浅析天然气净化厂脱硫溶液轻微发泡现象及利用

岳云喆 林万洲

(中国石油西南油气田川东北作业分公司，四川达州，636164)

甲基二乙醇胺(MDEA)溶液因具有较高的H2S处理负荷、较低腐蚀性等特点，在天然气净化领域得到了较为广泛的应用，国内外绝大多数天然气净化厂脱硫装置均采用MDEA溶液法或MDEA混合溶液法。同时脱硫脱碳吸收塔通常采用的是浮阀塔盘，其主要原因是它具有处理能力大、操作弹性大、塔板效率高、压力降小、气体分布均匀和结构简单等优点[1]。

MDEA溶液脱除原料天然气中 CO2和H2S是一个气液传质并发生反应的过程，在传质过程中，会伴有大量气泡产生，但在正常工况下产生的气泡会迅速破裂，液层在塔板上维持适宜的高度，气液两相在每层塔板上呈错流且处于高效的接触状态，不会影响装置正常操作。但在日常生产运行中，因原料天然气携带气井化学剂、脱硫系统腐蚀产物，MDEA溶液自身降解产物等因素存在，导致溶液质量不断下降。当塔内产生致密的气泡且气泡相当稳定而不迅速破裂时，胺液就会趋于发泡[2-4]。

在以往的认知中，溶液发泡是装置运行异常的一个标志。而本文以西南油气田某200×104m3/d高含硫净化厂为例，将对MDEA溶液发泡与产品气质量关系，以及如何利用溶液发泡进行探讨。

1 MDEA溶液轻微发泡对产品气CO2含量的影响

1.1 影响情况

笔者收集了该净化厂正常生产运行期间的有关生产数据及趋势记录，分别见表1和图1。

图1 产品气CO2含量下降趋势图

从表1和图1可知：在气质气量较为稳定、贫液入塔层数一定及溶液循环量不变等情况下，随着装置运行，产品气质量会呈现较为规律的变化，即CO2含量逐渐降低(其中产品气H2S含量略有上涨趋势，但不明显)。

1.2 影响分析

初步分析判断该现象系MDEA溶液发泡所致：由于溶液发泡且持续，泡沫高度增加，进而延长了原料天然气与MDEA溶液的接触反应时间，致使CO2吸收量增加，产品气中CO2含量下降[5]。

1.2.1 分析验证

为验证此现象，采取向系统适量加入阻泡剂。通过对比4次加入阻泡剂后产品气CO2含量变化趋势发现：其中存在一定的相似性，如在图2至图5中分别罗列2020年4月24日、6月6日、6月23日、7月4日加入阻泡剂后，产品气CO2含量、吸收塔差压等参数的趋势图。

图2 2020年4月24日加入阻泡剂后产品气质量变化趋势图

图3 2020年6月6日加入阻泡剂后产品气质量变化趋势图

图4 2020年6月23日加入阻泡剂后产品气质量变化趋势图

图5 2020年7月4日加入阻泡剂后产品气质量变化趋势图

从图2至图5可以看出：在向系统加入阻泡剂后，产品气质量变化较为明显，特别是CO2含量呈现较为明显的趋势——先快速上涨，再下降；然后再相对缓慢上涨，然后再缓慢下降。

1.2.2 趋势分析

下面以产品气CO2含量变化为基准，对各段变化趋势分析：

(1)产品气CO2含量首次出现上涨

在加入阻泡剂后，由于吸收塔塔盘上溶液泡沫破裂，原料气与溶液接触时间降低，进而引起产品气质量变化，其中CO2含量呈现快速上涨，H2S含量呈现快速下降。

即产品气H2S、CO2含量趋于反比例关系，其原因是：在一定的溶液组成、温度和H2S、CO2分压下，H2S、CO2与溶液之间有一定的酸气平衡溶解度。当吸收H2S多时，CO2吸收量便会减少[4]。

(2)产品气CO2含量首次出现下降

阻泡器内阻泡剂投加完毕后，系统内未掺和阻泡剂的其他溶液进入吸收塔(受阻泡剂消泡的溶液还未完成循环)，在塔盘上再次出现发泡，从而导致产品气CO2含量出现下降。

(3)产品气CO2含量再次出现上涨

受阻泡剂消泡的溶液，完成再生、循环，再次进入吸收塔。

(4)产品气CO2含量再次出现下降

受阻泡剂消泡的溶液混合均匀，但在运行过程中，阻泡剂作用逐渐下降或丧失，溶液再次呈现缓慢发泡趋势。

通过分析产品气CO2含量变化趋势时间间隔发现：产品气CO2含量两次上涨时间起点较为接近(约30min)，按照溶液系统120m3进行计算(开产时系统加入量)，30min内理论上不能完成溶液系统的一个完整循环，但是溶液系统并不是一个孤立的系统，其在循环过程中，也在进行相互混合，从而缩短了受阻泡剂影响或混有阻泡剂的溶液循环至吸收塔的时间。

