油氣田陸地終端進站天然氣的組分發(fā)生變化,CO2摩爾分數(shù)由原來的低于3%升高為13%~16%,現(xiàn)有流程無法降低天然氣中的CO2含量,因此終端需新建一套脫碳裝置,使外輸天然氣中CO2摩爾分數(shù)降至3%以下,經(jīng)過脫碳工藝方案比選,脫碳工藝選擇為活化MDEA胺法,該工藝在再生塔塔頂回流罐有一股高含CO2尾氣排放,該尾氣中含有少量揮發(fā)性有機物(Volatile Organic Compounds, 簡稱VOCs)。
VOCs 已是當(dāng)前我國重點區(qū)域特別是北方地區(qū)大氣污染物PM2.5 與O3生成的主控因子[1]。陸上石油天然氣開采行業(yè)作為環(huán)保部門監(jiān)管的重點行業(yè),VOCs 污染物的排放也受到了越來越嚴(yán)格的限制,GB 39728—2020《陸上石油天然氣開采工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》已與2021年1月1日實施,新建項目均要采取相應(yīng)的綜合治理的措施。
本文對某陸地終端天然氣脫碳改造項目的VOCs 綜合治理方案進行了多方案比較,對天然氣胺法脫碳廢氣組成、氣量進行了系統(tǒng)分析,按照脫碳尾氣特點及項目特點,推薦采取蓄熱式催化氧化工藝處理該脫碳尾氣。
1)組分。進脫碳裝置天然氣組成如表1 所示。
表1 進站氣組分
2)進站壓力:3.1 MPaA。
3)進站溫度:3.4~18.6 ℃。
凈化氣出裝置CO2摩爾分數(shù):≤2.8%。
終端進站海管來物流經(jīng)預(yù)處理單元、脫汞單元、分子篩脫水單元處理后進入輕烴回收裝置,回收輕烴后的天然氣經(jīng)干氣增壓單元增壓后計量外輸,新增脫碳裝置選擇在脫汞單元之后,脫水單元之前。增加脫碳裝置后的終端天然氣處理工藝流程框圖詳見圖1。
圖1 天然氣處理系統(tǒng)脫碳改造工藝流程框圖
自進站預(yù)處理單元(段塞流捕集器、生產(chǎn)分離器)來的需脫碳天然氣(3 050 kPaA)經(jīng)過濾分離器除去天然氣中夾帶的機械雜質(zhì)和游離水后,與吸收塔塔頂氣換熱,自下部進入吸收塔與自上而下的貧胺液逆流接觸,天然氣中大部分CO2被脫除,濕凈化氣中CO2摩爾分數(shù)≤2.8%,出塔濕凈化氣(溫度約56 ℃,2 920 kPaA)經(jīng)氣氣換熱器與進脫碳單元原料氣換熱后進入凈化氣分離器分液、除去游離水后,去已建的分子篩脫水裝置進行脫水。
吸收塔底出來的富胺液(72 ℃,2 970 kPaA)經(jīng)液位控制閥降壓至600 kPaA,進富液閃蒸罐閃蒸,罐頂閃蒸氣進入已建燃料氣系統(tǒng),罐底富胺液經(jīng)貧富液換熱器換熱至約84 ℃進入進再生塔解析再生,由再生塔底部抽出進再生塔塔底重沸器加熱至約91 ℃,加熱后的MDEA 溶液返回再生塔,再生塔底的MDEA 貧液通過貧液提升泵增壓至700 kPaA 進入貧富液換熱器與富液換熱,再經(jīng)貧液空冷器冷卻至50 ℃,部分MDEA 貧液經(jīng)胺液過濾系統(tǒng)濾除雜質(zhì)后返回貧液提升泵入口,其余MDEA 貧液進入貧液增壓泵增壓至3 100 kPa 后進入吸收塔頂部。
再生塔塔頂酸氣經(jīng)塔頂冷卻器冷卻至45 ℃后進再生塔頂回流罐,分出的CO2氣經(jīng)VOCs 處理裝置后由40 m 高排氣筒放空,分出的液體經(jīng)再生塔頂回流泵增壓后回流至再生塔頂部。
根據(jù)排放標(biāo)準(zhǔn),脫碳尾氣經(jīng)VOCs 處理裝置處理后其VOCs 排放質(zhì)量濃度需要低于80 mg·m-3,排放速率需要低于21.3 kg·h-1。
天然氣脫碳處理裝置工藝流程簡圖見圖2。
圖2 天然氣脫碳處理裝置工藝流程簡圖
采用HYSYS 軟件(V11)對脫碳工藝流程進行模擬,得出不同進站組分下脫碳尾氣的組成見表2,該尾氣壓力為130 kPaA,溫度45 ℃,飽和含水。
由表2 尾氣組成可知,不同工況下脫碳尾氣中VOCs 濃度差距不大,脫碳尾氣氣量6 194~7 395 m3·h-1,非甲烷總烴質(zhì)量濃度范圍為 669~824 mg·m-3,429~531 μg·g-1,該尾氣為低熱值、低 VOCs 含量的廢氣。
表2 典型工況下脫碳尾氣組成表
