目前国内外应用较为广泛、技术较为成熟的脱水工艺有低温分离、固体吸附和溶剂吸收三种方法, 其中固体吸附法中的分子筛脱水对处理高酸性气体具有良好的安全与环保性[1]。重庆气矿凉风站是一个囊括天然气集输、脱水的综合性场站, 主要负责高峰场酸性气田天然气的脱水, 该站建有一套从加拿大Enterprise Steel Fabricators Ltd公司引进的50×104 m3/d分子筛脱水装置, 该装置采用湿气再生, 吸附剂选用美国UOP公司生产AW-500型抗酸分子筛, 加热装置采用美国GTS能源公司生产的加热炉, 燃料气采用本站脱硫后的净化气, 自控系统采用AB Controllogix PLC控制系统。
引进的分子筛脱水装置包括2个橇:过滤分离橇和吸附橇。原料气首先进入过滤分离撬, 以过滤除去混杂在其中的固体颗粒和直径大于或等于0.3 μm的液滴。经分离后的原料气分为处理气和再生气两部分:处理气直接经吸附撬脱水成为干气出站; 再生气流经GTS加热炉加热到分子筛再生所需的温度, 再流入再生塔内, 从上至下, 汽提出床层中的水分; 湿热的再生气进入空冷器, 冷凝出水分, 随后在两相分离器中把水分离出去, 再生气与进入吸附撬前的处理气混合形成原料气, 即完成整个非闭合式循环过程[2] (见图 1)。
根据高峰场气田的高含硫天然气生产能力和酸性天然气的硫化氢含量, 结合现场实际, 该套装置的设计参数和技术要求如表 1。
因现阶段高峰场气田的产能问题, 分子筛处于未满负荷生产运行状态(具体参数见表 2)。经考核, 装置运行状况良好, 试运期间装置出现高含硫气体泄漏的问题, 具体问题及整改情况详见表 3。
湿气入塔温度对装置的脱水效果影响很大, 在一定压力下, 天然气温度越高, 其饱和含水量越大[3], 相应的分子筛的脱水负荷就越重。本套装置设计根据当时该区域天然气最大气流温度(综合考虑地温)而设计的塔径、分子筛的装填量等参数, 综合参考以前的生产数据, 设计的入塔温度为30℃。
出塔温度高低是判断Orbit阀门截断性能好坏的关键参数。进出吸附塔的8只Orbit开关球阀, 受4个电磁阀控制, 实现再生吸附塔的自动切换。为防止阀门内漏而引起热量串塔, 保障分子筛良好的再生效果, 吸附塔出口设计联锁温度60℃。试运期间, 平均入塔温度17.3℃, 平均出塔温度17.9℃, 因分子筛脱水是放热的过程[4], 所以微小的温度差异表明了控制塔倒换的Orbit球阀良好的截断性能。
再生气温度是影响分子筛再生效果的一个重要参数, 过高的再生温度会缩短分子筛的使用寿命, 过低的再生温度无法让分子筛完全再生, 厂家UOP建议AW-500型分子筛的再生气入口温度为288℃[2]。在试运初期, 再生温度设置值为280℃, 此时分子筛加热时间需要7 h, 再生速度慢, 测试再生结束时的干气露点为2℃, 露点值偏高。在以满足分子筛自身温度要求和干气露点达标的前提下, 根据现场调试, 再生温度控制在285℃~295℃之间, 分子筛具有良好的再生效果, 脱水后的干气露点达到-10℃以下的设计要求。
再生气流量应根据吸附塔加热和冷却状态的进出口温度, 并综合考虑吸附周期等参数来确定, 过低的再生气流量会在分子筛床层出现沟流现象, 局部分子筛不能达到再生。生产运行实践表明, 再生气流量控制在总处理气量的6%~10%, 具有良好的再生效果。
干气露点是衡量脱水装置运行效果的主要指标。随着吸附过程的推进, 分子筛的露点值呈现逐渐升高的趋势[5]。
