天然气J-T阀节流制冷工艺脱汞因素探讨

王用良 李海荣 赵海龙 毛立军 杜通林

中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司，四川 成都 610041

0 前言

汞具有高挥发性、高毒性、强腐蚀性，在含汞天然气处理过程中使用铝钎焊式换热器、液化天然气设施和注氮装置，都极易受到汞的腐蚀［1］，在天然气化工中还会引起催化剂（铂、钯、镍、铬等）中毒，危害操作人员健康、腐蚀管线设备以及污染环境。因此，必须将天然气中的汞脱除，降低天然气中汞含量，安全开发和利用含汞天然气，以保护人身安全，防止汞污染环境［2-3］。针对含汞气田天然气处理厂的J-T阀节流制冷脱水脱烃工艺，利用稳态流程模拟VMGSim软件进行模拟，研究该工艺过程对脱汞效率的影响因素，有助于明确低温分离工艺中汞的分布规律，指导天然气处理工艺流程设计，并为含汞气田的开发处理选择适当的汞防护措施提供依据。

1 汞的分布、危害及浓度控制

全球许多天然气气田含有单质汞及有机汞化物，已经报道天然气含汞量较高的地区有北海、东南亚、南美、北非及东欧等，天然气中含汞量的变化很大，从0.1μg/m3到2 000μg/m3。全球典型含汞气田地区、天然气汞含量分布见表1。

表1 不同地区天然气中的汞含量

汞是高毒金属，其蒸汽压相对较高，容易挥发形成汞蒸气。天然气处理设备中汞的富集可能对操作及检修人员的健康构成危害。在气体处理厂低温系统中，汞会使常用的铝质换热器发生汞齐脆化和电化学腐蚀，并引起设备故障。在北美、北非和亚太地区已有汞造成气体处理设施中设备故障的案例［1，4］。

荷兰和德国的相关机构研究表明天然气中汞含量低于30μg/m3时，不会对设备、人身安全、环境造成危害。参照国外商品气供应合同中对汞含量的规定，相关学者推荐我国管输商品天然气中汞含量小于28 μg/m3；对于LNG液化装置或天然气凝液回收装置的原料气，汞含量不超过 0.01 μg/m3［5］。

2 含汞天然气J-T阀节流制冷工艺

对于采用J-T阀节流制冷脱水脱烃工艺的含汞气田天然气处理厂，主要工艺单元包括脱水脱烃单元、乙二醇再生及注醇单元和凝析油稳定单元［6］。脱水脱烃单元的工艺流程见图1，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-10℃左右。原料天然气再经J-T阀作等焓膨胀，气压降至8.1MPa，温度降至-25℃左右，再从中部进入低温分离器进行分离，分离出液态醇烃液，醇烃液经三相分离器分离后，醇液去乙二醇再生及注醇单元，烃液去凝析油稳定单元。干气进入原料气预冷器壳程与原料天然气逆流换热，换热后的干气至脱汞装置。

图1 天然气J-T阀节流制冷工艺流程示意图

3 J-T阀节流制冷工艺流程模拟

假设某含汞气田天然气处理厂脱水脱烃装置的处理规模为 500×104m3/d（20 ℃，101.325 kPa，下同），原料气温度为25℃，压力为12.0MPa·a，汞浓度为500～2 000μg/m3，原料气组成见表2。所用乙二醇贫液流量为1 965 kg/h（3倍理论注醇量），质量浓度80%。要求外输干气的水露点≤-5℃，烃露点≤-5℃。

表2 原料气组成

利用VMGSim软件模拟含汞天然气脱水脱烃流程。原料天然气节流前的温度为-10℃、压力为12.0MPa·a，节流后的温度为-25℃，压力为 8.16MPa·a，外输干气的水、烃露点满足商品气的气质指标要求。汞浓度在500～2 000μg/m3之间变化时，低温分离器顶部干气中汞含量变化见表3。通过模拟分析可知，含汞天然气经过J-T阀节流制冷低温分离后，原料气中92.88%（w）的汞进入了醇烃液中，7.12%（w）的汞进入了低温分离器顶部干气中。随原料气中汞含量增大，低温分离后的干气中汞含量成比例增加，但天然气中汞的脱除率不变。根据产品天然气汞含量控制要求，干气中汞含量应小于28μg/m3，故应在低温分离后设置干天然气脱汞装置，以保证产品天然气达到管输要求。另外，从理论上分析，在该工况条件下，当原料气中汞含量低于390μg/m3时，便可不设置天然气脱汞装置。此外，根据模拟结果，原料气中大部分汞进入了乙二醇富液，经乙二醇再生后最终进入再生塔塔顶未凝气及污水中。因此，需要经过脱汞处理后才能排放。

