淺析天然氣凈化廠脫硫溶液輕微發泡現象及利用

岳云喆 林萬洲

(中國石油西南油氣田川東北作業分公司，四川達州，636164)

甲基二乙醇胺(MDEA)溶液因具有較高的H2S處理負荷、較低腐蝕性等特點，在天然氣凈化領域得到了較為廣泛的應用，國內外絕大多數天然氣凈化廠脫硫裝置均采用MDEA溶液法或MDEA混合溶液法。同時脫硫脫碳吸收塔通常采用的是浮閥塔盤，其主要原因是它具有處理能力大、操作彈性大、塔板效率高、壓力降小、氣體分布均勻和結構簡單等優點[1]。

MDEA溶液脫除原料天然氣中 CO2和H2S是一個氣液傳質并發生反應的過程，在傳質過程中，會伴有大量氣泡產生，但在正常工況下產生的氣泡會迅速破裂，液層在塔板上維持適宜的高度，氣液兩相在每層塔板上呈錯流且處于高效的接觸狀態，不會影響裝置正常操作。但在日常生產運行中，因原料天然氣攜帶氣井化學劑、脫硫系統腐蝕產物，MDEA溶液自身降解產物等因素存在，導致溶液質量不斷下降。當塔內產生致密的氣泡且氣泡相當穩定而不迅速破裂時，胺液就會趨于發泡[2-4]。

在以往的認知中，溶液發泡是裝置運行異常的一個標志。而本文以西南油氣田某200×104m3/d高含硫凈化廠為例，將對MDEA溶液發泡與產品氣質量關系，以及如何利用溶液發泡進行探討。

1 MDEA溶液輕微發泡對產品氣CO2含量的影響

1.1 影響情況

筆者收集了該凈化廠正常生產運行期間的有關生產數據及趨勢記錄，分別見表1和圖1。

圖1 產品氣CO2含量下降趨勢圖

從表1和圖1可知：在氣質氣量較為穩定、貧液入塔層數一定及溶液循環量不變等情況下，隨著裝置運行，產品氣質量會呈現較為規律的變化，即CO2含量逐漸降低(其中產品氣H2S含量略有上漲趨勢，但不明顯)。

1.2 影響分析

初步分析判斷該現象系MDEA溶液發泡所致：由于溶液發泡且持續，泡沫高度增加，進而延長了原料天然氣與MDEA溶液的接觸反應時間，致使CO2吸收量增加，產品氣中CO2含量下降[5]。

1.2.1 分析驗證

為驗證此現象，采取向系統適量加入阻泡劑。通過對比4次加入阻泡劑后產品氣CO2含量變化趨勢發現：其中存在一定的相似性，如在圖2至圖5中分別羅列2020年4月24日、6月6日、6月23日、7月4日加入阻泡劑后，產品氣CO2含量、吸收塔差壓等參數的趨勢圖。

圖2 2020年4月24日加入阻泡劑后產品氣質量變化趨勢圖

圖3 2020年6月6日加入阻泡劑后產品氣質量變化趨勢圖

圖4 2020年6月23日加入阻泡劑后產品氣質量變化趨勢圖

圖5 2020年7月4日加入阻泡劑后產品氣質量變化趨勢圖

從圖2至圖5可以看出：在向系統加入阻泡劑后，產品氣質量變化較為明顯，特別是CO2含量呈現較為明顯的趨勢——先快速上漲，再下降；然后再相對緩慢上漲，然后再緩慢下降。

1.2.2 趨勢分析

下面以產品氣CO2含量變化為基準，對各段變化趨勢分析：

(1)產品氣CO2含量首次出現上漲

在加入阻泡劑后，由于吸收塔塔盤上溶液泡沫破裂，原料氣與溶液接觸時間降低，進而引起產品氣質量變化，其中CO2含量呈現快速上漲，H2S含量呈現快速下降。

即產品氣H2S、CO2含量趨于反比例關系，其原因是：在一定的溶液組成、溫度和H2S、CO2分壓下，H2S、CO2與溶液之間有一定的酸氣平衡溶解度。當吸收H2S多時，CO2吸收量便會減少[4]。

(2)產品氣CO2含量首次出現下降

阻泡器內阻泡劑投加完畢后，系統內未摻和阻泡劑的其他溶液進入吸收塔(受阻泡劑消泡的溶液還未完成循環)，在塔盤上再次出現發泡，從而導致產品氣CO2含量出現下降。

(3)產品氣CO2含量再次出現上漲

受阻泡劑消泡的溶液，完成再生、循環，再次進入吸收塔。

(4)產品氣CO2含量再次出現下降

受阻泡劑消泡的溶液混合均勻，但在運行過程中，阻泡劑作用逐漸下降或喪失，溶液再次呈現緩慢發泡趨勢。

通過分析產品氣CO2含量變化趨勢時間間隔發現：產品氣CO2含量兩次上漲時間起點較為接近(約30min)，按照溶液系統120m3進行計算(開產時系統加入量)，30min內理論上不能完成溶液系統的一個完整循環，但是溶液系統并不是一個孤立的系統，其在循環過程中，也在進行相互混合，從而縮短了受阻泡劑影響或混有阻泡劑的溶液循環至吸收塔的時間。