分子筛脱水装置的主要能耗指标包括:电能和燃料气。经检测, 该套装置的日均电能消耗251 kWh、日均消耗燃料气532 m3, 因每日加热炉处于加热的时间长短差别, 日燃料气消耗的高低限值差异较大, 但都远低于设计电能耗损指标579kWh/d、燃料气消耗指标1392 m3/d, 2008年11月份具体消耗量见表 4。
(1) 功能完善的自控保护系统。该套装置处理的是高含硫气体, 所以装置安全性能、自动化控制程度高, 共有15个仪表回路、8个自动调节回路和7个联锁回路, 主要分为设备故障、温度、液位、压力四大类控制回路, 能够较好地保护分子筛吸附剂、脱水装置设备, 保障分子筛良好的再生效果。
(2) 良好的空冷系统。该套装置采用电机强制通风, 并运用自动调节阀门根据再生气出口温度来控制百叶窗的开度, 形成对流, 冷却再生气。在实际生产运行过程中, 再生气进入空冷器的最高温度达到226℃, 与空冷器电机风扇产生的冷空气进行传热, 温度降至25℃, 冷却效果明显, 确保了脱水装置良好的运行效果。
(3) 良好的过滤系统。本装置过滤分离器采用引进的聚结型滤芯, 能够聚结细小液体和上游增压机组的润滑油, 过滤效率能够达到0.3 μm的绝对过滤级别, 现场实际过滤效果良好。
(4) 良好的环保性。分子筛脱水装置没有再生气附加处理问题, 再生气脱除分子筛中的水分后经过冷凝进入分离器, 分离出的水排入加装有盖板和呼吸管的污水池或通过回注处理, 对大气污染小。
(5) 橇装设备具有占地面积小、布局紧凑、安装快捷、易搬迁等优点。
加热炉配风风机、空冷器风机运转模式仍需完善。在设计生产运行模式下, 加热炉的配风风机、空冷器的冷却风机一直处于运转工作状态, 而在实际的生产过程中, 当吸附塔进入到冷却模式时, 仅0.5 h就可以把加热炉的出口温度冷却到周围环境温度, 而以后冷却过程的4.5 h配风风机仍一直处于运行状态; 就空冷器电机风扇而言, 在进入到冷却阶段3.2 h左右, 再生气的出塔温度就可以冷却到周围环境温度, 在此后冷却过程的1.8 h的时间里, 空冷机仍一直处于运行状态, 因此该种工作方式增加了电能的损耗。
(1) 引进的50×104m3/d分子筛脱水装置试运行考核结果表明, 装置的主要工艺参数达到设计要求, 脱水效果明显, 脱水后干气露点较低。
(2) 具有良好的环保性。分子筛脱水装置再生气返回原料气中, 没有再生气附加处理问题, 环境影响小。
(3) 引进的50×104m3/d分子筛脱水装置的流程简单, 操作方便, 自动化控制程度高。
(1) 对于处理含杂质较多, 气流中携带油性物质的天然气, 建议加密上游井站的排污次数或采用多级分离的方法来提高原料气气质, 防止污物进入到脱水系统。
(2) 建议完善加热炉配风风机、空冷器风机的运转模式。根据具体温度, 实现风机的定点启停, 减少能耗。
(3) 在工况发生改变时, 应综合分析吸附塔加热和冷却状态的进出口温度曲线, 并结合吸附周期、吸附过程结束时的干气露点值来调整再生气流量和加热炉出口温度, 减少燃料气的消耗, 同时保障分子筛最佳的再生性能。
(4) 因脱水装置易损件及消耗材料昂贵, 为了节约成本和保障生产急需料的及时供应, 建议将脱水装置的易损件和各种消耗材料尽快国产化, 如滤芯、AW-500型分子筛等。
2010, Vol. 39 Issue (4): 284-287
2010, Vol. 39 Issue (4): 284-287