宋曉俊 王洪松 潘旭 尹紅衛(wèi) 劉文超 馬超

中國石油塔里木油田公司

在天然氣開采過程中,汞是一種有害的伴生物,其質(zhì)量濃度通常為1～200 μg/m3,國內(nèi)高含汞氣田的汞質(zhì)量濃度甚至可以達到1 930 μg/m3[1]。降低天然氣中汞含量,脫除天然氣中的汞能夠有效防止汞污染,從而保護人身安全[2-5]。

1 國內(nèi)天然氣脫汞現(xiàn)狀

目前,我國規(guī)定管輸商品天然氣中汞質(zhì)量濃度小于28 μg/m3[6],國內(nèi)外天然氣脫汞工藝主要有化學吸附、溶液吸收、低溫分離、陰離子樹脂和膜分離等[7],其中,化學吸附脫汞工藝在經(jīng)濟性、脫汞效果和環(huán)保等方面均優(yōu)于其他脫汞工藝,可將天然氣中汞質(zhì)量濃度降至0.01 μg/m3,能夠滿足商品天然氣、液化天然氣和天然氣凝液回收對原料氣中汞質(zhì)量濃度的要求,在國內(nèi)外天然氣脫汞裝置中得到廣泛應用[8-11]?；瘜W吸附脫汞工藝中脫汞吸附劑由載體和反應物兩部分構成,其中載體一般是活性炭、氧化鋁和分子篩,反應物為硫、銀、碘等物質(zhì)[12-13]。

為降低含汞氣田開發(fā)成本,大部分含汞氣田采用化學吸附脫汞工藝解決管輸商品天然氣中汞含量超標的問題,高壓脫汞吸附劑的應用已經(jīng)十分成熟,但在天然氣處理過程中汞會滲入到凝析油、富氣、乙二醇、污水、燃料氣等低壓系統(tǒng)中,當對這些介質(zhì)進行加熱、閃蒸等處理時,汞會富集進入閃蒸氣中,形成高濃度低壓含汞閃蒸氣,如果不對低壓閃蒸氣進行脫汞處理就直接排放至大氣,將造成環(huán)境污染,危及人員人身健康[14],國家標準GB 16297-1996《大氣污染物綜合排放標準》要求排放尾氣中的汞及其化合物質(zhì)量濃度不高于12 μg/m3[15]。因此,本研究對化學吸附脫汞工藝中常用的4種高壓脫汞吸附劑對低壓閃蒸氣的脫汞效果進行了現(xiàn)場試驗和評價,篩選出適用于低壓閃蒸氣脫汞的國產(chǎn)吸附劑,形成低壓閃蒸氣脫汞工藝技術,可為低壓閃蒸氣脫汞工藝提供指導和借鑒。

2 低壓閃蒸氣脫汞試驗裝置設計

2.1 試驗現(xiàn)場選擇

為合理設置低壓閃蒸氣脫汞設施,選擇某含汞氣田天然氣處理廠作為試驗和評價的現(xiàn)場,該天然氣處理廠采用J-T閥節(jié)流制冷低溫分離脫水脫烴、注乙二醇防止水合物的處理工藝,主要工藝單元包括脫水脫烴單元、乙二醇再生單元及凝析油穩(wěn)定單元,脫水脫烴單元的工藝流程如圖1所示,自集氣裝置來的原料天然氣從上部進入原料氣預冷器。自乙二醇再生及注醇裝置來的乙二醇貧液通過霧化噴頭霧化,噴射入原料氣預冷器,和原料氣在管程中充分混合接觸后,與自干氣過濾分離器來的冷干氣進行換熱,被冷卻至-5 ℃左右。原料天然氣再經(jīng)J-T閥作等焓膨脹,壓力降至6.4 MPa,溫度降至約-30 ℃,再從中部進入低溫分離器進行分離,分離出液態(tài)含醇液和凝析油。干氣進入干氣過濾分離器進一步分離出夾帶的少量含醇液和凝析油,再進入醇烴液加熱器殼程與原料天然氣逆流換熱,換熱后的干氣輸送至輸氣首站。乙二醇再生采用了塔底重沸器加熱、塔頂冷回流的精餾方法,提濃乙二醇富液使其再生,要求乙二醇貧液質(zhì)量分數(shù)為85%。再生塔塔頂回流罐排出的未凝氣體主要為水蒸氣、CO2、微量乙二醇和烴類,經(jīng)灼燒后排入大氣。再生塔塔頂回流罐排出的污水進入污水池。

