4A球形分子篩干燥器的優(yōu)化

摘 要

摘要：中國石油吐哈油田公司丘東采油廠天然氣處理裝置采用分子篩兩塔脫水工藝，使用4A條形分子篩脫水，操作過程中分子篩粉化現(xiàn)象嚴(yán)重，換熱器換熱能力降低，深冷凈化壓差增加，系統(tǒng)阻力
摘要：中國石油吐哈油田公司丘東采油廠天然氣處理裝置采用分子篩兩塔脫水工藝，使用4A條形分子篩脫水，操作過程中分子篩粉化現(xiàn)象嚴(yán)重，換熱器換熱能力降低，深冷凈化壓差增加，系統(tǒng)阻力增加。為此，通過優(yōu)化選用新型4A球形分子篩，在不改變脫水裝置容積、不改變分子篩吸水能力的前提下，將分子篩的堆比重從0.66g/mL提高到0.70g/mL，使分子篩干燥器總吸附容量提高3%～5%，避免了分子篩床層被水“穿透”事故的發(fā)生；通過電腦程序監(jiān)控操作壓力、改進(jìn)干燥器頂部與底部“篦板”結(jié)構(gòu)、選用新型粘結(jié)劑材料，增強(qiáng)分子篩的抗酸性能等措施，有效降低了干氣攜帶的粉塵量，緩解了分子篩粉化現(xiàn)象。實(shí)施上述優(yōu)化措施后減輕了運(yùn)行人員的工作量，提高了裝置的使用效率，延長了裝置的檢修周期，為工廠帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。
關(guān)鍵詞：吐哈油田；天然氣處理；脫水；4A球形分子篩；堆比重；吸附容量；干燥器；優(yōu)化
    中國石油吐哈油田公司丘東采油廠開采出的天然氣主要輸出到烏魯木齊石化總廠、新疆化肥廠、吐哈油田甲醇廠和新疆廣匯LNG處理廠，其輸送干線長達(dá)300km。因此對(duì)天然氣集中脫水、除雜質(zhì)，嚴(yán)格控制產(chǎn)品氣的水露點(diǎn)、H2S和CO2的含量[1]，對(duì)保證輸送管路和設(shè)備不被腐蝕、保證下游產(chǎn)品的正常生產(chǎn)、保證液化天然氣用做燃料時(shí)不會(huì)污染環(huán)境都具有重要意義[2～3]。
1 天然氣脫水裝置運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)的問題
   丘東采油廠天然氣處理裝置采用管道工程有限公司天津分公司設(shè)計(jì)的工藝流程，根據(jù)吐哈油田氣田和東疆氣候條件，天然氣處理裝置采用分子篩兩塔脫水工藝，設(shè)備設(shè)計(jì)使用的分子篩是上海環(huán)球分子篩(UOP)有限公司4A條形分子篩。操作過程中，發(fā)現(xiàn)有少部分分子篩粉塵穿過過濾器進(jìn)入深冷凈化裝置，附著在換熱器流道壁上，使換熱器換熱能力降低，深冷凈化壓差增加[4]；還有部分粉塵進(jìn)入到輸氣管路系統(tǒng)，造成系統(tǒng)阻力增加[5]。分子篩的粉化，上層出現(xiàn)部分區(qū)域的塌陷，降低了干燥裝置的干燥效率，縮短了裝置運(yùn)行周期，分子篩活化頻率由原來8～12h/次縮短至6h/次。2002～2005年，我廠更換了2次分子篩，仍不能解決分子篩粉化和提高其使用壽命的要求，2005年還出現(xiàn)一次因分子篩吸水能力不夠?qū)е路肿雍Y床層浸水的事故。為解決以上問題，與上海化工研究院進(jìn)行技術(shù)交流，合作尋找降低分子篩粉塵、提高干燥裝置干燥效率的有效途徑。
2 分子篩干燥器運(yùn)行狀況分析及改進(jìn)要求
    丘東第一天然氣處理廠處理天然氣規(guī)模為(100±20)×104m3/d，裝置的工藝條件為：①原料氣量：100×104m3/d；②原料氣含水量：4000～6000kg/m3；③CO2含量(摩爾分?jǐn)?shù))：0.1%；④原料氣溫度：20～25℃；⑤原料氣吸附壓力：7.0MPa。
原料氣進(jìn)裝置區(qū)后首先進(jìn)入分離器除去游離水和機(jī)械雜質(zhì)，然后在6.5MPa、25℃條件下進(jìn)入分子篩干燥器，脫水后干氣露點(diǎn)小于-80℃，干氣進(jìn)入旋風(fēng)分離器除去分子篩粉末，最后進(jìn)入輸氣管線。流程如圖1所示：
 

