探析脫除酸性氣體工藝在LNG項目中的影響因素

摘" " " 要： 作為液化天然氣當中一個重要的環節，脫除天然氣組分中的酸性氣體是十分必要的。以某天然氣液化項目為研究對象，從脫除酸性氣體的目的、工藝流程和脫酸過程中的影響因素及調整方法等方面進行論述，為天然氣液化項目中生產管理及現場操作人員提供借鑒和參考。

關" 鍵" 詞：天然氣；酸性；液化；工藝流程

中圖分類號：TE644" " " " 文獻標識碼： A" " "文章編號： 1004-0935（2023）05-0694-04

脫除酸氣技術方法有很多，主要分為物理吸收法、化學吸收法、直接轉化法、物理和化學聯合吸收法等[1]。本文所研究的天然氣液化項目中主要采用化學吸收法，將弱堿性溶液作為吸收劑，與來自上游天然氣（國家二類標準）中的酸性氣體發生化學反應，形成化合物。當吸收了酸性氣體的溶液溫度升高、壓力降低時，該化合物中的酸性氣體即被分解釋放出來[2]。脫除酸性氣體工藝主要是為了凈化天然氣以滿足液化工藝要求。

通過對各種技術方法進行比較總結，結合本項目的實際應用情況，選用活化劑N-甲基二乙醇胺（MDEA）作為吸收劑脫除項目中天然氣的酸性氣體，并以吸收法為基礎，采用可再生胺液（以胺為原料按水、MDEA、活化劑比例50%∶15%∶35%混合而成的水溶液）對原料氣中的酸性氣體進行" 脫除。

天然氣液化項目主要工藝流程是將上游天然氣處理廠引入的天然氣經過調配、脫酸凈化和液化等一系列工藝處理，深冷至低溫液態成為LNG，再送入LNG儲罐儲存，最后經LNG泵裝車外輸。當上游處理廠或海上平臺檢修時，LNG儲罐內液化天然氣經加壓氣化后進入長輸管道或周邊直供氣干管以滿足下游用戶的要求。

1" 脫除酸性氣體的目的

1.1" 具有腐蝕性

由于天然氣原料氣組分中具有大量的酸性氣體和機械雜質。其中以二氧化碳、硫化氫為代表的酸性氣體具有很強的腐蝕性。當其溶解于液體中會發生反應形成酸液，會加大對天然氣管道、器材及設備的腐蝕而影響其使用壽命。

1.2" 對環境造成污染

硫化氫是一種毒性較大的氣體。含有硫化氫的天然氣燃燒時，會產生很強的異味，當其燃燒所生成的二氧化硫等化合物泄漏在外部環境時，會產生嚴重的環境污染，導致接觸人員中毒，嚴重者危及生命安全[3]。隨著我國“雙碳”目標的提出，對環境的重視提到前所未有的高度，因此綠色化工是化工企業得以發展及創新的趨勢[4]。

1.3" 不利于LNG的運輸

二氧化碳是一種無機物，不能燃燒，無熱值。其運輸和液化都將增大LNG的成本，在很大程度上影響天然氣管道輸送效率，降低天然氣熱值，生成水合物，因此必須將其脫除。尤其以LNG槽車運輸最為明顯，不僅增加了運輸及采購成本，還在一定程度上存在著儲運風險，不利于槽車的安全運行和裝卸。

1.4" 影響天然氣液化效果

由于酸性氣體冰點溫度較高，如不能對其進行有效處理，在天然氣液化過程中易凝結成固體并積聚在LNG冷箱內。長時間如此工作會造成LNG冷箱內部低溫換熱器內的流道和低溫管道的流通能力下降、壓力降增加，并將對正常生產帶來不利影響。

1.5" 增加了設備的保養和維修成本

眾所周知，機器設備的高效運轉離不開對設備的保養和維修。不能有效脫除酸性氣體是十分危險的，酸性氣體的腐蝕性和液化中易產生的天然氣水合物都不利于設備、管道及工藝流程的正常運轉，一定程度上增加維護保養的成本支出，嚴重時還必須通過停機甚至停產的方式進行檢修，難以保證天然氣液化的出產率。