通過穩(wěn)態(tài)流程模擬軟件(virtual materials group simulation,VMGSim)對整個天然氣處理工藝系統(tǒng)進行了模擬和實測(見圖2)。從模擬結果可以看出,該天然氣處理站高低壓系統(tǒng)均分布有大量汞,其中,產(chǎn)品氣和乙二醇再生塔塔頂不凝氣是汞聚集最多的地方[16],在所有低壓系統(tǒng)中,乙二醇再生塔塔頂不凝氣中汞質(zhì)量濃度最高,且溫度對汞質(zhì)量濃度的影響較大[17]。模擬數(shù)據(jù)與現(xiàn)場實際檢測數(shù)據(jù)一致,因此,以乙二醇塔塔頂不凝氣為試驗對象具有統(tǒng)計學意義和普適性。

2.2 試驗裝置基礎參數(shù)

2.2.1試驗介質(zhì)工況

某含汞氣田天然氣處理站乙二醇塔塔頂不凝氣相關參數(shù)見表1。

表1 乙二醇塔塔頂不凝氣參數(shù)氣量/(m3·h-1)壓力(G)/MPa溫度/℃汞質(zhì)量濃度/(μg·m-3)處理后汞質(zhì)量濃度/(μg·m-3)25±5% 0.08±5%35±5%20 000±10%≤12

2.2.2試驗裝置工藝流程描述

低壓閃蒸氣脫汞試驗橇包含2組吸附塔,吸附塔與脫汞分液罐并聯(lián)設置,低壓閃蒸氣脫汞試驗裝置流程示意圖如圖3所示,現(xiàn)場照片如圖4所示。低壓閃蒸氣脫汞流程為：自乙二醇再生塔塔頂回流罐來的不凝氣經(jīng)脫汞分液罐下段分液并進入不凝氣加熱器加熱后至脫汞分液罐或試驗裝置吸附罐中,與吸附劑在吸附部分發(fā)生化學反應吸附,汞以化合物的形式從不凝氣中分離,使不凝氣中汞質(zhì)量濃度≤12 μg/m3,不凝氣經(jīng)放空總管再至低壓放空分液罐至低壓火炬燃燒。分別在不凝氣進試驗裝置前管線和在低壓放空分液罐前放空總管上設置取樣點,定期通過高量程汞檢測儀(德國MERRY TRANCKER生產(chǎn),型號為MT-3000IP,量程為0～40 000 μg/m3)跟蹤檢測閃蒸氣中汞含量,當閃蒸氣中汞含量明顯超標時,表明吸附劑達到飽和。

3 吸附劑在低壓閃蒸氣中的脫汞評價

選取4種常用的高壓脫汞吸附劑(進口吸附劑1種,國產(chǎn)吸附劑3種)進行低壓閃蒸氣脫汞效果研究,分別為：進口金屬硫化物吸附劑8805、國產(chǎn)金屬硫化物吸附劑Tg-1、國產(chǎn)金屬硫化物吸附劑DKT813、國產(chǎn)活性炭吸附劑ZS。

低壓閃蒸氣脫汞試驗裝置實際運行參數(shù)如下：閃蒸氣流量(0 ℃,101.325 kPa下)為25 m3/h,閃蒸氣壓力(G)為0.08 MPa,閃蒸氣溫度為35 ℃,閃蒸氣中汞質(zhì)量濃度為20 000 μg/m3,吸附劑裝填量為18.5 L。

