高含硫天然氣凈化廠產品氣H2S含量超標原因及處置措施

丁 鴻

(中國石化達州天然氣凈化有限公司，四川 達州 635000)

普光氣田天然氣凈化廠是目前國內最大的高含硫天然氣凈化廠，原料氣主要成分除甲烷外，還含有13%～18%的H2S，8%～10%的CO2以及含量為340.6mg/m3的有機硫[1]，其中H2S為劇毒氣體，少量吸入即能致人瞬間死亡，還會引起設備和管道的腐蝕和泄漏，污染環境且不利于下游工業生產[2]。因此，對原料氣中的H2S進行凈化脫除，使產品氣中的H2S含量達到國家標準是十分必要的。

普光氣田天然氣凈化廠采用從美國B&V公司引進的凈化工藝，包括脫硫、脫水、硫磺回收、酸水汽提以及尾氣處理5個單元，其中脫硫單元是整個凈化工藝的核心單元，使用甲基二乙醇胺(MDEA)法對原料氣進行脫硫，此法是當前天然氣工業最廣泛應用的脫硫方法[3]。該廠脫硫單元在運行過程中，受各種因素影響，脫硫后的產品氣中H2S含量可能會超標(高于6mg/Nm3)，此時要對不合格的產品氣進行放空燃燒處理，會造成大量的資源浪費。本文結合生產實際，對產品氣H2S含量超標原因進行分析并提出相應的處置措施，對于裝置平穩運行、安全環保以及節能減排具有重要的意義。

1 脫硫單元簡介

1.1 脫硫單元工藝流程

高含硫天然氣自廠外管道進入天然氣過濾器，脫除原料氣中攜帶的液體和固體雜質，然后進入吸收塔，在塔中與質量分數約為50%的MDEA溶液(貧胺液)逆流接觸，對氣體中的H2S和CO2進行選擇性吸收，脫硫脫碳后的濕凈化氣進入脫水單元進行脫水處理后成為產品氣。從吸收塔底部出來的富胺液經過閃蒸罐的閃蒸和換熱器的升溫后進入再生塔，在再生塔中富胺液與重沸器內產生的高溫汽提氣逆流接觸，將富胺液中的H2S和CO2解吸出來，解吸出的酸性氣從塔頂流出進入硫磺單元進行處理。與此同時，從再生塔底部再生出的貧胺液經過換熱器、空冷器、胺液過濾器以及水冷器進行過濾降溫，最終通過胺液循環泵送入吸收塔循環使用。脫硫單元的工藝流程如圖1所示。

圖1 脫硫單元工藝流程

1.2 脫硫單元工藝原理

在吸收塔中，MDEA溶液與高含硫天然氣逆流接觸，在8.3MPa(表壓)、35～45℃的條件下，對天然氣中的H2S和CO2進行選擇性吸收。在再生塔中，富胺液與低壓蒸汽產生的汽提氣逆流接觸，在0.08～0.1MPa、124℃的條件下，將胺液吸收的H2S和CO2解吸出來，再生后的貧胺液循環使用。MDEA溶液對H2S和CO2吸收與解吸的化學反應式如下：

主反應：

副反應：

式中R1為“CH3”，R2為“C2H4HO”。從化學反應式可以看出，MDEA與H2S和CO2的反應均為可逆反應，在吸收塔低溫高壓的條件下，反應向右進行，MDEA將原料氣中H2S和CO2脫除；在再生塔高溫低壓的條件下，反應向左進行，MDEA釋放出吸收的H2S和CO2得以再生并循環使用。

2產品氣H2S含量超標原因分析及對策

在實際生產過程中，原料氣中H2S的吸收會受到各種因素的干擾，導致產品氣H2S含量超標。下文將結合生產實際，多方面分析產品氣H2S含量超標的原因，并提出針對性的處置方法。

2.1 胺液再生不良

胺液再生系統是脫硫單元的核心組成部分，貧胺液對H2S吸收的效果很大程度上取決于富胺液再生的好壞。因此，胺液再生不良是導致產品氣H2S含量超標的主要原因之一。導致胺液再生不良的主要原因為以下幾個方面：

2.1.1 再生蒸汽品質下降

富胺液在再生塔內與低壓蒸汽(0.4MPa，140℃)產生的高溫汽提氣逆流接觸，從而使H2S和CO2從胺液中解吸出來，當再生蒸汽品質下降時，會嚴重影響胺液的再生質量[4]。此時，應采取措施保證再生蒸汽的品質：(1)加強聯合裝置中低壓鍋爐的定排、連排操作，提高低壓蒸汽的產出品質；(2)聯系公用工程供熱系統人員，穩定管網中低壓蒸汽的壓力及溫度；(3)控制好低壓蒸汽減溫減壓調節閥的開度，保證再生蒸汽的壓力和溫度能夠滿足胺液再生的需求。