另外，按照溶液系统120m3保有量，在每次的循环量情况下，完成一个循环分别需要47min30s、51min48s、49min12s、54min24s，这与产品气CO2含量首次上涨至再次上涨至最高值的时间间隔较为接近。

虽然上述四次加入阻泡剂后，产品气CO2含量呈现相近趋势，但与此同时也存在一些不同之处，产品气CO2含量变化趋势时间间隔见表2。

表2 产品气CO2含量变化趋势时间间隔表

由表2可知：

(1)2020年4月24日，在产品气CO2含量第二次上涨至最高值后，立即呈现下降趋势，其原因是产品气CO2含量超高，为快速降低该值，对贫液入塔层数进行了倒换，由18层提高至22层。

(2)产品气CO2含量首次上涨至最高值时间不一致，这跟阻泡剂注入系统的量以及溶液循环量存在一定关系。

(3)4次加入阻泡剂，产品气CO2含量趋势总体较为接近，但在其中存在细微不一致，其原因可能是溶液在塔盘上反应存在差异(化学反应存在偶然性)。

分析认为：通过向系统加入阻泡剂现象，可基本认定造成产品气质量变化的主要因素是溶液发泡。

2 MDEA溶液轻微发泡现象利用

2.1 节能降耗

在原料气气质气量、循环量不变情况下，MDEA溶液发泡，可使溶液更多地吸收原料天然气中CO2，那么我们是否可利用此现象呢？

笔者通过数据发现：在溶液发泡、产品气CO2含量降低后，通过调整溶液循环量，一方面可提升产品气中CO2含量，保障外输产品气量，降低装置系统脱损；另一方面也能降低循环泵功率、重沸器蒸汽耗量、贫液空冷器及水冷器负荷，达到节能降耗之目的。

表3 溶液发泡时调整参数后主要能耗对比表

但受制于溶液酸气负荷的影响，降低循环量后，酸气负荷呈现上涨，因此在实际运行过程中，后续需采取调整贫液入塔层数方式，来维持酸气负荷在可接受范围内，一般为小于0.6mol/mol[6]。

2.2 溶液发泡程度依据

因溶液发泡引起系统拦液是胺法脱硫装置发生频次较高、影响较大的工艺难题，若处理不及时或不合理则易造成产品气不合格、胺液损失、装置被迫停产等问题。根据以往经验，可通过分析吸收塔差压、闪蒸塔差压、闪蒸气流量、产品气中H2S含量等现象来分析判断发泡程度[5,7]。

但在实际过程中，笔者发现通过监测产品气CO2含量、吸收塔液位变化趋势，更能提前、准确分析判断溶液发泡程度。

该净化厂脱硫单元吸收塔液位监控设置有浮筒液位计和差压液位计，一般情况下采取以浮筒液位计为准对液位进行控制(吸收塔浮筒液位计相较于差压液位计控制范围更小，其主要目的是为达到精确控制)。通过历次溶液发泡情况分析发现：当溶液出现发泡时，差压液位计显示液位会逐渐下降；当降低至65%后(正常情况下，差压液位计显示值为75%)，发泡现象便逐渐恶化，若不加入阻泡剂，吸收塔液位调节阀开度将出现较大波动，进而引起液位波动，造成进入后续再生塔的富液流量出现不稳定，酸气流量波动，导致硫磺回收单元配风困难，尾气SO2排放量增大[5]。

3 结语

通过该净化厂净化装置运行情况收集发现：MDEA溶液在实际生产运行过程中，其周期性发泡是不可避免的，但可研究在产品气质量以及溶液酸气负荷可控情况下，如何高效利用该现象，从而达到净化装置节能降耗的目的。与此同时，通过收集分析装置运行参数，使溶液系统发泡现象一直处于可控状态，从而确保装置正常运行，更显得尤为关键。

对此笔者建议在后续天然气净化厂建设中，可统筹考虑设计贫液及富液过滤系统，同时将活性炭过滤系统由体积庞大的活性炭过滤器优化为滤芯式，以便工厂可较为主动地控制溶液系统中的杂质量，从而使溶液系统发泡处于可控状态，最终达到高效利用发泡现象之目的。