含汞气田低压闪蒸气脱汞试验.pdf

含汞气田低压闪蒸气脱汞试验宋晓俊 王洪松 潘旭 尹红卫 刘文超 马超中国石油塔里木油田公司 摘要:目的 筛选出适用于含汞天然气处理站低压闪蒸气的脱汞吸附剂。方法 通过VMG S i m软件模拟汞在天然气处理站中的分布,选取西部某含汞气田天然气处理站作为试验场地,设计建设了1套低压闪蒸气脱汞试验装置,并通过现场试验的方法测试了4种常用高压脱汞吸附剂在低压闪蒸系统中的脱汞效果。结果采用VMG S i m模拟软件模拟汞在天然气处理工艺中的分布结果与实测结果接近,对含汞天然气的设计及生产管理具有一定的指导作用;用于高压天然气脱汞的吸附剂能满足低压闪蒸气脱汞达标排放的要求;金属硫化物吸附剂脱汞效果明显优于活性炭吸附剂。结论 筛选出了适用于低压闪蒸气脱汞的国产吸附剂,形成了低压闪蒸气脱汞工艺技术,可为低压闪蒸气脱汞工艺提供指导和借鉴。关键词:天然气;脱汞;低压闪蒸气;吸附剂;VMG S i m;汞分布;金属硫化物;活性炭D O I:1 0.3 9 6 9/j.i s s n.1 0 0 7-3 4 2 6.2 0 2 3.0 4.0 0 2 引用格 式:宋 晓 俊,王 洪 松,潘 旭,等.含 汞 气 田 低 压 闪 蒸 气 脱 汞 试 验 J.石 油 与 天 然 气 化 工,2 0 2 3,5 2(4):9-1 3.S ON G XJ,WAN G HS,P ANX,e t a l.E x p e r i m e n t o fm e r c u r y r e m o v a l f r o ml o wp r e s s u r e f l a s hv a p o r i nm e r c u r y-c o n t a i n i n gg a s f i e l dJ.C h e m i c a lE n g i n e e r i n go fO i l&G a s,2 0 2 3,5 2(4):9-1 3.E x p e r i m e n t o fm e r c u r yr e m o v a l f r o ml o wp r e s s u r ef l a s hv a p o r i nm e r c u r y-c o n t a i n i n gg a s f i e l dS o n gX i a o j u n,W a n gH o n g s o n g,P a nX u,Y i nH o n g w e i,L i uW e n c h a o,M aC h a oP e t r o C h i n aT a r i mO i l f i e l dC o m p a n y,K o r l a,X i n j i a n g,C h i n aA b s t r a c t:O b j e c t i v eT h ea i mi s t os c r e e no u t l o wp r e s s u r e f l a s hv a p o rm e r c u r yr e m o v a l a d s o r b e n t s u i t a b l e f o rm e r c u r y-c o n t a i n i n gn a t u r a l g a s t r e a t m e n t s t a t i o n.M e t h o d s T h ed i s t r i b u t i o no fm e r c u r yi nn a t u r a lg a sp r o c e s s i n gs t a t i o nw a ss i m u l a t e db yVMG S i ms o f t w a r e.An a t u r a l g a s t r e a t m e n t s t a t i o no f am e r c u r y-c o n t a i n i n gg a s f i e l d i nw e s t e r nC h i n aw a s s e l e c t e da s t h e