    丘東第二天然氣處理廠處理天然氣規(guī)模(120±25)×104m3/d，裝置的工藝條件為：①原料氣量：120×104m3/d；②原料氣含水量：6000～9000kg/m3；③原料氣CO2含量(摩爾分?jǐn)?shù))：0.1%；④原料氣溫度：20～25℃；⑤原料氣壓力：3.0MPa。
    低壓原料氣進(jìn)裝置區(qū)后首先進(jìn)行增壓，與中壓天然氣匯合后在3.0MPa、25℃條件下進(jìn)入分離器除去游離水和機(jī)械雜質(zhì)，再進(jìn)入分子篩干燥器，脫水后干氣露點(diǎn)小于-80℃，干氣進(jìn)入旋風(fēng)分離器除去分子篩粉末，然后進(jìn)入輸氣管線。流程如圖2所示。
 

    本裝置設(shè)計(jì)最初選用采用UOP公司生產(chǎn)的4A條形分子篩。隨著采氣量的逐年增大，本裝置吸水容量實(shí)際操作要求已經(jīng)高出原設(shè)計(jì)容量，產(chǎn)出干氣露點(diǎn)偏高，同時(shí)干氣攜帶粉塵量增大，加重了下游旋風(fēng)分離器的負(fù)擔(dān)，部分粉末進(jìn)入輸氣管線，帶來安全隱患。這就要求選用一種新型、高吸附容量的分子篩干燥劑，能夠在不改變原裝置的條件下，盡可能的增大裝置的吸附容量，同時(shí)增強(qiáng)分子篩干燥劑的強(qiáng)度，減少干氣攜帶出的粉塵[6]。
3 改進(jìn)措施
    2006年我廠選用上海綠強(qiáng)新材料有限公司生產(chǎn)的4A球形分子篩，為增大干燥器吸附容量和降低粉塵，對(duì)4A球形分子篩做了改進(jìn)。
3.1 通過提高分子篩干燥劑性能增大干燥器吸附容量
    通過計(jì)算采氣增產(chǎn)量和對(duì)現(xiàn)氣源含水量在線監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)要想達(dá)到安全輸氣的要求，在不擴(kuò)容現(xiàn)有干燥器的基礎(chǔ)上，必須將分子篩干燥器總吸附容量提高3%～5%，才不會(huì)發(fā)生分子篩床層被水“穿透”的事故[7]。水“穿透”分子篩床層的誘因有2個(gè)：①分子篩自身吸水性能低，或耐溫性能差，即幾次活化后吸水性能大幅降低；②上游“游離水”沒有完全脫除，造成分子篩干燥器進(jìn)氣水含量超標(biāo)，分子篩提前失效[8]。
    根據(jù)裝置干燥器定容這一實(shí)際情況，上海綠強(qiáng)新材料有限公司將4A球形分子篩在不改變產(chǎn)品吸水能力的前提下，將產(chǎn)品堆比重從0.66g/mL提高到0.70g/mL，相當(dāng)于每1m3干燥器分子篩的填充量至少增加了20%，相應(yīng)1m3的吸附容量至少增加了20%。
    選用不同堆比重分子篩的條件下，干燥器單位體積的吸附容量見表1。
    由表1可知，通過對(duì)分子篩干燥劑的改進(jìn)，可將原體積干燥器擴(kuò)容，每立方米體積可以多吸附氣態(tài)水28.6kg，相當(dāng)于每個(gè)處理周期可以多處理天然氣約1.3×104m3。這一改進(jìn)使天然氣處理廠順利完成擴(kuò)產(chǎn)增效。
    選用新分子篩時(shí)，不僅考察其水吸附能力，而且還要考察其耐溫性能。經(jīng)多次活化測試后發(fā)現(xiàn)新選的4A球形分子篩耐溫性能穩(wěn)定，高溫活化10次后吸水能力能夠穩(wěn)定在原吸附總量的70%～75%。投入裝置使用2a以來，該產(chǎn)品仍穩(wěn)定地保持著75%的吸附性能，這也是保證干燥器吸附總?cè)萘康谋匾獥l件。
3.2 降低干氣攜帶粉塵
    干氣攜帶過多粉塵會(huì)造成換熱器換熱能力降低、深冷凈化裝置壓差增大，整個(gè)系統(tǒng)的阻力增大，造成不必要的能耗浪費(fèi)。目前國內(nèi)很多裝置都存在干燥劑粉塵嚴(yán)重影響深冷凈化的情況，不得不定期對(duì)進(jìn)入深冷凈化裝置的粉塵采取爆破吹掃。
   為降低干氣攜帶粉塵量，丘東采油廠對(duì)于燥器裝置進(jìn)行了以下改造：
   1) 通過電腦程序監(jiān)控操作壓力，在原控制程序中加入壓差變化報(bào)警系統(tǒng)，當(dāng)壓力不穩(wěn)時(shí)及時(shí)通過報(bào)警器輸出信號(hào)通知操作員，操作員可及時(shí)監(jiān)控采氣量、調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力，避免壓力發(fā)生巨大“波動(dòng)”變化。
   2) 改進(jìn)干燥器頂部與底部“篦板”結(jié)構(gòu)。原裝置采用不銹鋼絲網(wǎng)阻隔分子篩，不讓其碎粒輕易流出干燥塔，由于改用了4A球形分子篩，因此選用1.6mm不銹鋼沖孔網(wǎng)替換了原絲網(wǎng)，其結(jié)構(gòu)對(duì)比見圖3。該材料不易在氣流過大或壓力突變的情況下發(fā)生移位，同時(shí)可起到減少分子篩流動(dòng)、摩擦粉化的作用。
 

