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        天然氣凈化廠氣質(zhì)達(dá)標(biāo)工藝改造能耗與節(jié)能措施分析

        2021-12-09 06:45:44程思杰吳懈紀(jì)文楊海紅董棲君羅圣潔李薇
        石油石化節(jié)能 2021年11期
        關(guān)鍵詞:硫黃消耗量尾氣

        程思杰 吳懈 紀(jì)文 楊海紅 董棲君 羅圣潔 李薇

        (1.西南油氣田分公司安全環(huán)保與技術(shù)監(jiān)督研究院;2.國(guó)家能源高含硫氣藏開(kāi)采研發(fā)中心安全環(huán)保技術(shù)研究所;3.西南油氣田分公司天然氣凈化總廠;4.西南石油大學(xué)土木工程與測(cè)繪學(xué)院)

        1 改造背景

        隨著天然氣、尾氣污染物排放最新標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布和環(huán)保要求的日益嚴(yán)格,各天然氣凈化廠都面臨產(chǎn)品氣和尾氣不達(dá)標(biāo)的困境,西南油氣田分公司提出了對(duì)天然氣凈化裝置產(chǎn)品氣和尾氣升級(jí)改造的總體方案。

        新版本《天然氣》(GB 17820—2018)對(duì)進(jìn)入長(zhǎng)輸管道的天然氣的高位發(fā)熱量、總硫、硫化氫和二氧化碳指標(biāo)提升顯著,氣質(zhì)要求見(jiàn)表1。

        表1 新標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品氣氣質(zhì)要求

        新版本《陸上石油天然氣開(kāi)采工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 39728—2020)于2020 年12 月8 日正式發(fā)布,該標(biāo)準(zhǔn)明確了SO2排放濃度限值的要求見(jiàn)表2。

        表2 SO2排放濃度限值要求

        綜上所述,針對(duì)目前西南油氣田典型天然氣凈化廠(例如萬(wàn)州、宣漢等)實(shí)際生產(chǎn)情況,已不滿(mǎn)足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求,需對(duì)現(xiàn)有凈化裝置進(jìn)行升級(jí)改造[1-5]。

        2 工藝介紹

        2.1 天然氣凈化廠A氣質(zhì)達(dá)標(biāo)改造工藝

        A 凈化廠原有2 列300×104m3/d 凈化裝置,總凈化能力600×104m3/d,采用MDEA 脫硫、TEG 脫水、超級(jí)克勞斯硫黃回收工藝,硫黃回收率99.2%。改造前硫黃回收裝置尾氣SO2排放濃度約8 500 mg/m3、排放速率約32 kg/h。

        A 凈化廠氣質(zhì)達(dá)標(biāo)改造方案:新建1 套尾氣處理裝置,用于處理硫黃回收裝置克勞斯尾氣和液硫池廢氣,裝置的設(shè)計(jì)處理能力與A 凈化廠2 套硫黃回收裝置的規(guī)模匹配。裝置采用Cansolv 工藝,處理后尾氣可以達(dá)到400 mg/m3的SO2排放標(biāo)準(zhǔn),A 凈化廠尾氣處理工藝流程見(jiàn)圖1。

        圖1 A凈化廠尾氣處理工藝流程

        2.2 天然氣凈化廠B氣質(zhì)達(dá)標(biāo)改造工藝

        B凈化廠原有三列天然氣處理裝置,日處理天然氣900×104m3,采用Sulfinol-M 脫硫、TEG 脫水、克勞斯硫黃回收、串級(jí)SCOT 尾氣處理工藝。改造前產(chǎn)品氣總硫含量較高(約120 mg/m3),運(yùn)行尾氣排放SO2濃度500~800 mg/m3。

        B凈化廠氣質(zhì)達(dá)標(biāo)改造方案:將脫硫裝置脫硫溶劑更換為Sulfinol-X 溶劑,增加對(duì)COS 等有機(jī)硫的深度脫除,但由于COS 與CO2類(lèi)似且酸性弱于CO2,導(dǎo)致CO2被同步深度脫除。Sulfinol-X 溶劑不能應(yīng)用于高含CO2的加氫尾氣選擇性脫除H2S,所以原串級(jí)SCOT 工藝不再適用,必須改為獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)SCOT 工藝。故將尾氣處理裝置溶劑改為MDEA溶液,并增加單獨(dú)的溶液再生系統(tǒng),處理后尾氣可以達(dá)到400 mg/m3的SO2排放標(biāo)準(zhǔn)。