t e s t s i t e a n da s e t o fm e r c u r yr e m o v a l t e s t e q u i p m e n tw a sd e s i g n e da n dc o n s t r u c t e d.T h em e r c u r yr e m o v a l e f f e c to f f o u rk i n d so fc o mm o nh i g hp r e s s u r em e r c u r yr e m o v a la d s o r b e n t si nt h el o w-p r e s s u r ef l a s hs y s t e m w a st e s t e db yf i e l dt e s t.R e s u l t s(1)T h ed i s t r i b u t i o no fm e r c u r ys i m u l a t e db yVMG S i ms i m u l a t i o ns o f t w a r ew a sc l o s et ot h em e a s u r e dr e s u l t si nt h en a t u r a lg a st r e a t m e n tp r o c e s s,w h i c hh a sac e r t a i ng u i d i n gr o l e f o r t h ed e s i g na n dp r o d u c t i o nm a n a g e m e n to fm e r c u r y-c o n t a i n i n gn a t u r a lg a s.(2)T h ea d s o r b e n tu s e df o rh i g hp r e s s u r en a t u r a l g a sm e r c u r yr e m o v a l c o u l dm e e t t h e r e q u i r e m e n t so f l o wp r e s s u r e f l a s hv a p o rm e r c u r yr e m o v a l e m i s s i o ns t a n d a r d s.(3)T h e m e r c u r yr e m o v a le f f e c to f m e t a ls u l f i d ea d s o r b e n t w a so b v i o u s l y b e t t e rt h a nt h a to fa c t i v a t e dc a r b o na d s o r b e n t.C o n c l u s i o n s D o m e s t i ca d s o r b e n t s u i t a b l e f o r l o wp r e s s u r e f l a s hv a p o rm e r c u r yr e m o v a lw a s s c r e e n e do u t,a n dt h e l o wp r e s s u r e f l a s hv a p o rm e r c u r yr e m o v a lp r o c e s st e c h n o l o g yw a sf o r m e d,w h i c hc a np r o v i d eg u i d a n c ea n dr e f e r e n c ef o rl o w p r e s s u r ef l a s hv a p o rm e r c u r yr e m o v a lp r o c e s s.K e y w o r d s:n a t u r a l g a s;m e r c u r yr e m o v a l;l o wp r e s s u r e f l a s hv a p o r;a d s o r b e n t;VMG S i m;m e r c u r yd i s t r i b u t i o n;m e t a l s u l f i d e;a c t i v a t e dc a r b o n 在天然气开采过程中,汞是一种有害的伴生物,其质量浓度通常为12 0 0g/m3,国内高含汞气田的汞质量浓度甚至可以达到19 3 0g/m31。