LNG装置天然气中酸性气体脱除工艺

桂兵海

(宁夏哈纳斯液化天然气有限公司，宁夏 银川 750021)

天然气在进行液化之前，必须要对其进行一系列的净化处理，脱除其中诸如H2S、CO2、H2O、重质烃(C6+)、Hg等气体及固体杂质，从而避免在液化时的低温状态下，气体、水分等冻结,造成管道和阀门堵塞，并避免对管道及设备产生腐蚀[1]。

天然气预处理的主要目的如下：(1)避免天然气中的酸性气体，诸如SO2、H2S、CO2等对净化和液化设备、管道造成腐蚀；(2)防止在极低的温度下(低于-162℃)水、重烃(C6+烃类)等冻结，从而避免其堵塞深冷设备、管道和节流阀等；(3)保证在极低的温温下，液化装置能够安全、平稳和长周期地运行；(4)提高天然气的热值，满足气体质量标准[2]。LNG装置天然气的净化处理指标见下表1。

表1 LNG装置天然气的净化处理指标

1 天然气中酸性气体脱除过程概述

天然气原料中含有少量CO2和H2S之类的杂质，这些气体杂质被统称为“酸性气体”。天然气还含有少量重烃，比如己烷和庚烷等。为了防止天然气中酸性气体对设备、工艺管线的腐蚀，以及可能在液化单元产生干冰或水合物,堵塞深冷换热器管束和阀门，必须将酸性气体脱除到微量水平，从而使LNG产品合格。

含酸性组分的天然气进入吸收塔底部，由下而上与“胺溶液”接触逆流接触，胺溶液为碱性溶液，吸收酸性气体，从而将酸性气体脱除，这个过程被称为“吸收过程”。此过程发生在叫做“吸收塔”的塔内。

酸性气体被脱除后的天然气(被称为“甜气”)离开吸收塔顶部，进入分离器除去携带的胺液滴后进入净化处理的下一个过程-脱水单元。当“甜气”离开吸收塔顶时，它含低于0.0050 mol%(50 ppmv)的CO2和低于4 mg/Nm3的H2S。

从吸收塔底出来的胺吸收了酸性气体，它被称为“富胺”。必须从富胺中脱除酸性气体，使胺能再次使用。从富胺中脱除酸性气体称为“胺再生”，在被称为“胺再生塔”的塔内进行再生。再生后的胺称为“贫胺”，贫胺经泵加压后进入吸收塔循环使用。

2 天然气中酸性气体脱除工艺的选择

天然气脱除酸性组分的方法有物理吸收法、化学吸收法、联合吸收法、直接氧化法和膜分离法等[3]。在化学吸收法中，醇胺法是目前世界上所使用最广泛的天然气脱酸性气体工艺。醇胺溶液作为化学吸收法中所使用最广泛的吸收剂，有一乙醇胺(MEA)、二乙醇胺(DEA)、二甘醇胺(DGA)、甲基二乙醇胺(MDEA)和二异丙醇胺(DIPA)等。MEA和DEA的腐蚀性较大，再生所需热量大，易发泡，在有机硫存在下会发生降解，因此对醇胺类溶剂可选择一种改良的溶剂-甲基乙二醇胺(MDEA)和活化剂(HEP)的混合溶剂用来脱除天然气中的酸性气体。

MDEA+HEP的混合溶剂相对于其它的脱酸气工艺主要具有以下优势：(1)吸收H2S和CO2的能力强，尤其是在天然气中CO2含量比H2S含量高时，应用活化的MDEA和HEP的混合溶剂效果比较好，同时能脱除部分有机硫；(2)净化度高，被净化的气体中酸气残留非常低；(3)适用性宽，吸附和再生过程中胺液携带损失小；(4)工艺成熟，高反应率，稳定可靠；(5)再生容易，耗能小，再生效果好；(6)成本低。

