低热值脱碳尾气处理工艺研究

季开慧，马西功

(中海油石化工程有限公司，山东 青岛 266101)

渤海湾某油气处理终端为油、气处理工艺兼有的处理厂，由于新的海上气田投产后，终端进站气CO2最高可达16%，终端外输气不满足外输气质要求，该终端改造增建了脱碳装置，使脱除后的净化天然气CO2含量小于2.8%。而脱碳后的排放尾气为低热值尾气，其挥发性有机物含量超标，需要增设相应的尾气处理设施。本文根据该脱碳装置尾气组成，从工艺方法、设备占地等方面，对该脱碳尾气处理工艺进行了研究和对比分析，确定了工艺方案。

1 天然气脱碳工艺简介

本油气处理终端脱碳装置采用活化MDEA工艺，活化剂可以加快MDEA与CO2的反应速度，可用的活化剂有哌嗪、DEA、咪唑或甲基咪唑等。活化MDEA脱碳工艺流程见图1。

图1 活化MDEA脱碳工艺流程示意图

原料天然气经过过滤分离器并换热后进入吸收塔，与塔内自上而下的贫胺液逆流接触，CO2被脱除，湿净化气中CO2含量≤2.8%，出塔湿净化气去已建的分子筛脱水装置进行脱水。

吸收塔底出来的富胺液经闪蒸罐降压闪蒸，然后与再生塔底贫液换热后进入再生塔上部解析再生。再生塔底的贫液经贫富液换热器降温后，通过贫液提升泵送进入贫液空冷器冷却，再经贫液增压泵增压后进入吸收塔顶部循环使用。再生塔塔顶酸气经塔顶冷却器冷却后进再生塔顶回流罐，分出的含CO2尾气经脱硫装置后进入尾气处理设施脱除VOCs，分出的液体经再生塔顶回流泵增压后回流至再生塔顶部。再生塔塔底重沸器由热媒系统提供的导热油供热。

2 脱碳尾气处理工艺研究

脱碳尾气处理方法可分为回收法和破坏法。废气中挥发性有机物(VOCs)浓度小于10000～30000mg/m3，一般宜采用燃烧(氧化)破坏法处理，处理装置包括催化氧化(RCO)装置、蓄热燃烧(RTO)装置、加热炉、焚烧炉、锅炉等；而大于该浓度，宜优先采用吸附、吸收、冷凝、膜分离以及它们的组合工艺回收处理。如果要求净化气非甲烷总烃小于120mg/m3或更低，一般最终需要采用燃烧(氧化)破坏法。

本文所述脱碳装置尾气主要含有CO2、甲烷、C2～C10烃类等，详细组成见表1。由表1可以看出，该尾气为低热值、低VOCs含量的脱碳尾气，宜选用破坏法进行处理。本装置尾气体积流量：7500 m3/h，烃总排放浓度约 1850mg/m3。

本脱碳装置尾气处理同时存在以下难点：

(1)脱碳装置占地面积受限，尾气处理设施又处于系统最末端，这就要求尾气处理的设备占地、整体气阻要尽可能小。

(2)尾气热值低，直接使用RCO、RTO无法满足热值正常工作下限；加配燃料气和氧气后增加运行费用和燃爆风险，且现场预留用地无法满足防火间距要求。

(3)要求装置最好能重复运行，以降低运行成本。

(4)鉴于厂区环保情况，最好不要产生固废、废水。

(5)尾气中VOCs需降至80mg/Nm3以下，且主要成分为乙烷丙烷丁烷。

表1 脱碳尾气组成

针对上述分析和要求，我们将回收法和破坏法相结合，提出吸附+RCO相结合的方法。采用吸附剂将VOCs提浓，净化气直接排入大气。采用热空气对饱和吸附剂进行再生，再生气通过催化氧化将VOCs转化为CO2和水。

针对吸附剂，将颗粒活性炭(GAC)和活性碳纤维(ACF)进行了比选。

2.1 孔径分布及型式

图2 颗粒活性炭和活性碳纤维开孔对比

由图2可知，活性碳纤维具有以下优点：比表面积大、吸附容量高；孔径适中、分布均匀、吸附/脱附速度快，通过孔径设计，更适合小分子物质；形状多样，便于工程应用；高、低浓度气体都能处理。

本脱碳尾气以C1-C4为主，其分子直径为0.35～0.45nm之间，所以，孔径为1nm左右的活性碳纤维比颗粒活性炭对其吸附性能会更好。

2.2 吸附脱附机理

如图3所示，颗粒活性炭由于吸附进气方向和脱附进气方向都是单一方向(即管道开口方向)，而孔隙方向杂乱无章，与脱附方向有较大角度的孔便无法脱附；而活性碳纤维的开孔方向是有序且一致的，所以不存在脱附不干净的问题。

图3 颗粒活性炭和活性碳纤维吸附脱附机理示意图

2.3 综合对比结果见表2。

表2 活性炭颗粒与活性碳纤维综合对比

表2(续)

从预留用地、吸附效果、二次污染等方面综合考虑，经上述分析，本脱碳装置的低热值尾气处理工艺最终确定为活性碳纤维吸附+RCO处理方案。

3 活性碳纤维吸附+RCO工艺

3.1 工艺流程

3.1.1 工艺流程框图

图4 活性碳纤维吸附+RCO工艺流程框图

3.1.2 工艺流程

低热值脱碳废气收集后一起经由集气管送入活性碳纤维吸附器。活性碳纤维吸附器中设置有两组活性碳纤维A/B，每组设两级吸附器，两组共用一个管路系统，运行时互相切换，当A组进行吸附处理时，吸附室B组则进行脱附和再生。

运行时，废气由吸附器下部进入，在吸附器内废气穿过活性碳纤维毡，其中的油气被碳纤维吸附下来，净化后的气体由吸附器顶部排出，通过排气筒达标排放。当吸附室A组吸附饱和后，切换到脱附工序，此时吸附室B组进入吸附状态。

脱附时用热空气做脱附介质，热空气由吸附器顶部进入，穿过活性碳纤维毡，将被吸附浓缩的油气脱附出来并带出吸附器，然后进入RCO催化氧化装置处理后达标排放。吸附室A组完成脱附并经再生后，切换过来，继续进行吸附。

4 结论

脱碳尾气的处理工艺中，回收法适用于挥发性有机物浓度高，有回收价值，投资小的项目。破坏法适用于挥发性有机物浓度低，无回收价值，尾气热值高或者可配烧燃料气，建设用地充足的项目。而对于尾气热值低，要求无二次污染，公用工程配套不足，预留用地小的改造项目，本文提出的吸附+RCO处理工艺，采用活性碳纤维吸附，吸附性能远高于颗粒活性炭，提浓了尾气，节约了能源，且处理设施占地小，活性碳纤维使用寿命长，无二次污染，是一种节能高效的净化低热值脱碳尾气的处理工艺。