另外，按照溶液系統120m3保有量，在每次的循環量情況下，完成一個循環分別需要47min30s、51min48s、49min12s、54min24s，這與產品氣CO2含量首次上漲至再次上漲至最高值的時間間隔較為接近。

雖然上述四次加入阻泡劑后，產品氣CO2含量呈現相近趨勢，但與此同時也存在一些不同之處，產品氣CO2含量變化趨勢時間間隔見表2。

表2 產品氣CO2含量變化趨勢時間間隔表

由表2可知：

(1)2020年4月24日，在產品氣CO2含量第二次上漲至最高值后，立即呈現下降趨勢，其原因是產品氣CO2含量超高，為快速降低該值，對貧液入塔層數進行了倒換，由18層提高至22層。

(2)產品氣CO2含量首次上漲至最高值時間不一致，這跟阻泡劑注入系統的量以及溶液循環量存在一定關系。

(3)4次加入阻泡劑，產品氣CO2含量趨勢總體較為接近，但在其中存在細微不一致，其原因可能是溶液在塔盤上反應存在差異(化學反應存在偶然性)。

分析認為：通過向系統加入阻泡劑現象，可基本認定造成產品氣質量變化的主要因素是溶液發泡。

2 MDEA溶液輕微發泡現象利用

2.1 節能降耗

在原料氣氣質氣量、循環量不變情況下，MDEA溶液發泡，可使溶液更多地吸收原料天然氣中CO2，那么我們是否可利用此現象呢？

筆者通過數據發現：在溶液發泡、產品氣CO2含量降低后，通過調整溶液循環量，一方面可提升產品氣中CO2含量，保障外輸產品氣量，降低裝置系統脫損；另一方面也能降低循環泵功率、重沸器蒸汽耗量、貧液空冷器及水冷器負荷，達到節能降耗之目的。

表3 溶液發泡時調整參數后主要能耗對比表

但受制于溶液酸氣負荷的影響，降低循環量后，酸氣負荷呈現上漲，因此在實際運行過程中，后續需采取調整貧液入塔層數方式，來維持酸氣負荷在可接受范圍內，一般為小于0.6mol/mol[6]。

2.2 溶液發泡程度依據

因溶液發泡引起系統攔液是胺法脫硫裝置發生頻次較高、影響較大的工藝難題，若處理不及時或不合理則易造成產品氣不合格、胺液損失、裝置被迫停產等問題。根據以往經驗，可通過分析吸收塔差壓、閃蒸塔差壓、閃蒸氣流量、產品氣中H2S含量等現象來分析判斷發泡程度[5,7]。

但在實際過程中，筆者發現通過監測產品氣CO2含量、吸收塔液位變化趨勢，更能提前、準確分析判斷溶液發泡程度。

該凈化廠脫硫單元吸收塔液位監控設置有浮筒液位計和差壓液位計，一般情況下采取以浮筒液位計為準對液位進行控制(吸收塔浮筒液位計相較于差壓液位計控制范圍更小，其主要目的是為達到精確控制)。通過歷次溶液發泡情況分析發現：當溶液出現發泡時，差壓液位計顯示液位會逐漸下降；當降低至65%后(正常情況下，差壓液位計顯示值為75%)，發泡現象便逐漸惡化，若不加入阻泡劑，吸收塔液位調節閥開度將出現較大波動，進而引起液位波動，造成進入后續再生塔的富液流量出現不穩定，酸氣流量波動，導致硫磺回收單元配風困難，尾氣SO2排放量增大[5]。

3 結語

通過該凈化廠凈化裝置運行情況收集發現：MDEA溶液在實際生產運行過程中，其周期性發泡是不可避免的，但可研究在產品氣質量以及溶液酸氣負荷可控情況下，如何高效利用該現象，從而達到凈化裝置節能降耗的目的。與此同時，通過收集分析裝置運行參數，使溶液系統發泡現象一直處于可控狀態，從而確保裝置正常運行，更顯得尤為關鍵。

對此筆者建議在后續天然氣凈化廠建設中，可統籌考慮設計貧液及富液過濾系統，同時將活性炭過濾系統由體積龐大的活性炭過濾器優化為濾芯式，以便工廠可較為主動地控制溶液系統中的雜質量，從而使溶液系統發泡處于可控狀態，最終達到高效利用發泡現象之目的。