一種耦合酸氣提濃的天然氣脫硫脫碳系統及方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于天然氣處理技術領域，具體涉及一種耦合酸氣提濃的天然氣脫硫脫碳系統及方法。
【背景技術】
[0002]由于我國能源需求與日倶增，同時環保要求更加嚴格，天然氣作為一種優質、高效、清潔的能源，在一次能源消費中的比例日益提高。隨著我國天然氣開發不斷增多，無論是以管輸氣為目的的天然氣處理廠還是以LNG液化為目的的含硫天然氣預處理裝置，天然氣處理裝置規模越來越大。目前我國設計建設的天然氣處理裝置單列處理量均低于國外水平，處理規模的增大主要通過增加成套裝置列數來實現。國外天然氣處理整體朝著大型化方向發展，采用單套大型化裝置技術實現天然氣高效處理，提高經濟效益，但大型化天然氣處理技術仍掌握在國外公司手中。
[0003]脫硫脫碳裝置是含硫天然氣處理中主體裝置，用以脫除原料天然氣絕大部分H2S、CO2、有機硫等雜質氣體。大型脫硫脫碳技術面臨裝置操作波動大、溶劑損耗多和下游裝置處理負荷大等問題。因此，突破大型化脫硫脫碳技術是解決大型化天然氣處理技術的關鍵。
[0004]目前全世界廣泛使用的大型天然氣脫硫脫碳工藝都是以常規胺法脫硫脫碳工藝為基礎進行的改進。國外公司的改進思路主要分為兩種:一種是通過采用高效脫硫脫碳溶劑實現相同處理規模情況下減小設備尺寸，如aMDEA工藝；另一種是采用改進工藝流程，使脫硫脫碳裝置滿足大型化后的裝置穩定性要求，如MDEAmax工藝。下面將分別介紹上面兩種典型的工藝:
[0005](I) aMDEA工藝采用利用aMDEA專利溶劑對H2S具有高的選擇性，特別是原料氣中H2S含量很低而CO2分壓極高的場合，在大型脫硫脫碳裝置中使用較低的溶液循環量實現在保證產品氣CO2含量合格的情況下高效脫除絕大部分H2S。由于aMDEA溶劑的化學和熱穩定性比較好，選擇性脫硫效率比普通MDEA溶劑高，溶劑用量較少，可以一定程度減小裝置設備規模。該工藝雖然利用aMDEA對H2S具有高的選擇性，已經減少了溶液對0)2的吸收，但要保證原料氣中較高的0)2能夠脫除到相對較低的水平，仍有可觀數量的CO 2溶解在aMDEA溶液中，隨著溶液再生過程脫除的H2S和CO2進入酸氣中，并送至下游硫磺回收裝置或其他酸氣處理裝置，這些下游裝置的作用是處理酸氣中有毒的H2S,實現硫高效回收和尾氣達標排放，在酸氣處理過程中CO2僅作為惰性氣體不參與任何反應。aMDEA工藝并沒有考慮到硫磺回收裝置的設備尺寸與酸氣總量成正比關系，而酸氣中CO2的存在使得硫磺回收裝置的設備尺寸有很大程度的浪費，這種浪費現象在大型化天然氣處理過程中將更加突出，有可能當酸氣中0)2濃度高到一定程度，使硫磺回收裝置設備尺寸超大，并且成為大型天然氣處理裝置全流程中新的設計、制造或運輸瓶頸。
[0006]⑵MDEAmax工藝特點主要是通過選擇高濃度的MDEA溶液(濃度為50wt % )強化脫硫脫碳效果，單位體積的高濃度胺液能夠吸收更多H2S和C02，從而降低溶液循環量，減小相同處理規模條件下的設備尺寸。但是高濃度MDEA溶液存在著粘度偏高，溶液發泡傾向增大，操作不穩定，濕凈化天然氣夾帶溶液量增大，溶液損耗高等問題。該工藝在大型脫硫脫碳裝置中操作不穩定、溶劑損耗高等問題將被進一步放大，為了解決這些問題，MDEAmax工藝在常規胺法脫硫脫碳流程基礎上，在溶液循環回流的貧液段增加一個貧液緩沖罐，利用貧液緩沖罐巨大的溶液儲量平衡各設備內液面的劇烈波動；同時，在吸收塔頂濕凈化天然氣出裝置前設置水洗塔，將濕凈化天然氣用常溫除氧水進行水洗回收濕凈化氣夾帶的胺液，并將胺液送至脫硫脫碳裝置閃蒸罐中，從而降低溶液損耗。雖然MDEAmax工藝很好地解決了大型脫硫脫碳裝置操作穩定性和溶劑損耗問題，但仍然沒有注意到MDEA對H2S和CO2的共吸作用在大型化過程中對下游硫磺回收裝置設備尺寸過大的影響。