高含硫天然氣凈化裝置節能技術研究

曹振濤，李長春，李景輝，李卓彥

（1.中石化廣元天然氣凈化有限公司，四川廣元 628400，2.四川中澤油田技術服務有限責任公司，四川廣元 628400）

十九大以來我國對節能降耗、綠色環保工作愈發重視，相關政策陸續發布。天然氣作為一種清潔能源，在我國能源結構體系中所占比例逐年增加，成為我國新時期的安全高效的現代能源體系的重要戰略資源。隨著國內含硫天然氣田大規模的開發，高含硫天然氣凈化裝置在我國能源工業中占有越來越重要的位置，天然氣凈化裝置的節能減排工作已逐步受到業界關注。由于天然氣脫硫工序涉及到高溫、高壓、高毒等高危過程，且其具有高含硫、收率低、腐蝕性強、單位能耗高、危險級別高等特點，致使天然氣凈化裝置運行能耗占整個天然氣開發過程的很大比例。研究高含硫天然氣凈化裝置能耗結構，確定降低凈化過程能耗的技術和方法，對高含硫天然氣凈化的科學合理運行具有重要的科學意義和廣闊的實際應用前景。

1 天然氣凈化裝置能耗結構分析

天然氣凈化廠主要使用一次能源和二次能源，一次能源有燃料氣，二次能源有電力與蒸汽，其中蒸汽為廠內自產；耗能工質包括各類水、壓縮空氣、氮氣等，其中新鮮水由外部供給，其他工質由廠內自產。川渝地區某天然氣凈化廠2019年全廠綜合能耗132 991.6t 標煤，凈化氣單位油氣綜合能耗為47.61kg/t，各能耗占比情況如圖1所示。

圖1 某凈化裝置能耗影響占比圖

由圖1可看出，凈化裝置的能耗主要以蒸汽、用電及燃料氣消耗為主，采用先進的節能工藝、節能設備、合理調控工藝參數以降低蒸汽、用電及燃料氣消耗，是凈化裝置節能減排的主要思路。

2 節能降耗技術分析

2.1 傳統節能降耗工藝技術

（1）串級吸收聯合再生工藝。凈化裝置最大的能耗為溶劑再生蒸汽消耗，提高吸收效率、降低再生溶劑量成為了最直接的節能方式；基于此考慮，目前國內越來越多的凈化廠開始應用串級吸收聯合再生工藝，將天然氣脫硫塔分為兩段設計，一段使用貧溶劑吸收，二段使用一段及尾氣吸收塔的半富液進行吸收，溶劑混合后一起送入再生塔進行再生，有效提高了脫硫效率，降低了溶劑循環量，降低了溶劑再生成本。

（2）閃蒸汽回用工藝。目前國內外的凈化裝置基本都對閃蒸汽進行了回收利用，主要做法為在閃蒸罐上設置小型的吸收塔，將閃蒸汽從閃蒸罐進入閃蒸汽吸收塔進行脫硫脫碳后并入燃料氣管網或直接送至尾氣焚燒爐燃燒。針對溶劑發泡后閃蒸汽攜帶胺液無法回用的情況，普光凈化廠通過增大閃蒸汽吸收塔的直徑、控制溶劑發泡趨勢等方式解決[4]。

（3）余熱回收工藝。傳統凈化工藝包在設計時對余熱回收方面已進行了充分考慮，如脫硫單元設置板式貧富液換熱器、硫磺回收單元設置余熱鍋等。在傳統余熱回收工藝的基礎上，目前業內也開始更多的關注低溫余熱回收，如中國石化工程建設有限公司為元壩氣田設計的工藝包中，開發了新的TEG再生廢熱回收流程，利用貧TEG 溶劑回收TEG 再生塔頂的低溫余熱，TEG 再生能耗減少20%。

