師博輝 楊 瑞 北京石油化工工程公司西安分公司 西安 710075
從地下采集的天然氣攜帶有水分,對天然氣的生產、輸送、使用都會產生不同程度的不良影響[1]。因此,對天然氣進行脫水是十分必要的。常用的天然氣脫水方法包括:低溫分離、溶劑吸收、固體吸附和膜分離等[2-4]。目前,TEG脫水(屬于溶劑吸收)是應用最廣、技術最成熟的工藝方法[5],具有工藝流程簡單、裝置壓力降小和操作維護方便等優點。本文對傳統的TEG脫水工藝流程進行優化;并利用HYSYS 模擬軟件進行模擬研究,系統分析了原料氣溫度、再生溫度、TEG循環量和汽提氣量等影響因素對TEG脫水效果的影響。分析結果可為已建TEG脫水裝置(采用優化的TEG脫水工藝流程)的操作運行參數的調整提供理論依據。
與傳統的TEG脫水工藝流程相比,本文對傳統的TEG脫水工藝流程進行了部分優化,關鍵工藝優化項比較見表1,優化的TEG脫水工藝流程見圖1。
表1 關鍵工藝優化項匯總表
優化工藝流程描述:
(1)濕天然氣首先進入過濾分離器分離其中的游離液滴及固體雜質后,在吸收塔中經填料段與從塔上部來的貧TEG充分接觸,進行氣-液傳質交換,脫出天然氣中的水分,經塔頂捕霧絲網除去大于5μm 的TEG液滴后出吸收塔。再經氣體-貧液換熱器,與進塔前熱貧TEG換熱,以降低進塔貧TEG的溫度。換熱后的產品天然氣經凈化氣分離器分液后計量外輸。
(2)吸收水分后的富TEG在塔下部流出,通過能量泵,將高壓富TEG變為低壓富TEG去再生塔頂換熱盤管,被精餾柱頂蒸汽加熱至約50℃后進入閃蒸罐,閃蒸分離出溶解在富TEG中的輕烴氣體,該閃蒸氣可作為燃料氣使用。再生塔塔頂盤管兩端連接有旁通調節閥,用以調節富TEG進盤管的流量,從而調節精餾柱頂的回流量。閃蒸后富TEG由閃蒸罐底部流出,經過閃蒸罐液位控制閥,依次進入前過濾器、活性炭過濾器及后過濾器;除去富甘醇中5μm 以上的固體雜質。過濾后的富TEG進入貧-富液換熱器,與由再生重沸器下部TEG緩沖罐流出的熱貧TEG換熱升溫至約150℃后進入精餾柱。在精餾柱中,通過提餾段、精餾段、塔頂回流及塔底再沸的綜合作用,使富甘醇中的水分蒸餾出塔。塔底重沸器溫度為198℃~202℃,TEG質量百分比濃度可達98.5%;采用全進口溫度控制系統,確保重沸器的再生溫度穩定。根據生產需要,可在貧液汽提柱中由引入汽提柱下部的熱氮氣對貧液進行汽提,經過汽提后的貧甘醇質量百分比濃度可達99.5%。脫水以后變為貧TEG溶液,經貧-富液換熱器(全釬焊板式換熱器)、能量泵增壓和氣體-貧液換熱器等設備后進入吸收塔頂部,完成TEG循環流程。
圖1 優化的TEG脫水工藝流程圖
根據工程案例經驗和HYSYS推薦,TEG脫水采用的物性包為Peng-Robinson狀態方程。影響TEG脫水工藝的因素很多,比如:吸收塔的實際板數、原料氣溫度、原料氣含水量、再生溫度、TEG循環量、汽提氣量、TEG降解程度和天然氣的含鹽量等。由多套TEG裝置實際運行情況發現,在設計參數既定的條件下,調整原料氣溫度、再生溫度、TEG循環量和汽提氣量等參數對TEG脫水效果可以起到顯著調節作用,根據實際生產需要調節相關參數,可確保裝置穩定運行、同時降低運行能耗。
模擬計算基本參數,原料氣處理量為100×104Nm3/d,壓力5.0MPa(G),溫度25℃,組成見表2。
下面對原料氣溫度、再生溫度、TEG循環量和汽提氣量等關鍵影響因素進行具體分析。
原料氣壓力一定的條件下,原料氣溫度直接影響進入TEG脫水裝置的水總量,溫度越低所需要三甘醇脫出的水量就越少[6]。在N(理論板)=12,天然氣處理量為100×104Nm3/d,壓力5.0MPa(G),TEG重量百分比濃度98.5%, TEG循環量0.8m3/h工況下, 原料氣溫度對脫水效果的影響見圖2。