MDEA對H2S和CO2的共吸作用造成再生酸氣進入下游硫磺回收裝置時H2S濃度偏低，受反應平衡影響，硫收率偏低，如果原料氣中C/S較高時，可能造成脫硫酸氣中H2S濃度更低，迫使硫磺回收工藝采用分流法，并采用燃料氣助燃，進一步影響硫收率。為了避免硫磺回收工藝采用分流法，工程中常在脫硫脫碳裝置與硫磺回收裝置之間設置酸氣提濃裝置(工藝原理和設備種類與脫硫脫碳裝置類似)，利用該裝置對脫硫脫碳裝置產生的酸氣進行提濃，脫除大部分C02，提高進入硫磺回收裝置酸氣的H2S濃度，既能避免采用分流法，又能降低進入硫磺回收裝置的酸氣量，進而減小硫磺回收裝置設備和管線尺寸。但這種方案需要增加一整套酸氣提濃裝置，工程投資高，且占地面積大。
【發明內容】
[0007]為了克服現有技術的缺點，本發明提供了一種耦合酸氣提濃的天然氣脫硫脫碳系統及方法，該系統及方法既能夠完成常規天然氣脫硫脫碳功能，同時又能夠利用H2S和CO2的閃蒸特性和以MDEA為基質的胺液對H2S的選擇性吸收特性對富液中H2S含量提濃，并分別匹配高壓天然氣脫硫脫碳和低壓酸氣提濃工藝條件，完成酸氣提濃過程。本發明適用于大型天然氣脫硫脫碳裝置和含硫原料天然氣直接LNG液化的脫硫脫碳預處理裝置，能解決天然氣脫硫脫碳裝置大型化存在的問題，同時顯著減小下游硫磺回收裝置設備尺寸和能耗。
[0008]本發明所采用的技術方案是:一種耦合酸氣提濃的天然氣脫硫脫碳系統，包括依次連接的天然氣過濾分離系統、溶液吸收系統、閃蒸提濃系統和溶液再生系統，其中:
[0009]所述天然氣過濾分離系統包括依次連接的重力分離器和過濾分離器；
[0010]所述溶液吸收系統包括依次連接的吸收塔和濕凈化氣水洗塔；
[0011]所述閃蒸提濃系統包括依次連接的一級閃蒸裝置、貧富液換熱器、富液加熱器和二級閃蒸裝置；所述一級閃蒸裝置包括一級閃蒸罐和一級閃蒸塔，所述二級閃蒸裝置包括依次國依次連接的二級閃蒸罐、二級閃蒸氣冷卻器和二級閃蒸塔；
[0012]所述溶液再生系統包括再生塔、再生塔頂回流罐和再生塔重沸器，所述再生塔頂部氣體出口通過再生塔頂冷凝冷卻器與再生塔頂回流罐連接，再生塔頂回流罐的液體出口經再生塔回流栗與再生塔上部液體入口相連。
[0013]進一步地，在所述脫硫脫碳吸收塔和再生塔之間設置有溶液穩定系統，所述溶液穩定系統包括依次連接的熱貧液栗、貧液空冷器、貧液后冷器、貧液緩沖罐、貧液升壓栗和貧液冷卻器；所述熱貧液栗與貧富液換熱器連接，所述貧液冷卻器的液體出口分別與一級閃蒸塔和二級閃蒸塔的上部液體入口連接。
[0014]進一步地，所述溶液穩定系統中設置有溶液過濾系統，所述溶液過濾系統包括依次連接的貧液過濾栗、貧液預過濾器、活性炭過濾器和貧液后過濾器，所述貧液后過濾器的液體出口與貧液緩沖罐的上部入口相連；所述貧液緩沖罐的下部出口與貧液過濾栗的入口相連。
[0015]本發明還提供了一種耦合酸氣提濃的天然氣脫硫脫碳方法，包括如下步驟:
[0016]步驟一、含硫原料天然氣首先經重力分離器和原料氣過濾分離器分離除去機械雜質、游離水和污油；
[0017]步驟二、分離后的天然氣在操作壓力為6?1MPa(g)的吸收塔內脫除原料氣中大部分的H2S、CO2等雜質氣體，吸收塔塔頂排出的濕凈化氣進入濕凈化氣水洗塔完成水洗后進入下游裝置；
[0018]步驟三、吸收塔塔底排出的60?75°C的富液與濕凈化氣水洗塔排出的液體一同進入一級閃蒸罐:閃蒸后的閃蒸氣進入操作壓力為0.5?0.7MPa(g)的一級閃蒸塔與貧液逆流接觸凈化后至燃料氣系統；閃蒸后的富液經貧富液換熱器換熱后溫度為80?110°C，然后經過富液加熱器換熱至90?120°C后進入二級閃蒸罐:閃蒸后的閃蒸氣經二級閃蒸氣冷卻器冷卻后進入操作壓力為0.3?0.5MPa(g)的二級閃蒸塔與貧液逆流接觸凈化后至燃料氣系統或低壓放空火炬；
[0019]步驟四、二級閃蒸塔底富液和二級閃蒸罐底富液分別栗送至操作壓力為0.08?
0.12MPa(g)的再生塔，富