降低天然气中汞含量,脱除天然气中的汞能够有效防止汞污染,从而保护人身安全2-5。1 国内天然气脱汞现状目前,我国规定管输商品天然气中汞质量浓度小于2 8g/m36,国内外天然气脱汞工艺主要有化学吸附、溶液吸收、低温分离、阴离子树脂和膜分离等7,其中,化学吸附脱汞工艺在经济性、脱汞效果和环保等方9 石 油 与 天 然 气 化 工 第5 2卷 第4期 CHEM I C A LE N G I N E E R I NGO FO I L&G A S 基金项目:中国石油塔里木油田科研项目“低压闪蒸气脱汞试验研究”(3 1 1 0 1 9 0 2 0 0 2 9)作者简介:宋晓俊,1 9 8 3年生,大学本科,高级工程师,2 0 0 6年毕业于重庆大学电气工程及其自动化专业,主要从事油气田天然气处理工艺管理和研究工作,已发表论文近1 2篇,已授权专利8项,多次获得局级科技奖励。E-m a i l:2 7 3 5 4 1 7 4 1q q.c o m面均优于其他脱汞工艺,可将天然气中汞质量浓度降至0.0 1g/m3,能够满足商品天然气、液化天然气和天然气凝液回收对原料气中汞质量浓度的要求,在国内外天然气脱汞装置中得到广泛应用8-1 1。化学吸附脱汞工艺中脱汞吸附剂由载体和反应物两部分构成,其中载体一般是活性炭、氧化铝和分子筛,反应物为硫、银、碘等物质1 2-1 3。为降低含汞气田开发成本,大部分含汞气田采用化学吸附脱汞工艺解决管输商品天然气中汞含量超标的问题,高压脱汞吸附剂的应用已经十分成熟,但在天然气处理过程中汞会渗入到凝析油、富气、乙二醇、污水、燃料气等低压系统中,当对这些介质进行加热、闪蒸等处理时,汞会富集进入闪蒸气中,形成高浓度低压含汞闪蒸气,如果不对低压闪蒸气进行脱汞处理就直接排放至大气,将 造成环境 污染,危 及 人 员 人 身 健康1 4,国家标准G B1 6 2 9 7-1 9 9 6 大气污染物综合排放标准 要求排放尾气中的汞及其化合物质量浓度不高于1 2g/m31 5。因此,本研究对化学吸附脱汞工艺中常用的4种高压脱汞吸附剂对低压闪蒸气的脱汞效果进行了现场试验和评价,筛选出适用于低压闪蒸气脱汞的国产吸附剂,形成低压闪蒸气脱汞工艺技术,可为低压闪蒸气脱汞工艺提供指导和借鉴。2 低压闪蒸气脱汞试验装置设计2.1 试验现场选择为合理设置低压闪蒸气脱汞设施,选择某含汞气田天然气处理厂作为试验和评价的现场,该天然气处理厂采用J-T阀节流制冷低温分离脱水脱烃、注乙二醇防止水合物的处理工艺,主要工艺单元包括脱水脱烃单元、乙二醇再生单元及凝析油稳定单元,脱水脱烃单元的工艺流程如图1所示,自集气装置来的原料天然气从上部进入原料气预冷器。自乙二醇再生及注醇装置来的乙二醇贫液通过雾化喷头雾化,喷射入原料气预冷器,和原料气在管程中充分混合接触后,与自干气过滤分离器来的冷干气进行换热,被冷却至-5 左右。原料天然气再经J-T阀作等焓膨胀,压力降至6.4MP a,温度降至约-3 0,再从中部进入低温分离器进行分离,分离出液态含醇液和凝析油。干气进入干气过滤分离器进一步分离出夹带的少量含醇液和凝析油,再进入醇烃液加热器壳程与原料天然气逆流换热,换热后的干气输送至输气首站。乙二醇再生采用了塔底重沸器加热、塔顶冷回流的精馏方法,提浓乙二醇 富 液 使 其 再 生,要 求 乙 二 醇 贫 液 质 量 分 数 为8 5%。再生塔塔顶回流罐排出的未凝气体主要为水蒸气、C O2、微量乙二醇和烃类,经灼烧后排入大气。再生塔塔顶回流罐排出的污水进入污水池。通过稳态流程模拟软件(v i r t u a lm a t e r i a l sg r o u ps i m u l a t i o n,VMG S i m)对整个天然气处理工艺系统进行了模拟和实测(见图2)。