        2.3 天然氣凈化廠C氣質(zhì)達(dá)標(biāo)改造工藝

        C 凈化廠原有1 套200×104m3/d 凈化裝置,采用MDEA 脫硫、TEG 脫水、CPS 硫黃回收工藝,硫黃回收率99.25%。改造前產(chǎn)品氣總硫含量較高(75.7 mg/m3)。原設(shè)計(jì)原料天然氣中H2S 含量為30~60 g/m3,CO2為50~100 g/m3,隨著開(kāi)采的持續(xù)進(jìn)行,原料氣氣質(zhì)發(fā)生了較大變化,原料氣中H2S、CO2含量不斷升高,現(xiàn)兩者含量分別為73~83 g/m3和158~164 g/m3。另外,上游原料氣的組分種類(lèi)也發(fā)生了變化,經(jīng)取樣檢測(cè),原料氣中含有羰基硫、二硫化碳、甲硫醇、乙硫醇、硫醚等有機(jī)硫組分總含量達(dá)到186.8 mg/m3,其中COS含量達(dá)到132.2 mg/m3,且將來(lái)的氣質(zhì)可能還會(huì)有變化。因此,有必要針對(duì)新氣質(zhì)條件對(duì)C凈化廠目前脫硫工藝及配套設(shè)施進(jìn)行改造。

        C 凈化廠氣質(zhì)達(dá)標(biāo)改造方案:新建羰基硫水解+二次精脫硫裝置,與原有MDEA 脫硫裝置聯(lián)合進(jìn)行H2S、CO2和有機(jī)硫的脫除;由于現(xiàn)有硫黃回收裝置處理能力的限制,新建脫有機(jī)硫裝置后為滿(mǎn)足產(chǎn)品氣達(dá)標(biāo),凈化廠適當(dāng)降量運(yùn)行;尾氣處理工藝采用氧化吸收工藝技術(shù),處理后尾氣可以達(dá)到400 mg/m3的SO2排放標(biāo)準(zhǔn)。C 凈化廠改造后工藝流程見(jiàn)圖2。

        圖2 C凈化廠改造后工藝流程

        3 工藝改造能耗分析

        天然氣凈化廠的能源消耗主要包括電力、天然氣,水(蒸汽)等,其中,蒸汽為廠內(nèi)部發(fā)生,電力為外購(gòu),消費(fèi)的天然氣為自產(chǎn)。凈化廠雙達(dá)標(biāo)工藝改造后新增能源消耗量主要與改造工藝相關(guān)[6-8]。

        3.1 脫硫工藝改造相關(guān)能耗分析

        B凈化廠對(duì)脫硫裝置進(jìn)行改造,采用Sulfinol-X溶液。更換脫硫溶劑后,由于溶液循環(huán)量的減少,水、汽等消耗量有所減少。但由于尾氣裝置需選用標(biāo)準(zhǔn)SCOT 工藝,并新增1 套獨(dú)立再生系統(tǒng),導(dǎo)致全廠的蒸汽及電能消耗明顯增加。

        C 凈化廠新建1 套脫有機(jī)硫系統(tǒng)(包括COS 水解裝置及精脫硫裝置),處理原脫硫裝置出口的濕凈化氣。新增蒸汽消耗主要用于再生塔重沸器,新增電力消耗主要用于泵等動(dòng)設(shè)備。

        3.2 硫黃回收工藝改造相關(guān)能耗分析

        B 凈化廠硫黃回收裝置改造后新增能耗為蒸汽,主要用于新增空氣預(yù)熱器和中壓蒸汽噴射器。

        A 凈化廠、C 凈化廠未對(duì)硫黃回收工藝進(jìn)行改造,在此不作分析。

        3.3 尾氣處理工藝改造相關(guān)能耗分析

        A凈化廠新增尾氣處理工藝:尾氣處理裝置新增天然氣消耗量用于尾氣灼燒爐燃燒器的用氣,新增電力消耗量主要用于更換及新增的風(fēng)機(jī)、泵等動(dòng)設(shè)備。

        B凈化廠尾氣處理裝置改造后新增電力消耗量主要用于新增的泵等設(shè)備,新增蒸汽消耗量主要用于再生塔重沸器。

        C凈化廠新建尾氣處理裝置,改造后新增天然氣消耗量主要用于尾氣灼燒爐,新增電力消費(fèi)量主要用于新增的泵等動(dòng)設(shè)備。

        3.4 改造后新增綜合能耗及單耗

        改造后各天然氣凈化廠新增綜合能耗及單耗見(jiàn)表3。

        表3 凈化廠改造后新增綜合能耗

        由表3可知,三個(gè)凈化廠的主要能耗都來(lái)源于天然氣,A凈化廠新增年綜合能源消費(fèi)量2 127.07 t,B凈化廠新增年綜合能源消費(fèi)量13 440.95 t,C凈化廠新增年綜合能源消費(fèi)量13 444.19 t。

