在天然气开采过程中，汞是一种有害的伴生物，其质量浓度通常为1~200 μg/m3，国内高含汞气田的汞质量浓度甚至可以达到1 930 μg/m3[1]。降低天然气中汞含量，脱除天然气中的汞能够有效防止汞污染，从而保护人身安全[2-5]。
目前，我国规定管输商品天然气中汞质量浓度小于28 μg/m3[6]，国内外天然气脱汞工艺主要有化学吸附、溶液吸收、低温分离、阴离子树脂和膜分离等[7]，其中，化学吸附脱汞工艺在经济性、脱汞效果和环保等方面均优于其他脱汞工艺，可将天然气中汞质量浓度降至0.01 μg/m3，能够满足商品天然气、液化天然气和天然气凝液回收对原料气中汞质量浓度的要求，在国内外天然气脱汞装置中得到广泛应用[8-11]。化学吸附脱汞工艺中脱汞吸附剂由载体和反应物两部分构成，其中载体一般是活性炭、氧化铝和分子筛，反应物为硫、银、碘等物质[12-13]。
为降低含汞气田开发成本，大部分含汞气田采用化学吸附脱汞工艺解决管输商品天然气中汞含量超标的问题，高压脱汞吸附剂的应用已经十分成熟，但在天然气处理过程中汞会渗入到凝析油、富气、乙二醇、污水、燃料气等低压系统中，当对这些介质进行加热、闪蒸等处理时，汞会富集进入闪蒸气中，形成高浓度低压含汞闪蒸气，如果不对低压闪蒸气进行脱汞处理就直接排放至大气，将造成环境污染，危及人员人身健康[14]，国家标准GB 16297-1996《大气污染物综合排放标准》要求排放尾气中的汞及其化合物质量浓度不高于12 μg/m3[15]。因此，本研究对化学吸附脱汞工艺中常用的4种高压脱汞吸附剂对低压闪蒸气的脱汞效果进行了现场试验和评价，筛选出适用于低压闪蒸气脱汞的国产吸附剂，形成低压闪蒸气脱汞工艺技术，可为低压闪蒸气脱汞工艺提供指导和借鉴。
为合理设置低压闪蒸气脱汞设施，选择某含汞气田天然气处理厂作为试验和评价的现场，该天然气处理厂采用J-T阀节流制冷低温分离脱水脱烃、注乙二醇防止水合物的处理工艺，主要工艺单元包括脱水脱烃单元、乙二醇再生单元及凝析油稳定单元，脱水脱烃单元的工艺流程如图 1所示，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-5 ℃左右。原料天然气再经J-T阀作等焓膨胀, 压力降至6.4 MPa，温度降至约-30 ℃，再从中部进入低温分离器进行分离，分离出液态含醇液和凝析油。干气进入干气过滤分离器进一步分离出夹带的少量含醇液和凝析油，再进入醇烃液加热器壳程与原料天然气逆流换热，换热后的干气输送至输气首站。乙二醇再生采用了塔底重沸器加热、塔顶冷回流的精馏方法，提浓乙二醇富液使其再生，要求乙二醇贫液质量分数为85%。再生塔塔顶回流罐排出的未凝气体主要为水蒸气、CO2、微量乙二醇和烃类，经灼烧后排入大气。再生塔塔顶回流罐排出的污水进入污水池。
通过稳态流程模拟软件(virtual materials group simulation，VMGSim)对整个天然气处理工艺系统进行了模拟和实测(见图 2)。从模拟结果可以看出，该天然气处理站高低压系统均分布有大量汞，其中，产品气和乙二醇再生塔塔顶不凝气是汞聚集最多的地方[16]，在所有低压系统中，乙二醇再生塔塔顶不凝气中汞质量浓度最高，且温度对汞质量浓度的影响较大[17]。模拟数据与现场实际检测数据一致，因此，以乙二醇塔塔顶不凝气为试验对象具有统计学意义和普适性。
某含汞气田天然气处理站乙二醇塔塔顶不凝气相关参数见表 1。