3MDEA+HEP法脱酸性气体的工艺流程和主要设备

基于国内某处理量为2,000,000 Nm3/d的LNG装置，其吸收塔入口天然气的组成如表2。

表2 某处理量为2,000,000 Nm3/d的LNG装置吸收塔入口天然气的组成

MDEA+HEP法脱酸性气体的工艺流程见图1，它主要包含三个部分。

图1 MDEA+HEP法脱酸性气体的工艺流程图

3.1 吸收部分

天然气自吸收塔C-201底部进入，与从顶部进入的贫胺溶液逆流接触。当酸性气体鼓泡穿过贫胺溶液时，气液接触促进了贫胺对酸性气体的吸收。胺液含酸性气越多，胺变得“更富”。为了避免烃在吸收塔内冷凝，引起塔盘起泡从而影响吸收效率，从吸收塔顶部进入的贫胺温度需要比天然气进气的露点高5～8℃。吸收塔塔底液位在液位调节阀的控制下，将富胺输送到闪蒸罐。

3.2 胺再生部分

3.2.1 富胺闪蒸罐

从吸收塔底来的富胺进入闪蒸罐V-201，大多数被吸收到富胺中的烃被解吸到闪蒸气相。在压力调节阀的控制下，将闪蒸气回收到燃料气系统。闪蒸罐液位在液位调节阀的控制下，富胺被输送到贫/富胺换热器E-202。

3.2.2 贫/富胺换热器

在贫/富胺换热器E-202里，再生塔C-202出来的热贫胺将闪蒸罐出来的富胺加热后，富胺进入胺再生塔。

3.2.3 胺再生塔(汽提塔)

胺再生塔底再沸器E-204产生的蒸汽与富胺溶液逆流接触，将其中的酸性气汽提出来，从而完成了富胺的再生。在胺再生塔底液位调节阀的控制下，热贫胺溶液溢流到贫/富胺换热器。

3.2.4 胺再生塔底再沸器

釜式胺再生塔底再沸器E-204的壳程产生汽提蒸汽，用导热油作为加热介质，在热油流量调节阀的控制下在再沸器的管程进行循环。

3.2.5 贫胺泵

从贫/富胺换热器E-202出来的贫胺溶液通过贫胺泵P-201A/B输送到贫胺冷却器E-201进行冷却。

3.2.6 贫胺加压泵

贫胺加压泵P-202A/B将胺缓冲罐V-205中的胺增压到要求值，并送入到吸收塔。在去吸收塔的贫胺管线上安装流量调节阀，通过调节阀控制进入吸收塔的贫胺流量。

3.3 辅助设施

3.3.1 胺过滤工艺包

贫胺冷却器下游的部分常温胺液被输送到胺过滤工艺包，将固体颗粒、溶解烃以及污染物除去，从而避免这些杂质引起胺系统腐蚀和起泡。

3.3.2 消泡剂注射工艺包

天然气中的酸性气和重烃过高时，胺液有可能起泡。起泡严重时，需要加入少量的消泡剂，因此需设置消泡剂注射工艺包。

4 物料衡算

物料衡算是进、出物料的平衡。MDEA+HEP法脱酸性气体的HYSYS计算模型见图2。

图2 MDEA+HEP法脱酸性气体的HYSYS计算模型

利用AspenHYSYS软件对MDEA+HEP法脱酸性气体进行模拟。吸收塔和再生塔均为浮阀塔。根据吸收塔入口天然气的组成特点，选用质量浓度为37.9%的MDEA和7.6%的HEP混合溶液脱除酸性气体。表3为主要物流的工艺设计参数。

表3 LNG装置酸性气体脱除单元主要物流的工艺设计参数

根据图2MDEA+HEP法脱酸性气体的HYSYS计算模型，所作的物料衡算见表4。

表4 物料平衡

表4(续)

5 结语

本文基于国内某处理量为2,000,000 Nm3/d的LNG装置，通过使用HYSYS模拟软件对MDEA+HEP法脱酸性气体进行流程计算，总结如下：

(1)根据装置处理能力和天然气的组分，确定了MDEA+HEP法脱酸性气体的工艺流程和主要的工艺设计参数。

(2)使用HYSYS模拟软件建立了MDEA+HEP法脱酸性气体的工艺模型，并进行了物料衡算。

(3)当天然气中CO2含量比H2S含量高时，使用MDEA+HEP的混合溶剂对酸性气体的脱除效果比较好。本文采用质量浓度为37.9%的MDEA和7.6%的HEP的混合溶液，加快了MDEA溶液吸收酸性气体的反应速率。吸收塔顶甜气中含CO2为0.375 ppmv,H2S为0.005 ppmv,几乎完全地脱除了CO2和H2S，满足天然气深度净化的要求。