        4 改造工藝節(jié)能措施分析

        天然氣凈化廠氣質(zhì)達(dá)標(biāo)工藝改造,主要是根據(jù)各凈化廠的升級(jí)需求對(duì)脫硫工藝、硫黃回收工藝、尾氣處理工藝進(jìn)行新建或改造,除此以外,還可以根據(jù)新增或改進(jìn)的工藝流程,選擇適應(yīng)性較強(qiáng)的節(jié)能措施,達(dá)到有效降低生產(chǎn)能耗的目的[9-10]。

        4.1 脫硫工藝節(jié)能措施分析

        在產(chǎn)品氣氣質(zhì)條件滿(mǎn)足要求的前提下,應(yīng)優(yōu)先考慮將脫硫劑更換為高效復(fù)合型脫硫劑。該改造工藝具有以下特定:基本不需要改動(dòng)原有工藝裝置,減少了投資成本;高效復(fù)合型脫硫劑具有選擇性好、溶液酸氣負(fù)荷高、能耗低、溶劑蒸汽壓低的特點(diǎn);可有效降低溶液循環(huán)量,貧胺液泵的電力消耗量、冷卻貧胺液耗用的循環(huán)冷卻水量及富液再生的蒸汽消耗量。以B凈化廠為例,其改造工藝就是將原來(lái)的脫硫劑Sulfinol-M 溶液更換為高效脫硫劑Sulfinol-X溶液,該工藝其本身就是一種節(jié)能措施。

        對(duì)于原料氣有機(jī)硫含量較高的凈化廠,采用更換高效復(fù)合型脫硫劑方案,在不改造原脫硫裝置的前提下,原料氣的處理能力有可能會(huì)大幅度降低。以C凈化廠為例,其原料氣中羰基硫含量較高,選用更換高效復(fù)合型脫硫劑而不進(jìn)行其他工藝改造的情況下,原料氣處理量降低到改造前的46.5%。綜合考慮處理規(guī)模和產(chǎn)品氣氣質(zhì)要求,C凈化廠選用了新建COS水解及精脫硫裝置的方案。該方案保證了原料氣處理規(guī)模,保留了凈化廠原有脫硫裝置,新建裝置相對(duì)獨(dú)立,若采用模塊化改造,可縮短工期。

        4.2 尾氣處理工藝節(jié)能措施分析

        A 凈化廠、C 凈化廠尾氣處理工藝采用氧化吸收法,B 凈化廠尾氣處理工藝采用還原吸收法(SCOT)。兩種方法在能源消耗和能源利用方面有一些共同點(diǎn),均可采用的節(jié)能措施如下:可以利用余熱鍋爐回收燃燒器余熱生產(chǎn)蒸汽,氧化吸收法工藝可利用尾氣灼燒爐設(shè)置余熱鍋爐,還原吸收法可利用SCOT燃燒器設(shè)置余熱鍋爐;可設(shè)置貧/富胺液換熱器,提高了富胺液的熱量回收率,降低了再生塔重沸器的蒸汽消耗量;再生塔塔頂冷凝器采用空冷式冷凝器,減少了新鮮水消耗量;再生塔重沸器排出的蒸汽凝結(jié)水進(jìn)行了回收,減少了新鮮水消耗量。

        簡(jiǎn)化凈化、回收工藝,如選擇同一高效溶劑共用原再生塔、回收裝置合二為一,從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度看,有利于節(jié)能降耗、安全平穩(wěn)、降低操作強(qiáng)度。

        5 結(jié)論

        1) 為滿(mǎn)足新版本《天然氣》(GB 17820—2018)、《陸上石油天然氣開(kāi)采工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 39728—2020)標(biāo)準(zhǔn)要求,天然氣凈化廠氣質(zhì)達(dá)標(biāo)工藝改造后,各凈化廠年綜合能源消費(fèi)量均有所上升。

        2)各凈化廠氣質(zhì)達(dá)標(biāo)工藝改造應(yīng)根據(jù)各自氣質(zhì)條件,在保證產(chǎn)品氣滿(mǎn)足新的天然氣氣質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)、尾氣SO2排放濃度限值的前提下,盡量有效利用原脫硫裝置、尾氣處理裝置,減少工藝設(shè)備的改動(dòng),達(dá)到減少投資成本,降低能耗的目的。

        3)凈化廠的常規(guī)節(jié)能措施同樣適用于改造工藝,除此以外,需拓寬思路,探索引入節(jié)能新工藝、新設(shè)備,提高能源利用率。

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