表3 J-T阀节流制冷工艺天然气中汞浓度变化

4 J-T阀节流制冷工艺脱汞因素分析

为了定量分析含汞天然气低温分离过程中天然气脱汞率的影响因素，以上工况作为基本条件，固定原料气中汞含量为1 000μg/m3，利用VMGSim软件对J-T阀节流制冷工艺流程进行模拟，分别考察了乙二醇注入量、天然气处理量、原料气组成及J-T阀制冷温度等对天然气脱汞率的影响。

乙二醇注入量及天然气处理量对脱汞率的影响结果见图2。

图2 不同处理量时脱汞率与MEG注入量关系

由图2可知，根据软件模拟结果，当原料气中不注入乙二醇抑制剂时，处理量为500×104m3/d和1 000×104m3/d的天然气脱汞率都仅有15.94%（实际工况下要注醇），随乙二醇注入量的增加，天然气脱汞率迅速增大。当注入量为1.5 t/h，处理量为500×104m3/d的天然气脱汞率达90.24%；注入量为3 t/h，处理量为1 000×104m3/d的天然气脱汞率也是90.24%。说明乙二醇对汞的富集作用十分明显［6］，且达到同样脱汞率所需的乙二醇注入量与天然气处理量成正比。

通过调整原料气的组成，见表4，分别为A、B、C三种组分，模拟分析了三种原料气组成情况下的天然气脱汞率情况，结果见图3。

由图3可知，对于原料气组成A，轻组分多，重组分少，无乙二醇的情况下脱汞率最低，仅为6.92%；对于原料气组成C，轻组分少，重组分多，无乙二醇的情况下脱汞率最高，为26.06%。说明天然气中的重烃对汞也有一定的富集作用。但随乙二醇的注入，含重烃较多的原料气C的脱汞率增加幅度却不如重组分少的原料气A、B。说明乙二醇对轻组分较多的天然气中汞的富集作用更强。

通过调整J-T阀后温度，分别为-25、-30、-35℃，模拟分析了三种制冷温度下的天然气脱汞率情况，结果见图4。

表4 原料气组成

由图4可知，通过调整J-T阀制冷温度，可以改变天然气脱汞率，且温度越低，脱汞率越高。

图3 原料气组成对脱汞率的影响关系

图4 J-T阀制冷温度对脱汞率的影响关系

5 结论

a）在含汞气田天然气的J-T阀节流制冷工艺流程中，节流阀制冷温度越低、其脱汞率越高。

b）在天然气脱汞过程中，乙二醇对Hg具有富集作用，在条件相同时达到同值（等值）脱汞率，应注入的乙二醇与天然气处理量成正比。

c）天然气中轻组分含量越高，乙二醇对汞的富集作用越强。

d）当原料气中的汞含量小于一定值时可以不设置天然气脱汞装置，从低温分离器分离后的干天然气便能达到管输商品天然气要求。

［1］熊光德，汤晓勇.天然气脱汞新技术［J］.天然气与石油，2011，29（5）：36-40.Xiong Guangde，Tang Xiaoyong.New Technologies of Mercury Removal from Natural Gas［J］.Natural Gas and O il，2011，29（5）：36-40.

［2］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，2011，40（1）：26-31.Jiang Hong，Liang Jinchuan，Yan Qituan.et al.Technology of Mercury Removal from Natural Gas［J］.Oil and Natural Gas Chemical Engineering，2011，40（1）：26-31.

［3］王 阳，田利男.凝析油脱汞工艺［J］.天然气与石油，2012，30（2）：32-35.Wang Yang，Tian Linan.Technology for Removal of Mercury from Condensate O il［J］.Natural Gas and Oil，2012，30 （2）：32-35.

［4］李 明，付秀勇，叶 帆.雅克拉集气处理站脱汞工艺流程改造［J］.石油与天然气化工，2010，39（2）：112-114.LiM ing，Fu Xiuyong，Ye Fan.Improving Techniques Process of Mercury Removed in Yakela Gas Condensate Treating Station［J］.Oil and Natural Gas Chemical Engineering，2010，39（2）：112-114.

［5］蒋 洪，王 阳.含汞天然气的汞污染控制技术［J］.石油与天然气化工，2012，41（4）：442-444.Jiang Hong，Wang Yang.The Control Technology for Mercury Contamination of Hg-containing Natural Gas［J］.Oil and Natural Gas Chemical Engineering，2012，41（4）：442-444.

［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，2011，31（3）：80-84.Jiang Hong，Liu Zhiqiang，Yan Qituan，et al.A Simulation Study of the Mercury Distribution in the Low-temperature Gas Separation Process［J］.Natural Gas Industry，2011，31（3）：80-84.