天然气处理装置脱汞工艺选择

2022-09-12

产自油气田的天然气一般均含有多种杂质, 如水、汞、硫及二氧化碳等, 这些杂质将对下游工艺产生影响, 必须进行脱除处理才能使用。汞广泛存在于自然界, 是常温下唯一呈液态的银白色金属, 又称“水银”, 原子量200.59, 沸点356.9℃, 凝固点低 (-38.8℃) 、密度是水的13.6倍, 常温下就能蒸发。由于汞不溶于水, 故水封不能有效阻止其蒸发。汞不溶于盐酸及稀硫酸, 不与碱液反应, 但能溶于脂质, 能溶于多种金属, 如金、银、锡等, 生成合金——汞齐 (amalgam) , 加热汞齐使汞蒸发, 即可得另一种纯净的金属, 是贵重金属的提取方法之一。汞的粘度小, 易流动, 无孔不入, 在生产或使用蒸气可吸附于衣物、墙壁、木材上, 扩大了污染。目前国内外文献普遍认可将天然气中的汞含量降低到低于0.01ug/m3, 可以达到要求。

天然气处理厂的生产装置包括分子筛脱水、膨胀制冷、重接触塔、脱乙烷塔、脱丁烷塔、储运等生产设施, 最终产品为干气、液化石油气和稳定轻烃, 干气管输至下游各民用及工业用户, 液化石油气及稳定轻烃装车外运。制冷单元是轻烃回收的核心工艺, 经分子筛脱水后的天然气与来自重接触塔顶的干气、低温分离器分出的凝液进行换热, 冷却至-45℃, 回收干气和凝液的冷量, 冷却的原料气进入膨胀机膨胀降温到-93℃左右, 再进入重接触塔中分离出干气, 凝液进入分馏单元回收轻烃和液化石油气。图1为天然气处理中轻烃回收装置制冷单元流程示意图。

制冷单元的低温换热一般采用铝制板翅式换热器[2], 具有结构紧凑、传热效率高、传热温差小等优点, 在轻烃回收装置中通过铝制板翅式换热器可充分回收低温干气的冷量, 提高C3回收率。但铝制板翅式换热器不适合气中含汞高的天然气, 天然气中的汞对其具有极强的腐蚀性, 必须进行脱汞或者使用不锈钢材质的管壳式换热器。轻烃回收装置的原料气冷箱 (铝制板翅式换热器) 设计原料气出口温度为-45℃, , 若使用不锈钢管壳式换热器代替冷箱, 在同样的设计条件下, 原料气仅能冷却至-25.9℃, 换热效果较差, 影响轻烃回收装置液化石油气 (LPG) 的产量。利用ASPEN HYSYS软件对轻烃装置进行模拟, 模拟冷箱出口原料气温度对轻烃回收装置C3收率的影响。图2为原料气冷却温度对轻烃回收装置C3收率的影响图。

如上图2所示, 原料气出口温度由-45℃升到-25.9℃, 那么装置C3收率将由95.46%降低到55.35%。因此, 为避免天然气中的汞对冷箱的腐蚀, 同时不影响轻烃回收装置C3回收率, 必须设置脱汞装置, 使天然气中汞含量小于0.01 ug/Nm3[1]。

1 天然气脱汞工艺

目前, 天然气脱汞工艺有溶液吸收、膜分离、阴离子树脂、低温分离、化学吸附等。溶液吸收脱汞效果差, 吸收夜腐蚀性强, 吸收容量低;膜分离脱汞深度低, 处理能力有限, 原料气压力不能太高, 不能有液态物质存在;阴离子树脂脱汞处理量有限, 技术不成熟, 工业化应用较少;低温分离脱汞是利用低温分离原理实现脱汞, 如上所述使用不锈钢材质的换热器代替冷箱, 将液态的汞从天然气中分离出来, 但不锈钢材质的换热器会造成换热效果的降低;化学吸收脱汞工艺在天然气脱汞中广泛应用, 化学吸附脱汞工艺主要有载硫/银活性炭、载银分子筛、金属硫化物、金属氧化物等[2]。