表2 原料氣組成
注:天然氣中的含水量為飽和水。
圖2 原料氣溫度-水露點的影響
由圖2數據分析可知,當原料氣溫度小于32℃時,水露點溫度變化較為緩慢;當原料氣溫度超過32℃后,水露點溫度迅速上升。主要原因是當壓力一定時,原料氣溫度升高實際上增大了氣體的流速[6],傳質效果變差使脫水效果明顯下降。另外,溫度過低,吸收塔中TEG粘度增加導致塔效率降低、壓降增加、三甘醇損耗量增加。所以原料氣溫度控制在15~30℃較為合理。
重沸器的TEG再生溫度直接影響貧TEG的濃度,進而影響天然氣脫水效果。在N(理論板)= 12,天然氣處理量為100×104Nm3/d,壓力5.0MPa(G),溫度25℃ , TEG循環量0.8m3/h工況下,再生溫度對脫水效果的影響見圖3。
圖3 再生溫度-水露點的影響
由圖3數據分析可知,隨著再生溫度的增加,水露點溫度降低;但是,考慮三甘醇的理論分解溫度為206.7℃[6],且再生溫度過高,會增加脫水裝置的運行費用。故再生溫度控制在198~202℃較為合理。
TEG循環量直接影響TEG脫水裝置的可脫除水總量,TEG循環量越大可脫除的水量就越多[6]。在N(理論板)= 12,天然氣處理量為100×104Nm3/d,壓力5.0MPa(G),原料氣溫度25℃ , TEG重量百分比濃度98.5%工況下, TEG循環量對脫水效果的影響見圖4。
圖4 TEG循環量-水露點的影響
由圖4數據分析可知,隨著TEG循環量的增加,水露點溫度降低;當循環量大于1.8m3/h時,水露點基本上不再改變。主要原因是TEG 循環量增大的同時也帶入更多的水分,吸收傳質過程的推動力減小,從而影響到脫水效果。故將TEG循環量控制在17~25L/kg即可。
在常壓下,重沸器溫度為200℃時,TEG的濃度可達98.7%[7];但當露點要求較高時,需通過引入汽提氣進一步提高脫水效果。在N(理論板)= 12,天然氣處理量為100×104Nm3/d,壓力5.0MPa(G),原料氣溫度25℃ ,再生溫度200℃,TEG循環量0.8m3/h工況下,汽提氣量對脫水效果的影響見圖5。
圖5 汽提氣量-水露點的影響
由圖5數據分析可知,即使是較小的汽提氣量(15Nm3/h)也能達到較好的TEG再生效果。隨著汽提氣量的增加,水露點溫度降低。主要原因是汽提氣量增加到25Nm3/h后,TEG溶液中基本沒有水供建立新的氣液平衡狀態,即貧TEG溶液濃度基本不變。故需引入汽提氣時,將汽提氣量控制在15Nm3/h即可滿足天然氣脫水要求。
本文對傳統的TEG脫水工藝流程進行優化。如能量泵的引入節約了三甘醇循環泵電能消耗;進口控制閥的引入為三甘醇再生裝置穩定運行提供了保證。利用HYSYS 模擬軟件進行模擬研究,系統分析了原料氣溫度、再生溫度、TEG循環量和汽提氣量等影響因素對優化的TEG脫水工藝的影響,并得出以下結論:
(1)原料氣溫度控制在15~30℃較為合理。
(2)提高再生溫度,可以降低水露點,考慮三甘醇在206.7℃會分解,實際生產中再生溫度控制在198~202℃。
(3)隨著TEG循環量的增加,水露點溫度降低。但是,當水露點要求較高時,僅增加TEG循環量效果不明顯,通常采用增加汽提氣的方式,進一步提高TEG濃度。重量百分比濃度最高可達99.5%。
優化的TEG脫水工藝適合被推廣到限制條件較多的偏遠地區使用。采用上述分析的關鍵操作參數能進一步優化TEG脫水裝置的運行,確保裝置穩定運行、降低裝置運行能耗。