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陈赓良 的个人博客

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浮式LNG生产中的气体净化工艺

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FLNG(浮式液化天然气装置)是一种集天然气净化、液化、储存、卸货于一体的新型海上生产装置(参见图1),是开发深海气田、边际气田经济而有效的技术手段,因其投资较低、建造周期较短、便于迁移、环境友好等一系列优点而倍受青睐。据称,用于FLNG船的资本支出在2015~2021年间预计将达到355亿美元。但目前各国对FLNG技术的研究仍处于设计开发阶段,LNG生产能力达到360×104t/a的世界第一艘FLNG船,从2012年开始建造,预期要到2017年才能投产。

图2表明,FLNG上部模块的结构极其复杂,其中气体净化虽然只有3个模块(脱汞、脱酸气、脱水),但其投资最高可达总投资的20%。


图1    Prelude号FLNG船外观照片


图2    FLNG上部模块的结构

总体而言,天然气液化装置的工艺流程可分为两个部分:原料气预处理(净化)部分和天然气液化部分。从某种意义上讲,预处理部分是LNG工厂的首要部分,合理地规定净化指标并付诸实施,是保证装置稳定运行的关键性措施之一。


一.净化的目标与工艺

液化前进行原料气预处理的目的主要是脱除其中的有害杂质及在深冷过程中可能固化而堵塞设备及管道的物质。根据长期工业经验及当前国内外的发展趋分析,陆上基荷型工厂原料天然气的H2S、CO2、总硫(以硫计)、水和汞等5项杂质组分的净化处理指标宜规定为:


与陆上基荷型LNG工厂不同,FLNG装置通常选择不含(或仅含微量)硫化氢和有机化合物的原料气,因而仅考虑脱汞(及微量硫化氢)、脱碳和脱水3种工艺。

1.脱汞:微量汞即可导致钎焊式铝质换热器发生应力开裂,因而必须将原料气中的汞含量降至0.01μg/m3以下。鉴此,FLNG装置都应设置脱除原料天然气中汞的设施。进入装置的原料气首先经过脱汞处理也是对下游设备必要的防护措施,同时也可以脱除原料气中可能含有的微量硫化氢。

当前工业上采用2种工艺脱除原料气中的汞:非再生型与再生型。前者早期使用的汞吸附剂是一种浸渍有硫的活性炭,它能与汞反应而生成硫化汞(HgS);近年来美国UOP公司又开发了高吸附容量的铜基吸附剂。工业上大多采用非再生型吸附剂固定床脱汞工艺,脱汞后净化气中的汞含量可降到0.01μg/m3以下。

再生型工艺采用可再生银改性的Hg SIV分子筛吸附剂,在对天然气进行深度脱水的同时脱除汞。分散在吸附剂表面的银能与汞形成银汞齐,故吸附脱汞的速度极快,分子筛的寿命可达3年以上。但再生型分子筛脱汞存在净化度不及非再生型吸附剂,以及含汞再生气体的进一步处理等问题,故当前的发展趋势是采用(再生型吸附剂+非再生型吸收剂)组合工艺以保证深度脱除汞。

2.脱水:为了避免由于天然气中水分的存在而在其液化过程中造成堵塞,必须在高于水合物形成温度的条件下进行深度脱水,通常应使预处理后的天然气露点降到-100℃以下。从保证其脱水深度的角度考虑,结合海上操作平台特点,原料天然气的脱水应采用固体吸附剂法工艺为宜,分子筛法是首选的工艺。

3.脱碳:为保证达到优于50×10-6(v)的净化度,现有多种深度脱碳工艺可以应用,但对于FLNG装置推荐使用以下3种工艺。(1)当原料气中CO2含量不超过10%(v)时,推荐使用DEA/MDEA或MEA/MDEA混合胺脱碳工艺。(2)当CO2含量超过10%(v)或其分压超过0.5MPa时,宜采用(半贫液/贫液双循环的)哌嗪活化MDEA工艺,如德国BASF公司的α-MDEA工艺和法国Prosernat公司的energized-MDEA工艺;此类工艺虽流程较复杂,但在保证净化度的前提下节能效果明显,非常适合应用于FLNG装置的工况(参见图3)。(3)当原料气CO2含量超过30%(v)时宜采用混合式脱碳工艺:即采用膜法工艺进行粗脱,然后用混合胺法精脱。由于膜法脱碳工艺流程简单、操作成本较低、环境友好且易于实现模块化施工,对FLNG装置颇为适用。