1.1 载硫/银活性炭

载硫/银活性炭脱汞是将反应物硫或银均匀分布在活性炭上, 活性炭上的反应物与汞反应生成汞齐并停留在活性炭载体上, 从而脱除天然气中含有的汞[3]。该法广泛适用于天然气及其他含有汞的废气。其化学反应式如下:

载硫/银活性炭化学吸附脱汞法必须对天然气进行预处理, 脱除原料天然气中的游离水、油、固体杂质等, 以防止这些物质破坏活性炭床层或降低脱汞效率。要求天然气水露点小于-70℃, 因此必须放在分子筛脱水系统后。载硫活性炭不可再生, 可将天然气中的汞含量降低到0.01μg/Nm3;载银活性炭脱汞效果比载硫活性炭好, 银能促进活性炭床层的活性, 载银活性炭可以通过再生气吹扫进行再生, 但载银活性炭造价较高, 适用于天然气流量大, 深度脱汞的情况。典型的活性炭脱汞剂有BASF公司的Selexsorb®HG、UOP公司的GB-562S (载硫活性炭) 、国产载硫活性炭。对于非再生式在使用一定年限后交由供货厂家统一处理或送城市危险物处置中心处理。

根据载硫/银活性炭的原理及特性, 天然气必须先经过脱水处理后才能进入脱汞器进行脱汞, 因此脱汞器可以设置在分子筛脱水单元的下游, 经脱汞的天然去制冷单元。

1.2 金属硫化物/氧化物脱汞剂

金属硫化物/氧化物脱汞剂的原理是利用常温下的天然气中的汞与金属氧化物或硫化物反应生成汞的化合物, 从而脱除天然气中含有的汞。其是将金属硫化物附着在载体上 (一般为氧化铝) 或在特定条件下活化的金属和原料气中的H2S反应生成硫化物。化学反应如下:

从化学反应的机理可以看出, 天然气中的H2S有利于反应的进行, Hg反应吸附后不会被带回到天然气中。但是反应生成水, 会造成天然气中水含量升高。因此氧化物脱汞装置必须设置在脱水单元之前。典型的专用脱汞剂有BASF公司的Puristar R3-15S型氧化物脱汞剂和Johnson Mathey Catalysts公司的PURASPEC新型脱汞剂。

金属硫化物/氧化物脱汞剂使用后不可再生, 使用一定期限后交由供货厂家统一处理。

根据金属硫化物/氧化物脱汞剂的原理及特性, 脱汞器必须设置在分子筛脱水单元的上游, 经脱汞的天然去分子筛脱水后进入制冷单元。

2 脱汞方法比较和推荐

上述分别对载硫/银活性炭吸附脱汞和金属硫化物/氧化物脱汞剂吸附脱汞特点及工艺流程进行了介绍, 以下分别对两种方法中的载硫活性和金属氧化物脱汞剂进行技术比较表 (表1) :

3 结语

通过对天然气处理装置脱汞工艺的分析, 为避免天然气中的汞对冷箱的腐蚀, 防止天然气下游用户使用时对环境产生污染及对人体的伤害, 同时不影响天然气处理时轻烃回收装置C3回收率, 必须合理设置脱汞装置。目前, 针对天然气处理装置, 化学吸附脱汞工艺较为成熟, 在天然气处理装置中广泛应用。但选用何种脱汞工艺及脱汞剂, 需要按照天然气处理装置的功能、天然气中汞的含量、天然气处理工艺单元的设置、轻烃的回收率、脱汞剂的来源及废弃脱汞剂处理方式等综合考虑, 做到安全、经济、环保全面兼顾。

摘要：产自油气田的天然气中的汞会对铝制板翅式换热器造成腐蚀[1], 引发气体泄漏, 危害天然气处理装置的安全操作, 另, 天然气中的汞还会造成下游用户的污染。因此, 必须对天然气进行预处理, 移除其中的汞。本文通过对几种脱汞方法的原理及特点进行分析比较, 提出适合天然气脱汞预处理的工艺选择原则。

关键词：天然气,汞,腐蚀,脱汞,吸附剂