（4）工業水回用工藝。酸水汽提單元的凈化水經處理合格后回用至循環水系統作為補充水使用，降低新鮮水的用量。采用凝結水回收器回收蒸汽凝結水，提高凝結水的回收壓力，降低二次蒸發的損失。

（5）選用節能設備。常見的節能設備主要有液力透平和蒸汽透平，分別利用高壓富溶劑和高壓蒸汽驅動透平機運轉，以節約電量消耗，節能工作的重點之一即是提高節能設備的投用率。

2.2 節能措施探討

（1）工藝參數優化。①聯合裝置再生蒸汽調控；根據不同負荷下胺液吸收的酸性組分量不同，合理調控蒸汽用量，通常處理負荷越低，再生蒸汽量越少；在滿足硫磺回收單元對酸性氣壓力要求的條件下，盡可能降低脫硫單元溶劑再生塔的操作壓力，以降低溶劑再生塔底重沸器的熱負荷。②燃料氣用量優化；通常尾氣焚燒爐溫度不宜高于600℃，放空火炬的密封氣流動速度控制小于0.02m/s，以降低燃料氣消耗。③處理負荷調控；裝置的單位能耗隨負荷增加而降低，故在生產過程中保持一個相對較高且穩定的負荷。④胺液循環量優化，通過調整吸收塔的進料位置，增加吸收塔的塔板數，可增加溶劑的吸收效果，以達到降低循環量的目的。此外，選用具有良好脫硫化氫及有機硫能力的復合脫硫溶劑，也可降低脫硫用的溶劑循環量。

（2）開停工節能降耗技術。①聯合裝置凈化氣反充壓技術。凈化裝置在開工過程中需對系統進行高壓氮氣充壓，在開工引原料氣過程中，大量的N2和原料氣混合，導致濕凈化氣中N2含量超過產品標準，引發產品氣不合格并放空。在產品氣出界區管線上設置一根副線，利用在運裝置的產品氣對停工裝置進行反向沖壓，以凈化產品氣替代氮氣進行系統開工前建壓，可避免開工過程天然氣放空。②停工燃料氣回用技術。裝置停工后脫硫脫水高壓區泄壓的燃料氣直接放空至高壓火炬，造成資源浪費；可在高壓區天然氣管線上增設一根連通至燃料氣管網的管線，將停工后脫硫脫水高壓區泄壓的燃料氣回用。

（3）低溫余熱利用。天然氣凈化工藝中采用了大量空冷和水冷器對100～150℃的介質進行降溫，如：再生塔頂出口尾氣設置冷卻器、加氫反應器后設置急冷塔等，該方式直接放棄了介質的低溫余熱的回收利用，開發耐腐蝕的熱回收設備及工藝技術，可提高余熱回收率。

（4）設備利用率提升。根據處理負荷變化和蒸汽供應情況及時投用蒸汽透平等節能設備。采用空冷加水冷的冷卻方案，在滿足工藝要求的前提下盡可能地節約用水，降低能耗，且在夏冬季節根據氣溫，評估水冷及空冷的能耗情況，合理調配。對部分設備采用變頻調節，以降低設備的電消耗。

（5）強化節能管理。抓好節能降耗基礎管理，制定節能管理制度和要求；摸清家底，主要包括節能計量器具、高耗低效設備、運行負荷不匹配、各類能耗占比等情況；根據摸底和分析，抓住重點，深挖各環節節能降耗工作點；抓好節能降耗技術引進和應用，結合生產實際加大節能技術的推廣。建立節能降耗工作機制，制定節能目標、計劃、組織結構、各項報表等相關內容。

3 總結

在資源短缺的大形勢下，天然氣凈化廠應在設計階段就采用先進的節能工藝技術，投產運行后開展節能降耗技術系統研究攻關，總結固化效果顯著的生產運行管理經驗和指導制度，在水、電、蒸汽、燃料氣、廢氣等方面采取先進工藝和優化措施，提高能源綜合利用效率，實現了能源利用最優北、運行管理精細化、經濟效益最大化。