图3   二段吸收/二级闪蒸/气提再生流程示意图

二.三种不同的净化工艺流程

按不同的原料气CO2含量,现已形成3种不同的组合式FLNG净化工艺流程。

图4    三种不同的组合式FLNG净化工艺流程

第1种是常规流程,原料气经脱汞后进入(配方型)醇胺溶剂脱碳装置,脱碳后的净化气再经分子筛脱水后进入液化工段。鉴于海上气田的CO2含量往往会随着开采过程的进行而逐渐增加,故第1种流程适用于开采的第一阶段。进入开采的第二阶段CO2含量升至超过20%(v)时,可以改变为第2种双循环流程。后者实际上是将在第一阶段就建成的吸收塔分为上、下两段(参见图3),并预留相应配套设施的占地与容量。第3种是混合流程,通常应用于原料中CO2含量很高的场合。此流程在设计上应仔细研究的问题是经膜法脱碳装置粗脱后净化气中的CO2含量;后者应根据膜法装置和醇胺法装置两者的占地面积、设备重量与操作成本进行综合分析,同时也要考虑燃料气规格及酸气排放等方面的要求。

Prelude号FLNG船的部分设计指标如表1所示,其净化部分的原理流程大致如下。原料气经三相分离器进入醇胺法脱碳装置,使净化气中CO2含量降至50×10-6(v)以下。处于水饱和状态的净化气经冷却后进入分子筛脱水装置。出脱碳装置吸收塔的富液经闪蒸处理后进入再生塔,闪蒸气进入燃料气管网。出再生塔的贫液经冷却后返回吸收塔。再生塔顶排出的酸气经灼烧后放空。预期Prelude号处理的原料气中并不含有汞,但在基础设计中脱水装置下游仍设有固定床活性碳脱汞装置以加强对液化部分主换热器所用铝材的保护。脱汞装置为单塔固定床,以浸渍有硫化物的活性炭为脱汞剂,出脱汞装置的净化气中汞含量降至0.01μg/m3以下,更换下来的废脱汞剂送到陆上处理。

表1    Prelude号FLNG船的部分设计指标


三.晃动与倾斜对醇胺法装置操作的影响

陆上操作非常成熟的各种醇胺法深度脱碳工艺,在FLNG操作工况下因吸收塔和再生塔受晃动(motion)与倾斜(tilt)影响而产生气液分布不均,导致塔内液体偏向一侧;而在另一侧出现“干板”现象而使原料气走旁路(参见图5中浅蓝色所示部分)。在陆上进行的模拟中试结果表明,塔内填料层高度愈高或高径比愈大则塔效率下降愈多,气液分配不均最严重时可能导致塔效率下降60%。


图5   塔体受晃动与倾斜影响而产生的气液分布不均

德国BASF公司的陆上装置海洋化(marinisation)研究结果表明:假定原料气CO2含量5%,脱碳吸收塔填料床高度5m,直径3m。当吸收塔倾斜角为10时,出现“干板”现象而导致原料气走旁路的填料面积仅占总面积的0.83%,但净化度气中的CO2含量则可能从50×10-6(v)上升至415×10-6(v)。图6示出了不同倾斜角度时塔径与原料气旁路面积的关系。

法国Prosernat公司根据陆上模拟中试数据推导出塔体晃动对浮式脱碳装置净化度的影响情况如表2所示,假定装置的处理量为12.7×106m3/d。


图6  不同倾斜角度时塔径与原料气旁路面积的关系

表2    塔体晃动与倾斜对CO2净化度的影响


四.陆上装置的海洋化研究

晃动与倾斜造成塔内气液分布不均现象的影响因素极其复杂,不仅与塔体倾斜角度、塔内液体流量有关,也与晃动时间周期密切有关。BASF公司在一个高度2.2m、直径1m的填料塔内进行的计算机液体力学(CFD)模型研究结果如图7所示。图示数据表明,随着时间周期增长,气液分布不均现象加剧。

图7   不同时间周期沿塔高度的气液分布不均状况(晃动角度±80)

美国UOP公司对采用填料塔的醇胺法脱碳工艺进行了详尽的陆上装置设计海洋化研究,采用的研究程序如图8所示。


图8    陆上装置设计海洋化研究程序示意图

近年来,陆上装置设计海洋化研究已经取得一系列成果:

(1)对于高含CO2原料气,以膜法脱碳工艺进行粗脱是合理的选择;

(2)半贫液/贫液双循环的节能型醇胺法脱碳工艺的应用值得重视;

(3)分子筛法是深度脱水工艺的最佳选择;

(4)填料塔比板式塔,规整填料比乱堆填料更适合海上平台操作工况;

(5)设计新型的集液器/(再)分配器;

(6)塔内填料层高度愈高或高径比愈大则塔效率下降愈多;

(7)采用高机械性能的特种钢减轻设备重量;

(8)采用热导油加热系统替代蒸汽系统。