2" 項目脫酸工藝流程簡述

2.1" 天然氣脫碳單元

由天然氣首站導入的天然氣原料氣經過原料氣空氣冷卻器和原料氣過濾器分別進行降溫和過濾雜質處理。然后通過吸收塔與再生好后的活化MDEA溶液（貧液）進行充分接觸，使其組分中脫除二氧化碳[5]。最后經空冷器、氣液分離器及過濾器后將過濾精度在5～10 μm之間的凈化氣送入脫硫脫汞單元。

2.2" 脫硫脫汞單元

受天然氣液化工藝流程影響，硫和汞需要嚴格脫除[6]。來自脫碳單元的天然氣進入本項目的脫硫脫汞塔進行作業，自下而上進入，最終通過活性炭粉塵過濾器精細過濾（其過濾精度可達99.5％）后，送至脫水脫苯單元。脫硫脫汞塔為雙塔，可根據工作效果，并聯或串聯投用。

2.3" 脫水脫苯單元

本單元通過脫水脫苯處理以避免在天然氣液化過程中形成冰堵設備和管線的情況發生。天然氣通過吸附凈化塔塔內的吸附劑將氣體中的水分和苯吸附下來，合格的天然氣直接進入液化裝置。吸附凈化塔采用雙塔流程，脫水深度可達1×10-6（體積分數），一塔吸附，一塔再生。該流程通過天然氣液化廠自動控制系統根據工廠的產量設定運作周期進行工作，一般時間安排為8 h一個周期，其中用于再生的吸附凈化塔加熱4 h，冷卻3.9 h，雙吸附0.1 h。

2.4" 溶液再生單元

本單元的主要目的即是完成胺液由富胺液轉化為貧胺液這一過程。吸收大量二氧化碳的MDEA溶液（富液）進入閃蒸罐進行閃蒸，將溶液中的輕烴和部分二氧化碳閃蒸出去。然后通過貧富液換熱器與再生塔和再沸器裝置進行工作，并在再生塔內進行汽提再生，直至使其產生達到符合濃度指標的貧液。同時，富集在再生塔底部的MDEA溶液由再沸器排出時，所含的二氧化碳基本脫除，然后經過貧富液換熱器換熱、貧液泵加壓、貧液空冷器降溫后，送至吸收塔，從而完成溶液再生循環。再生塔頂部排出的氣體主要成分為二氧化碳，先經二氧化碳空冷器將溫度降低，然后經過二氧化碳氣液分離器分離氣體及液體，頂部氣體經硫化氫吸收罐將達標氣體排放至外界，而底部流出的凝結液體利用回收泵回到氣液分離器塔頂或送至閃蒸罐。

3" 脫酸氣過程中的影響因素及調整方法

3.1" 吸收塔

吸收塔主要目的是脫除天然氣中的以二氧化碳為代表的酸性氣體，使氣體含量達到天然氣液化的標準。可以通過氣動閥門調節的方式控制吸收塔塔內液位及壓力、進吸收塔的貧液流量來保證吸收塔運行正常，得到合格產品。

3.1.1" 吸收塔塔內液位及壓力

吸收塔塔內液位對于整個脫除酸性氣體效果及系統流程安全運營有著極大的影響，本項目吸收塔液位有效控制在600～1 400 mm之間。液位過低會降低反應的應用空間，影響脫碳的效果，對后續的流程造成不利影響；液位過高易發生溢出風險，液體進入氣道，因此可通過吸收塔底部液位控制閥進行調節，保證其液位控制在合理范圍之內。

壓力高使得原料氣氣體中的二氧化碳分壓就越大，增大吸收的推動力，有助于二氧化碳在溶液中溶解，進而有助于吸收效果和反應速度。反之，壓力低不利于吸收，效果和反應速度也不佳。因此可通過調節吸收塔進氣管線的調節閥來進行控制，以便達到提高氣體凈化度的要求。

液位與壓力的調節閥均以氣動調節為執行機構，既注意了天然氣易燃易爆的特性，又避免突然停電而造成的不安全因素[7]。

3.1.2" 進吸收塔的貧液流量

吸收塔的貧液量如果過少，會使得出塔天然氣中的二氧化碳含量超標。所以，要采取一定的必要措施防止因為貧液流量較少而造成的LNG液化效果不佳。可利用項目中貧液泵功率及其出口旁路管線上的流量調節閥控制加大流量，使其滿足吸收塔此時所需的貧液流量。如還是難以達到出吸收塔天然氣酸性氣體含量的標準，可通過化驗的方式，按比例配置胺液，然后通過循環將其均勻地混合在一起，待化驗合格后將其導入到脫酸工藝流程系統中，及時增加貧液的供給量。