低压闪蒸气脱汞试验橇包含2组吸附塔，吸附塔与脱汞分液罐并联设置，低压闪蒸气脱汞试验装置流程示意图如图 3所示，现场照片如图 4所示。低压闪蒸气脱汞流程为：自乙二醇再生塔塔顶回流罐来的不凝气经脱汞分液罐下段分液并进入不凝气加热器加热后至脱汞分液罐或试验装置吸附罐中，与吸附剂在吸附部分发生化学反应吸附，汞以化合物的形式从不凝气中分离，使不凝气中汞质量浓度≤12 μg/m3，不凝气经放空总管再至低压放空分液罐至低压火炬燃烧。分别在不凝气进试验装置前管线和在低压放空分液罐前放空总管上设置取样点，定期通过高量程汞检测仪(德国MERRY TRANCKER生产，型号为MT-3000IP，量程为0~40 000 μg/m3)跟踪检测闪蒸气中汞含量，当闪蒸气中汞含量明显超标时，表明吸附剂达到饱和。
选取4种常用的高压脱汞吸附剂(进口吸附剂1种，国产吸附剂3种)进行低压闪蒸气脱汞效果研究，分别为：进口金属硫化物吸附剂8805、国产金属硫化物吸附剂Tg-1、国产金属硫化物吸附剂DKT813、国产活性炭吸附剂ZS。
低压闪蒸气脱汞试验装置实际运行参数如下：闪蒸气流量(0 ℃，101.325 kPa下)为25 m3/h，闪蒸气压力(G)为0.08 MPa，闪蒸气温度为35 ℃，闪蒸气中汞质量浓度为20 000 μg/m3，吸附剂装填量为18.5 L。
进口金属硫化物吸附剂8805共试验28天，吸附塔出口汞含量情况见图 5。根据测试结果，吸附剂约25天时开始穿透。卸出后的吸附剂形态发生明显变化，吸附剂存在粉化或开裂等现象(见图 6)，使用筛孔直径为2.0 mm的标准筛筛1 min，将筛下物称重，计算得出含粉率(w)为13.5%(吸附剂出厂数据为≤2%)，说明该吸附剂不适用于低压湿气工况。
国产金属硫化物吸附剂Tg-1共试验37天，吸附塔出口汞含量情况见图 7，根据测试结果，吸附剂约34天时开始穿透。卸出后的吸附剂形态保持完好，未发生粉化或开裂等现象(见图 8)，说明该吸附剂适用于低压湿气工况。
国产金属硫化物吸附剂DKT813共试验31天，吸附塔出口汞含量情况见图 9，根据测试结果，吸附剂约28天时开始穿透。卸出后吸附剂形态保持完好，未发生粉化或开裂等现象(见图 10)，说明该吸附剂适用于低压湿气工况。
国产活性炭吸附剂ZS共试验11天，吸附塔出口汞含量情况见图 11，根据测试结果，吸附剂约4天时开始穿透。卸出后的吸附剂形态保持完好，未发生粉化或开裂等现象(见图 12)，说明该吸附剂适用于低压湿气工况，但脱汞效果较差。
为了考查原料气中液体含量对脱汞效果的影响，启动不凝气电加热器，在吸附塔中填充国产金属硫化物吸附剂Tg-1，将进吸附塔的气体温度控制在30 ℃(未启动电加热器前的闪蒸气温度约15 ℃)，进气投运，脱汞试验结果如图 13所示。
根据测试结果，30 ℃下国产吸附剂Tg-1约38天时开始穿透，与未启动电加热器所测数据对比，启动电加热器后，吸附穿透时间更长，吸附剂汞容量更大。结果表明，进料气中液体含量越少，吸附效果越好。
通过开展低压闪蒸气脱汞试验，对低压闪蒸气脱汞处理有了较全面的认识，对现场汞处理具有一定的指导意义，并得出以下研究结论：
(1) 采用VMGSim模拟软件模拟天然气处理工艺所得乙二醇不凝气中汞质量浓度与实测结果接近，汞分布模拟结果对含汞天然气的设计及生产管理具有一定的指导作用。
(2) 根据现场试验结果，用于高压天然气脱汞的吸附剂能满足低压闪蒸气脱汞的要求，可达到废气中汞质量浓度低于12 μg/m3的排放要求。
(3) 在低压闪蒸气条件下，金属硫化物吸附剂脱汞效果明显优于活性炭吸附剂。从4种脱汞吸附剂现场试验评价结果来看，其脱汞效果从大到小的顺序为：国产金属硫化物吸附剂Tg-1>国产金属硫化物吸附剂DKT813>进口金属硫化物吸附剂8805>国产活性炭吸附剂ZS。4种吸附剂中仅进口金属硫化物吸附剂8805在湿气条件下易粉化，不适合在湿气工况下使用。
2023, Vol. 52 Issue (4): 9-13 2023, Vol. 52 Issue (4): 9-13