3.1 進口金屬硫化物吸附劑8805試驗結果

進口金屬硫化物吸附劑8805共試驗28天,吸附塔出口汞含量情況見圖5。根據(jù)測試結果,吸附劑約25天時開始穿透。卸出后的吸附劑形態(tài)發(fā)生明顯變化,吸附劑存在粉化或開裂等現(xiàn)象(見圖6),使用篩孔直徑為2.0 mm的標準篩篩1 min,將篩下物稱重,計算得出含粉率(w)為13.5%(吸附劑出廠數(shù)據(jù)為≤2%),說明該吸附劑不適用于低壓濕氣工況。

3.2 國產(chǎn)金屬硫化物吸附劑Tg-1試驗結果

國產(chǎn)金屬硫化物吸附劑Tg-1共試驗37天,吸附塔出口汞含量情況見圖7,根據(jù)測試結果,吸附劑約34天時開始穿透。卸出后的吸附劑形態(tài)保持完好,未發(fā)生粉化或開裂等現(xiàn)象(見圖8),說明該吸附劑適用于低壓濕氣工況。

3.3 國產(chǎn)金屬硫化物吸附劑DKT813試驗結果

國產(chǎn)金屬硫化物吸附劑DKT813共試驗31天,吸附塔出口汞含量情況見圖9,根據(jù)測試結果,吸附劑約28天時開始穿透。卸出后吸附劑形態(tài)保持完好,未發(fā)生粉化或開裂等現(xiàn)象(見圖10),說明該吸附劑適用于低壓濕氣工況。

3.4 國產(chǎn)活性炭吸附劑ZS試驗結果

國產(chǎn)活性炭吸附劑ZS共試驗11天,吸附塔出口汞含量情況見圖11,根據(jù)測試結果,吸附劑約4天時開始穿透。卸出后的吸附劑形態(tài)保持完好,未發(fā)生粉化或開裂等現(xiàn)象(見圖12),說明該吸附劑適用于低壓濕氣工況,但脫汞效果較差。

3.5 不同工作溫度下的低壓閃蒸氣脫汞評價

為了考查原料氣中液體含量對脫汞效果的影響,啟動不凝氣電加熱器,在吸附塔中填充國產(chǎn)金屬硫化物吸附劑Tg-1,將進吸附塔的氣體溫度控制在30 ℃(未啟動電加熱器前的閃蒸氣溫度約15 ℃),進氣投運,脫汞試驗結果如圖13所示。

根據(jù)測試結果,30 ℃下國產(chǎn)吸附劑Tg-1約38天時開始穿透,與未啟動電加熱器所測數(shù)據(jù)對比,啟動電加熱器后,吸附穿透時間更長,吸附劑汞容量更大。結果表明,進料氣中液體含量越少,吸附效果越好。

4 結論

通過開展低壓閃蒸氣脫汞試驗,對低壓閃蒸氣脫汞處理有了較全面的認識,對現(xiàn)場汞處理具有一定的指導意義,并得出以下研究結論：

(1) 采用VMGSim模擬軟件模擬天然氣處理工藝所得乙二醇不凝氣中汞質(zhì)量濃度與實測結果接近,汞分布模擬結果對含汞天然氣的設計及生產(chǎn)管理具有一定的指導作用。

(2) 根據(jù)現(xiàn)場試驗結果,用于高壓天然氣脫汞的吸附劑能滿足低壓閃蒸氣脫汞的要求,可達到廢氣中汞質(zhì)量濃度低于12 μg/m3的排放要求。

(3) 在低壓閃蒸氣條件下,金屬硫化物吸附劑脫汞效果明顯優(yōu)于活性炭吸附劑。從4種脫汞吸附劑現(xiàn)場試驗評價結果來看,其脫汞效果從大到小的順序為：國產(chǎn)金屬硫化物吸附劑Tg-1>國產(chǎn)金屬硫化物吸附劑DKT813>進口金屬硫化物吸附劑8805>國產(chǎn)活性炭吸附劑ZS。4種吸附劑中僅進口金屬硫化物吸附劑8805在濕氣條件下易粉化,不適合在濕氣工況下使用。