3.2" 閃蒸罐

閃蒸罐是天然氣脫除酸性氣體中一個重要環節。在閃蒸的作用下，將該項目系統中的已經充分吸收二氧化碳并在一定高壓的環境下的富胺液由3.9 MPa降壓至0.5 MPa左右，將輕烴和一部分二氧化碳閃蒸出來，其效果將直接影響脫碳及后續工作對胺液處理的工藝要求，同時對于酸性氣體的回收也有一定的影響[8]。

以本項目為例，利用閃蒸原理和閃蒸罐的作用，通過閥門調節的方式控制進閃蒸罐壓力及液位來滿足后續工段對胺液處理的操作要求，使其正常運轉。同時，該罐具有向系統內補充胺液的功能。

3.3" 再生塔及再沸器

再生塔與吸收塔在機構上都屬于填料塔，以金屬孔板波紋作為填料。相較于吸收塔內的介質為天然氣和MDEA溶液（貧液），再生塔則是二氧化碳、MDEA溶液和水蒸汽。再生塔主要作用將吸收二氧化碳等酸性氣體富液重新再生為具有吸附酸氣能力的貧液。而再生塔塔底設有再沸器，在導熱油的作用下使其內部的胺液加熱、沸騰、蒸發，最終產生大量的蒸發氣回到再生塔對胺液（富液）進行汽提再生制作貧液，達到指標[9]。

本項目的再生塔及再沸器通過控制再生后貧液的濃度、再生塔上部出口管道壓力、再生塔和再沸器液位來得到合格的再生貧液。

3.3.1" 再生后胺液的濃度

再生后貧液的濃度與塔上升蒸汽溫度相關，塔上部溫度與導熱油向再沸器內輸送的熱量相關。導熱油來自本項目的導熱油系統，屬于中溫導熱油，通過將再沸器內的溫度加熱至115 ℃左右使其發生效果。因此，再生后貧液的濃度可以通過調節向再沸器供熱的導熱油旁路管線上的控制閥進行控制，以避免反復調節導熱油系統油溫而帶來的不必要波動[10]。

3.3.2" 再生塔上部出口管道壓力

再生塔上部出口設有空冷器和二氧化碳氣液分離器用以處理排出的二氧化碳。受工藝要求影響，胺液再生適宜在較低的操作壓力下（0.08 MPa左右）進行，同時不能低于操作壓力下限，以免造成貧液泵入口壓力過低而容易產生氣蝕的現象。因此，可通過調節二氧化碳氣液分離器后壓力調節閥進行 控制。

3.3.3" 再生塔和再沸器液位

再沸器為管殼式換熱器，其與再生塔底部相連通，液位也由再生塔內的液位所控制。因而，兩個裝置的液位可以通過胺液循環系統及補充系統進行控制。同時液位高低設有報警值，當出現異常液位時，中控室將收到發送信號，以便工作人員采取措施防止液位不當造成的危害。

3.4" 其他方面

相較于上面較為主要的設備，天然氣脫碳單元還有空冷器、氣液分離器、過濾器和泵等配套設備。因此，有效地把握胺液溫度、濾除胺液中的機械雜質及相對分子質量較高且成液態的烴類物質等因素也顯得十分重要[11]。

4" 結 論

本文通過結合該LNG項目中脫除酸性氣體工藝的實際工作，著重總結分析其影響因素，得到下列結論：

1）利用現有的工藝技術，安全有效地進行LNG生產過程中脫除酸性氣體是液化天然氣前十分重要的環節。

2）采用自動化控制操作，在很大程度上確保了天然氣凈化單元及其他單元正常生產運營，避免事故的發生。

3）相關工藝流程中液位、壓力、溫度和流量等因素應在合理范圍內。

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Abstract：" As an important part of natural gas liquefaction ， it is necessary to remove acid gas from natural gas components. Taking a natural gas project as the research object， the purpose of acid gas removal， process flow， influencing factors and adjustment methods in the process of acid removal were discussed， which could provide some reference for production management and field operators in natural gas liquefaction projects.

Key words： Natural gas; Acidic; Liquefaction; Technological process