2.1.2 再生蒸汽流量不足

當再生蒸汽流量不足時，會造成再生塔底和塔頂溫度偏低，基于高溫有利于胺液再生的原理，應采取措施提高再生蒸汽的流量：(1)增加再生蒸汽調節閥開度，提高再生蒸汽流量，將再生塔塔底溫度控制在118～124℃，塔頂溫度控制在92～105℃；(2)疏通凝結水排出流程，及時排出再生蒸汽換熱后產生的凝結水，保證進入重沸器的再生蒸汽流量充足。

2.1.3 再生塔塔器性能下降

在再生塔內，富胺液與低壓蒸汽產生的汽提氣在規整填料中發生傳質、傳熱過程，從而使輕組分H2S，CO2與重組分MDEA得以分離，當再生塔塔器性能下降時，會降低富胺液與汽提氣的傳質傳熱效率，導致貧胺液再生不合格，而再生塔塔器性能下降主要表現為：(1)再生塔攔液，胺液不能順暢流下；(2)再生塔內汽、液接觸不充分；(3)再生塔內胺液成溝流；(4)再生塔集液槽泄漏。當再生塔出現以上問題時，要及時進行停工，對再生塔進行檢查維修。

2.2 胺液質量和性能的下降

脫硫單元在長時間的運行下，胺液中會形成大量的雜質、金屬離子和熱穩定性鹽，使胺液易于發泡，影響胺液對H2S和CO2的吸收性能[5]。胺液質量和性能下降的主要原因有：(1)原料氣攜帶的污染物進入胺液系統；(2)胺液對管道設備長期沖刷產生一定量的金屬陽離子(Ca2+、Mg2+、Fe3+等)；(3)胺液在長期使用過程中因使用不當、操作波動發生降解變質；(4)胺液與氣體中的某些酸性物質發生不可逆反應，產生一定量的熱穩定性鹽。為了改善胺液的質量和性能，應采取這些措施：(1)加強原料氣的預處理，避免原料氣攜帶雜質進入脫硫單元；(2)加強胺液中雜質的過濾，確保胺液過濾量，及時更換過濾器中的活性炭；(3)投用胺液凈化裝置，降低胺液中的金屬陽離子和熱穩定性鹽。

2.3 胺液溫度超過控制范圍

在吸收塔中，胺液對H2S的吸收過程是放熱反應，因此低溫有利于胺液對H2S的吸收，當胺液溫度超過控制范圍，很容易導致凈化氣的H2S含量超標，應及時采取措施調整胺液溫度，保證入吸收塔的胺液溫度在33～38℃范圍內：(1)增加空冷器啟動臺數，增大空冷器的百葉窗開度，及時對空冷器進行清洗除垢，提高空冷器對胺液的換熱效果；(2)增大水冷器的循環水開度，提高循環水流量，將胺液溫度控制在工藝范圍內。

2.4 胺液濃度不合格

胺液濃度對H2S的吸收有一定的影響，胺液中MDEA濃度過高，會減緩H2S的溶解速度，進而降低H2S的吸收效率；胺液中MDEA濃度過低，會減緩H2S的反應速率，使H2S吸收不夠徹底。因此要及時調整胺液濃度，保證MDEA濃度在47%～53%之間：(1)當胺液濃度偏低時，要進行提濃操作，及時從胺液罐區向脫硫系統補充高濃度的胺液；(2)當胺液濃度偏高時，可以直接補充凝結水或較低濃度的胺液。

2.5 氣液比不當

原料氣處理量和胺液循環量適宜的配比(該廠設計值為219)對保證H2S的吸收效果起著至關重要的作用，該廠原料氣處理量滿負荷為12.5×104m3/h，為保證胺液對原料氣中H2S的吸收效果，胺液循環量應保證在500～630t/h范圍內：(1)當原料氣處理量過大時，要降低原料氣處理量；(2)當胺液循環量過小時，要提高胺液循環量。

3 結語

高含硫天然氣凈化廠產品氣H2S含量超標的主要原因是脫硫單元胺液對H2S吸收效果不好，本文針對影響胺液吸收H2S的主要因素，找出抑制H2S吸收的主要原因，并提出對應的解決措施，能夠有效提高脫硫單元對H2S的吸收，避免產品氣因H2S含量超標而放空，保證天然氣凈化裝置能夠高效平穩運行。