低含硫天然氣脫硫裝置關(guān)鍵參數(shù)對(duì)凈化氣質(zhì)量影響研究*

游赟 梁平 張哲 王飛

1重慶科技學(xué)院石油與天然氣工程學(xué)院

2復(fù)雜油氣田勘探開發(fā)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

3中國(guó)石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院

4中國(guó)石油天然氣股份有限公司西南油氣田分公司

隨著GB17820—2018《天然氣》[1]和GB37124—2018《進(jìn)入天然氣長(zhǎng)輸管網(wǎng)的氣體質(zhì)量要求》[2]等國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)陸續(xù)出臺(tái)，對(duì)商品天然氣中酸性氣體組分指標(biāo)提出了十分嚴(yán)格的要求。對(duì)此，國(guó)內(nèi)諸多已建的天然氣凈化廠通過(guò)增加H2S、CO2脫除深度以進(jìn)行產(chǎn)品氣質(zhì)量的升級(jí)。對(duì)于低含硫天然氣凈化廠，研究如何調(diào)整裝置生產(chǎn)操作參數(shù)來(lái)迅速實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品氣達(dá)標(biāo)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文利用ASPEN HYSYS 軟件對(duì)中國(guó)石油某低含硫凈化廠的天然氣脫硫裝置進(jìn)行了工藝模擬分析，通過(guò)研究其工藝裝置關(guān)鍵參數(shù)對(duì)生產(chǎn)凈化氣中酸性氣體組分含量的影響及調(diào)整措施，為現(xiàn)場(chǎng)脫硫裝置系統(tǒng)的生產(chǎn)運(yùn)行和優(yōu)化升級(jí)提供理論依據(jù)[3]。

1 脫硫工藝流程模型

1.1 模型搭建

中國(guó)石油某低含硫凈化廠采用MDEA 法脫硫工藝，實(shí)際運(yùn)行時(shí)的產(chǎn)品氣總硫技術(shù)指標(biāo)可滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但存在硫化氫含量超標(biāo)問(wèn)題，對(duì)此通過(guò)脫硫裝置操作參數(shù)的優(yōu)化調(diào)節(jié)進(jìn)行解決。該凈化廠的脫硫裝置設(shè)計(jì)處理規(guī)模375×104m3/d，原料氣中H2S質(zhì)量濃度為1 911.92 mg/m3，總硫質(zhì)量濃度為23 mg/m3，氣質(zhì)組分情況如表1 所示。由于來(lái)料原料氣溫度較低，進(jìn)入吸收塔內(nèi)氣/氣換熱器，利用濕凈化氣加熱原料氣后再進(jìn)入吸收塔中。裝置主要運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表2。MDEA 溶液濃度為40%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）；外輸產(chǎn)品氣控制指標(biāo)中，H2S 濃度≤6 mg/m3，CO2濃度≤3%（摩爾分?jǐn)?shù)，下同）。

應(yīng)用HYSYS 軟件，選用Acid Gas-Chemical Solvents 物性包，構(gòu)建脫硫裝置工藝流程模型如圖1所示。

1.2 模型驗(yàn)證

結(jié)合原料氣組分及裝置運(yùn)行參數(shù)對(duì)搭建的流程模型進(jìn)行全過(guò)程模擬計(jì)算，并將計(jì)算的裝置凈化氣產(chǎn)出結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。由表3 可知，模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)吻合度較高，表明構(gòu)建的流程模型具有較高的準(zhǔn)確性，能夠反映脫硫裝置的運(yùn)行狀況，可為下一步分析提供可靠基礎(chǔ)[4]。

表1 原料天然氣組分Tab.1 Composition of raw natural gas 摩爾分?jǐn)?shù)/%

表2 脫硫裝置運(yùn)行參數(shù)Tab.2 Operation parameters of desulfurization unit

圖1 脫硫裝置工藝流程模型Fig.1 Process flow model of desulfurization unit

表3 凈化氣模擬結(jié)果對(duì)比Tab.3 Simulation results comparison of purified gas 摩爾分?jǐn)?shù)%

2 關(guān)鍵參數(shù)影響分析

2.1 胺液循環(huán)量的影響

保持脫硫裝置其他操作參數(shù)不變，控制流程中MDEA 溶液濃度為40%，模擬胺液循環(huán)量在80～110 m3/h 范圍變化時(shí)，胺液循環(huán)量對(duì)凈化氣中酸性氣體含量的影響（圖2）。