从模拟结果可以看出,该天然气处理站高低压系统均分布有大量汞,其中,产品气和乙二醇再生塔 塔顶不凝气 是汞聚集最 多的地方1 6,在所有低压系统中,乙二醇再生塔塔顶不凝气中汞质量浓度最高,且温度对汞质量浓度的影响较大1 7。模拟数据与现场实际检测数据一致,因此,以乙二醇塔塔顶不凝气为试验对象具有统计学意义和普适性。01宋晓俊 等 含汞气田低压闪蒸气脱汞试验 2 0 2 3 2.2 试验装置基础参数2.2.1 试试验验介介质质工工况况某含汞气田天然气处理站乙二醇塔塔顶不凝气相关参数见表1。表1 乙二醇塔塔顶不凝气参数气量/(m3h-1)压力(G)/MP a温度/汞质量浓度/(gm-3)处理后汞质量浓度/(gm-3)2 55%0.0 85%3 55%2 00 0 01 0%1 22.2.2 试试验验装装置置工工艺艺流流程程描描述述低压闪蒸气脱汞试验橇包含2组吸附塔,吸附塔与脱汞分液罐并联设置,低压闪蒸气脱汞试验装置流程示意图如图3所示,现场照片如图4所示。低压闪蒸气脱汞流程为:自乙二醇再生塔塔顶回流罐来的不凝气经脱汞分液罐下段分液并进入不凝气加热器加热后至脱汞分液罐或试验装置吸附罐中,与吸附剂在吸附部分发生化学反应吸附,汞以化合物的形式从不凝气中分离,使不凝气中汞质量浓度1 2g/m3,不凝气经放空总管再至低压放空分液罐至低压火炬燃烧。分别在不凝气进试验装置前管线和在低压放空分液罐前放空总管上设置取样点,定期通过高量程汞检测仪(德11 石 油 与 天 然 气 化 工 第5 2卷 第4期 CHEM I C A LE N G I N E E R I NGO FO I L&G A S国ME R R Y T R AN C K E R生产,型号为MT-3 0 0 0 I P,量程为04 00 0 0g/m3)跟踪检测闪蒸气中汞含量,当闪蒸气中汞含量明显超标时,表明吸附剂达到饱和。3 吸附剂在低压闪蒸气中的脱汞评价选取4种常用的高压脱汞吸附剂(进口吸附剂1种,国产吸附剂3种)进行低压闪蒸气脱汞效果研究,分别为:进口金属硫化物吸附剂8 8 0 5、国产金属硫化物吸附剂T g-1、国产金属硫化物吸附剂D K T 8 1 3、国产活性炭吸附剂Z S。低压闪蒸气脱汞试验装置实际运行参数如下:闪蒸气流量(0,1 0 1.3 2 5k P a下)为2 5m3/h,闪蒸气压力(G)为0.0 8MP a,闪蒸气温度为3 5,闪蒸气中汞质量浓度为2 00 0 0g/m3,吸附剂装填量为1 8.5L。3.1 进口金属硫化物吸附剂8 8 0 5试验结果进口金属硫化物吸附剂8 8 0 5共试验2 8天,吸附塔出口汞含量情况见图5。根据测试结果,吸附剂约2 5天时开始穿透。卸出后的吸附剂形态发生明显变化,吸附剂存在粉化或开裂等现象(见图6),使用筛孔直径为2.0mm的标准筛筛1m i n,将筛下物称重,计算得出 含 粉 率(w)为1 3.5%(吸 附 剂 出 厂 数 据 为2%),说明该吸附剂不适用于低压湿气工况。3.2 国产金属硫化物吸附剂T g-1试验结果国产金属硫化物吸附剂T g-1共试验3 7天,吸附塔出口汞含量情况见图7,根据测试结果,吸附剂约3 4天时开始穿透。卸出后的吸附剂形态保持完好,未发生粉化或开裂等现象(见图8),说明该吸附剂适用于低压湿气工况。3.3 国产金属硫化物吸附剂D K T 8 1 3试验结果国产金属硫化物吸附剂D K T 8 1 3共试验3 1天,吸附塔出口汞含量情况见图9,根据测试结果,吸附剂约2 8天时开始穿透。卸出后吸附剂形态保持完好,未发生粉化或开裂等现象(见图1 0),说明该吸附剂适用于低压湿气工况。21宋晓俊 等 含汞气田低压闪蒸气脱汞试验 2 0 2 3 3.4 国产活性炭吸附剂Z S试验结果国产活性炭吸附剂Z S共试验1 1天,吸附塔出口汞含量情况见图1 1,根据测试结果,吸附剂约4天时开始穿透。卸出后的吸附剂形态保持完好,未发生粉化或开裂等现象(见图1 2),说明该吸附剂适用于低压湿气工况,但脱汞效果较差。