   3) 選用抗酸分子篩，上海綠強(qiáng)新材料有限公司為工廠設(shè)計(jì)生產(chǎn)的4A球形分子篩除增大產(chǎn)品堆比重外，選用了新型粘結(jié)劑材料，增強(qiáng)了分子篩的抗酸性能，使分子篩能夠吸附原料氣中的少量酸性組分，不被酸性雜質(zhì)腐蝕粉化。這一改進(jìn)不僅降低了于氣攜帶粉塵量，同時(shí)降低干氣中酸性雜質(zhì)的含量，有益于保護(hù)輸氣管線不被腐蝕，延長了裝置的檢修周期。
    4) 改進(jìn)過濾裝置，采用HFB/150天然氣高效沉降過濾器，該裝置過濾器由沉降段及過濾段兩部分組成，沉降段由分隔板構(gòu)成一個(gè)重力沉降室；過濾段安裝有若干只濾芯。當(dāng)含塵氣體進(jìn)入分離器時(shí)，在重力作用下先將粗顆粒雜質(zhì)分離，從而減輕了后續(xù)精密濾芯的負(fù)荷，較細(xì)的雜質(zhì)則隨著氣體由過濾段的濾芯除去，最終氣體得以凈化。改進(jìn)后的過濾器裝置結(jié)構(gòu)圖見圖4。
 

3.3 干燥裝置改進(jìn)帶來的經(jīng)濟(jì)效益
    改進(jìn)后的4A球形分子篩在不改變產(chǎn)品吸水能力的前提下，將產(chǎn)品堆比重從0.66g/mL提高到0.70g/mL，相當(dāng)于1m3干燥器分子篩的填充量至少增加20%，相應(yīng)1m3的吸附容量至少增加了20%。通過選用新型4A分子篩，在不改變原裝置體積的基礎(chǔ)上，提高了脫水裝置的使用效率，降低了干燥劑再生頻率，節(jié)約了裝置成本和在再生加熱運(yùn)行成本，帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。
    改進(jìn)后的除塵過濾器過濾精度高，自2006年至今已經(jīng)運(yùn)行4a多，系統(tǒng)沒有出現(xiàn)過壓差增加的現(xiàn)象，為工廠節(jié)能增效、安全生產(chǎn)作出了貢獻(xiàn)。
4 結(jié)論
    選用新的4A球形分子篩，緩解了分子篩粉化現(xiàn)象，減輕了運(yùn)行人員的工作量。丘東采油廠在2006年進(jìn)行分子篩干燥器改造以來，通過4a的運(yùn)行調(diào)制，沒有發(fā)生過因分子篩干燥器吸水能力不夠或分子篩粉化造成影響正常生產(chǎn)的事故，在增產(chǎn)20%的條件下，分子篩干燥器仍然能夠滿足正常生產(chǎn)的要求，干氣能夠滿足露點(diǎn)低于-80℃的要求。通過4A球形分子篩干燥器的改進(jìn)，提高了裝置的使用效率，延長了裝置的檢修周期，創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。
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(本文作者：劉曉輝1 周永賢2 金偉2 1.中國石油吐哈油田公司丘東采油廠；2.上?；ぱ芯吭?