天然氣脫硫工藝的自動控制

吳 洋

大慶油田工程有限公司

天然氣脫硫工藝的自動控制

吳 洋

大慶油田工程有限公司

為滿足管輸或達到商品氣質量要求，需對天然氣中含有的H2S、CO2和有機硫化合物等酸性氣體進行脫除，對大、中型脫硫（碳）裝置而言，一般優先考慮采用醇胺法脫硫。采用醇胺法脫硫工藝流程的主要設備有脫硫吸收塔、再生塔，根據工藝介質條件、工藝設備（脫硫吸收塔、再生塔）的結構特性并考慮工藝設備安全，設置滿足相應工況的自控設備，采用串級調節、分程控制以及超限報警聯鎖等多種自動控制方案，實現最佳脫硫效果，保護人員及工藝設備的安全。

天然氣脫硫；吸收塔；再生塔；自動控制

1 脫硫的定義與方法

從天然氣中脫除酸性組分的工藝過程稱為脫硫、脫碳，習慣上統稱為天然氣脫硫。

脫硫按作用機理可分為化學吸收法、物理吸收法、物理—化學吸收法、直接氧化法、固體吸收/吸附法及膜分離法等。按脫硫劑形態不同可分為固體脫硫法、液體脫硫法[1]。

天然氣脫硫（碳）方法盡管很多，但對大、中型脫硫（碳）裝置而言，一般總是優先考慮采用醇胺法（化學吸收法的一種）。這是因為該法不但技術成熟，而且溶劑來源方便，有很強的適應性，因此是目前使用最多和最為主要的一種脫硫方法。

醇胺類化合物中至少含有一個羥基和一個胺基，羥基可降低化合物蒸汽壓，并增加其在水中的溶解度；而胺基則為水溶液提供必要的堿度，促進對酸性組分的吸收。醇胺與H2S和CO2發生化學反應進而脫除H2S和CO2，反應可逆。

2 天然氣脫硫工藝流程

從氣井來氣首先經過原料氣過濾分離器進入吸收塔，含硫天然氣自吸收塔底由下而上與醇胺液逆流接觸。脫除酸氣后從吸收塔頂部出來，成為濕凈化氣。吸收了H2S的醇胺液叫富液，首先在閃蒸塔內閃蒸至中壓，脫除烴類氣，然后通過貧富液換熱器將貧液中的熱量回收后進入再生塔進行解吸。吸收了H2S的富液在換熱后，由塔的上部進入塔內自上而下流動，與塔底重沸器提供的蒸汽逆流接觸進行傳熱傳質。半貧液從塔中抽出后進入重沸器中加熱，使其部分汽化，以提供塔所需要的汽提蒸汽。當采用熱虹吸式重沸器時，重沸器出口為氣液兩相，并從塔的下部進入塔內，氣相即為向上流動的汽提蒸汽，液相部分流入塔底成為再生貧液。被汽提出來的酸性氣體（主要是H2S、CO2和水蒸氣的混合物）從再生塔頂排出，經回流收集罐冷凝冷卻后分為氣液兩相，氣相（即酸氣）去硫磺回收裝置或CO2回收裝置；液相（即酸性水）打入再生塔頂作為回流，以保持溶液中水組分的平衡并降低溶劑的蒸發損失。塔底貧液通過貧富液換熱器和貧液冷卻器將貧液溫度降低后，通過泵送回吸收塔頂部繼續循環使用。

3 天然氣脫硫工藝與控制

天然氣脫硫工藝自控流程如圖1所示。

（1）脫硫裝置經常發生的腐蝕和溶劑發泡、換熱設備熱阻增加等都與溶液中存在過多的外來物質有關。烴液和固體夾帶物通常是引起吸收塔發泡的原因。此外，加入到氣井中的緩蝕劑、鉆井液及酸化液等都可能帶入裝置而污染溶液，因此原料氣進吸收塔之前應進行分離、過濾。分離器入口設置進裝置原料天然氣超壓聯鎖保護系統。當原料天然氣壓力超過設定值時，聯鎖保護系統開啟放空聯鎖閥。

圖1 天然氣脫硫工藝自控流程

（2）脫硫吸收塔的作用是利用溶劑來吸收天然氣中的H2S從而達到脫硫的目的。工作介質為原料天然氣和脫硫劑（醇胺液）。脫硫吸收塔通常采用浮閥塔。從氣井來的原料天然氣經分離和過濾后，從塔的下部進入，自下而上流動。脫硫劑從塔的上部進入，自上而下流動；兩者在塔板上逆向接觸進行傳質，經數層塔板后，原料氣中的H2S被脫硫劑吸收成為凈化氣，并從塔頂流出。對進吸收塔的原料氣及醇胺液進行流量計量、調節以確保原料氣與醇胺液能夠充分有效地接觸；為保證原料氣計量精度，按照壓力、溫度的變化進行全補償流量計算和累積。脫硫吸收塔的穩定壓力是保證脫硫正常運轉的重要措施，在凈化氣輸出管線上設置壓力控制閥，以維持脫硫吸收塔的穩定壓力。脫硫吸收塔液位是保證脫硫裝置正常運轉的主要參數，當液位過低造成吸收塔高壓氣體竄入低壓閃蒸塔或進入再生塔時，將會造成設備損壞的重大事故。因此，液位控制系統設計應盡可能完善可靠，塔底液位設2個調節閥，當調節閥1不能穩定液位時，調節閥2投入使用，將液位調節到設定值；除設置吸收塔液位調節控制外還應設超低液位聯鎖保護。

（3）脫硫吸收塔的富液進入低壓再生塔，隨著壓力的降低和溫度的提高，在吸收塔中吸收的酸性氣體H2S和CO2被解析出來，完成溶液的再生過程。塔頂的回流比改變是再生塔熱平衡的直接反應，回流比可由塔頂溫度間接控制。通過再生塔底蒸汽流量（主回路）以及塔頂溫度（副回路）串級控制，以流量為主調回路，溫度為副回路，主調回路為定值控制，副回路為隨動控制以達到最佳再生溫度，防止產生溫度過低影響再生效果及溫度過高可能造成的溶液降解等問題。另外回液收集罐的酸水回流控制采用液位調節方式。保證再生塔酸性氣體解析的重要控制點在于保持再生塔壓力穩定，其方法是設置對回液收集罐壓力實行分程控制的調節閥3和調節閥4。正常操作時，控制去硫磺回收裝置的調節閥3；當回收裝置事故聯鎖切斷酸氣時，壓力控制自動過渡到通往酸氣放空火炬的調節閥4，為保證正常運轉時酸氣不泄漏，調節閥4應采用調節切斷型調節閥。

4 結語

由于吸收塔出口的分程調節閥1、調節閥2壓降較大，應采用多級降壓套筒閥[2]。

當回液收集罐的停留時間較長，酸水回流可以采用流量控制，此時回液收集罐可以只設液位指示報警裝置。

在保證再生貧液質量的前提下，為了減少蒸汽消耗量，還可以采用貧液中酸氣質量反饋控制重沸器蒸汽流量的在線質量控制系統。

另外，用塔頂溫度控制來間接控制回流比的方案不是對所有酸氣再生塔都合適的，如在SCOT裝置的再生塔和酸水氣提塔的控制方案中，因塔頂溫度對回流比的變化不敏感而不宜采用。

[1]梁平．天然氣集輸技術[M]．北京：石油工業出版社，2008：129.

[2]程云海，宋海英．大慶油田天然氣凈化廠監控系統設計[J]．中國儀器儀表，2012（S1）：44-47.

（欄目主持 關梅君）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.10.030

2015-04-20