由于本項目天然氣脫碳裝置為擴建裝置,建設(shè)在處理廠預(yù)留區(qū),本文脫碳尾氣處理裝置有以下難點:
1)項目為改擴建項目,裝置占地面積受限,要求尾氣處理的設(shè)備占地盡可能小。
2)尾氣處理裝置需要滿足防火間距要求。
3)要求裝置最好能穩(wěn)定運行,以降低運行成本。
4)尾氣中 VOCs 需降至 80 mg·Nm-3以下。
目前VOCs 末端治理方法眾多,可分為回收法和破壞法兩類[2],回收技術(shù)包括吸附技術(shù)、吸收技術(shù)、膜技術(shù)、冷凝技術(shù)等;銷毀技術(shù)包括熱力燃燒技術(shù)、催化燃燒技術(shù)、生物技術(shù)、低溫等離子技術(shù)、光催化氧化技術(shù)、納米材料凈化等。對于低濃度的VOCs,目前有很多的治理技術(shù)可以選擇,如吸附濃縮后處理技術(shù)、吸收技術(shù)、生物技術(shù)等,或采用組合技術(shù)進行深度凈化。
本項目脫碳尾氣中非甲烷總烴質(zhì)量濃度小于 1 000 mg·m-3,主要含有甲烷、C2~C6烴類,且排放質(zhì)量濃度要求小于80 mg·m-3,廢氣VOCs 濃度低且排放濃度要求較為嚴(yán)格,一般宜采用燃燒(氧化)破壞法進行最終處理,處理方案包括蓄熱燃燒(RTO)、蓄熱式催化氧化(RCO)、熱力燃燒(TO)、焚燒爐等。
蓄熱燃燒法(RTO)是將廢氣加熱到760 ℃以上[3],廢氣中的有機物在高溫下發(fā)生氧化反應(yīng),使廢氣中的碳氫化合物變成CO2和H2O,直接排放到大氣。蓄熱系統(tǒng)通常利用蜂窩狀的陶瓷體作為蓄熱體,將氧化反應(yīng)過程所產(chǎn)生的熱能通過蓄熱體儲存并用以加熱待處理廢氣,充分利用有機物燃燒所產(chǎn)生的熱能,和常規(guī)燃燒技術(shù)相比,蓄熱燃燒技術(shù)可以大大降低設(shè)備能耗。
蓄熱式催化氧化(RCO)技術(shù)在蓄熱室中添加催化劑床層以達到降低反應(yīng)所需活化能的效果,從原本所需的760 ℃以上降至 200~500 ℃,具有更高的熱效率也更加安全[4],和常規(guī)催化燃燒技術(shù)相比,蓄熱式催化燃燒技術(shù)主要應(yīng)用于較低濃度(一般在500~3 000 mg·m-3之間)有機廢氣的凈化。
熱力燃燒(TO)是采用熱力高溫焚燒方式,廢氣通過燃燒器送入焚燒爐,在燃料燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔鈨?nèi)燃燒分解。因為廢氣熱值不高,正常運行階段需要一定的燃料維持爐溫。燒嘴需要燃燒燃料用來提供大量熱量,同時保證爐溫控制在溫度控制在850~950 ℃,燃料的用量隨著廢氣量的多少而變化。
經(jīng)初步選擇,本文選擇蓄熱式催化氧化(RCO)、蓄熱燃燒(RTO)、熱力燃燒(TO)方法進行比選,各方案優(yōu)缺點見表3。
表3 脫碳尾氣處理工藝對比表
RCO、RTO 及TO 處理工藝均可以將脫碳尾氣處理達標(biāo)排放,由于RTO 及TO 工藝屬于明火設(shè)備,設(shè)備布置應(yīng)該遠離易燃易爆危險區(qū),安全距離按明火設(shè)備要求,需要距離脫碳主裝置區(qū)25 m,本項目為改造項目,廠區(qū)可利用空間有限,RTO 及TO 工藝無空間可利用,因此脫碳尾氣選擇三室RCO 工藝,蓄熱式催化氧化工藝流程框圖詳見圖3。
圖3 蓄熱式催化氧化工藝流程框圖
三室RCO 工藝共有三個并列的蓄熱室,操作時一室進氣、一室吹掃、一室排氣,通過程序控制的換向閥進行各室的切換,脫碳尾氣首先經(jīng)預(yù)處理單元去除尾氣中的顆粒物,經(jīng)排風(fēng)機依次進入蓄熱室和催化床,在加熱室將廢氣加熱至合適溫度,與吹掃室引入的空氣混合后進入第三室的催化床進一步反應(yīng),再經(jīng)蓄熱床層回收熱量后經(jīng)排氣筒排放。
1)根據(jù)模擬計算,對活化MDEA 胺法脫碳尾氣組成進行分析,該尾氣非甲烷總烴質(zhì)量濃度范圍為669~824 mg·m-3,429~531 μg·g-1,該尾氣為低熱值、低 VOCs 含量的廢氣。
2)通過尾氣處理工藝對比,結(jié)合本改造項目具體情況,該脫碳尾氣選用RCO 工藝進行處理,滿足達標(biāo)排放的要求。