3.5 不同工作温度下的低压闪蒸气脱汞评价为了考查原料气中液体含量对脱汞效果的影响,启动不凝气电加热器,在吸附塔中填充国产金属硫化物吸附剂T g-1,将进吸附塔的气体温度控制在3 0(未启动电加热器前的闪蒸气温度约1 5),进气投运,脱汞试验结果如图1 3所示。根据测试结果,3 0下国产吸附剂T g-1约3 8天时开始穿透,与未启动电加热器所测数据对比,启动电加热器后,吸附穿透时间更长,吸附剂汞容量更大。结果表明,进料气中液体含量越少,吸附效果越好。4 结论通过开展低压闪蒸气脱汞试验,对低压闪蒸气脱汞处理有了较全面的认识,对现场汞处理具有一定的指导意义,并得出以下研究结论:(1)采用VMG S i m模拟软件模拟天然气处理工艺所得乙二醇不凝气中汞质量浓度与实测结果接近,汞分布模拟结果对含汞天然气的设计及生产管理具有一定的指导作用。(2)根据现场试验结果,用于高压天然气脱汞的吸附剂能满足低压闪蒸气脱汞的要求,可达到废气中汞质量浓度低于1 2g/m3的排放要求。(3)在低压闪蒸气条件下,金属硫化物吸附剂脱汞效果明显优于活性炭吸附剂。从4种脱汞吸附剂现场试验评价结果来看,其脱汞效果从大到小的顺序为:国产金属硫化物吸附剂T g-1国产金属硫化物吸附剂D K T 8 1 3进口金属硫化物吸附剂8 8 0 5国产活性炭吸附剂Z S。4种吸附剂中仅进口金属硫化物吸附剂8 8 0 5在湿气条件下易粉化,不适合在湿气工况下使用。参 考 文 献1胡月红.国内外汞污染分布状况研究综述J.环境保护科学,2 0 0 8,3 4(1):3 8-4 1.2田菲,吴圣姬,谢正苗.浅谈国内汞污染及防治对策C/中国环境科学学会2 0 0 9年学术年会论文集.武汉:中国环境科学学会,2 0 0 9:1 0 0 1-1 0 0 5.3严启团,张世坚,蒋洪,等.三甘醇脱水装置汞分布及汞污染控制措施J.石油与天然气化工,2 0 1 8,4 7(1):1 3-1 9.4王用良,吴新阳,刘改焕,等.可再生天然气脱汞装置设计及运行J.天然气与石油,2 0 2 1,3 9(2):3 6-4 0.5韩中喜,班兴安,苗新康,等.天然气低温处理过程中汞的分布与防治J.石油与天然气化工,2 0 2 1,5 0(3):3 5-3 9.6连高鹏,宁平,曾向东.汞行业污染物排放标准制定初探J.云南环境科学,2 0 0 4,2 3(增刊):3 9-4 1.7蒋洪,梁金川,严启团,等.天然气脱汞工艺技术J.石油与天然气化工,2 0 1 1,4 0(1):2 6-3 1.8夏静森,王遇冬,王立超.海南福山油田天然气脱汞技术J.天然气工业,2 0 0 7,2 7(7):1 2 7-1 2 8.9蒋洪,黄靖珊,李立民,等.某天然气处理厂处理装置汞污染控制研究J.石油与天然气化工,2 0 2 1,5 0(5):1 1 9-1 2 8.1 0王用良,陈彰兵,严启团,等.天然气可再生脱汞用载银分子筛评价及应用J.石油与天然气化工,2 0 2 1,5 0(4):1-7.1 1林富荣,曾天亮.天然气脱汞吸附剂的制备及其性能评价J.石油与天然气化工,2 0 1 9,4 8(1):3 8-4 4.1 2王青峰,李仲根,张辉.液化天然气工艺中汞的危害及脱汞吸附材料研究进展J.环境工程,2 0 1 8,3 6(5):8 9-9 3.1 3齐璞.天然气净化工艺汞分布模拟及脱汞剂制备研究D.大连:大连理工大学,2 0 1 9.1 4常宏岗,周理,罗勤,等.中国天然气国际标准化发展与思考J.天然气工业,2 0 2 2,4 2(1 0):1-1 0.1 5周理,陈赓良,郭开华.对天然气推荐性国家标准G B/T3 1 2 5 3的讨论J.天然气工业,2 0 1 7,3 7(1 2):8 7-9 1.1 6蒋洪,刘支强,严启团,等.天然气低温分离工艺中汞的分布模拟J.天然气工业,2 0 1 1,3 1(3):8 0-8 4.1 7田素俊,黄维秋,鄢永兵,等.吸附剂对含湿油气的吸附性能及热效应J.油气储运,2 0 2 2,4 1(8):9 6 2-9 7 1.收稿日期:2 0 2 3-0 2-1 5;编辑:温冬云31 石 油 与 天 然 气 化 工 第5 2卷 第4期 CHEM I C A LE N G I N E E R I NGO FO I L&G A S