圖2 胺液循環(huán)量對(duì)凈化氣中H2S、CO2含量的影響Fig.2 Effect of amine liquid circulation on H2S and CO2 contents in purified gas

由圖2 可知，隨著循環(huán)量增加，凈化氣中H2S、CO2含量均下降[3]，其中CO2含量一直滿足一類氣要求，H2S 含量在循環(huán)量達(dá)到99 m3/h 以上時(shí)，降至新標(biāo)準(zhǔn)中一類氣要求的濃度6 mg/m3以下。同時(shí)，當(dāng)胺液循環(huán)量達(dá)到105 m3/h 以上，凈化氣中H2S 含量下降速度變緩慢，說(shuō)明此時(shí)增加循環(huán)量所取得的凈化效果已經(jīng)不明顯。因此，實(shí)際操作中單純?cè)黾影芬貉h(huán)量，并不能獲得高效的凈化效果[5-6]。

2.2 胺液濃度的影響

保持脫硫裝置其他操作參數(shù)不變，控制胺液溶液循環(huán)量為75.45 m3/h，模擬胺液濃度在40%～50%范圍變化時(shí)，胺液濃度對(duì)凈化氣中酸性氣體含量的影響（圖3）。

圖3 胺液濃度對(duì)凈化氣中H2S、CO2含量的影響Fig.3 Effect of amine concentration on H2S and CO2 contents in purified gas

由圖3 可知，隨著胺液濃度不斷增大，凈化氣中H2S、CO2含量呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，說(shuō)明產(chǎn)品氣凈化度隨著胺液濃度的提高呈現(xiàn)了惡化的趨勢(shì)。其中，H2S 含量在胺液濃度超過(guò)46%后變化相較明顯，體現(xiàn)了高濃度MDEA 溶液對(duì)H2S 選擇性吸收能力更強(qiáng)。因此，實(shí)際操作中通過(guò)提高胺液濃度來(lái)達(dá)到優(yōu)化的目的并不可取，高濃度的MDEA 溶液不僅使得凈化效果變差，而且造成胺液資源浪費(fèi)，加大了動(dòng)力消耗，還容易產(chǎn)生胺液發(fā)泡等系列問(wèn)題。

2.3 吸收塔塔板數(shù)的影響

保持脫硫裝置其他操作參數(shù)不變，模擬塔板數(shù)在15～30 塊范圍變化時(shí)，吸收塔塔板數(shù)對(duì)凈化氣中酸性氣體含量的影響（圖4）。

圖4 塔板數(shù)對(duì)凈化氣中H2S、CO2含量的影響Fig.4 Effect of tray number on H2S and CO2 contents in purified gas

由圖4 可知，隨著吸收塔塔板數(shù)的增加，凈化氣中H2S、CO2含量下降，但各自的下降速率逐漸變緩。這主要因?yàn)镸DEA 溶液對(duì)于CO2的吸收屬于慢反應(yīng)，增加的塔板數(shù)促進(jìn)了氣液接觸，使得CO2的吸收量相應(yīng)增加[6-7]。同時(shí)CO2和H2S 之間也存在競(jìng)爭(zhēng)吸收關(guān)系[6-7]，此長(zhǎng)彼消，致使溶劑吸收H2S 量發(fā)生了下降。但隨著CO2在MDEA 溶液中溶解度趨近飽和，凈化氣中CO2含量下降速率變緩。

2.4 原料氣壓力的影響

保持脫硫裝置其他操作參數(shù)不變，模擬原料氣壓力在5.2～7 MPa 范圍變化時(shí)，原料氣壓力對(duì)凈化氣中酸性氣體含量的影響（圖5）。

圖5 原料氣壓力對(duì)凈化氣中H2S、CO2含量的影響Fig.5 Effect of raw gas pressure on H2S and CO2 contents in purified gas

由圖5 可知，隨著原料氣壓力的上升，凈化氣中H2S、CO2含量發(fā)生下降，其中H2S 濃度降低約2 mg/m3，CO2濃度降低約0.06%，降幅較小。同時(shí)，由于原料氣壓力提升范圍受限于吸收塔的設(shè)計(jì)壓力，因此提高原料氣壓力難以達(dá)到提升凈化氣質(zhì)量的目的。

2.5 原料氣溫度的影響

保持脫硫裝置其他操作參數(shù)不變，模擬原料氣溫度在10～30 ℃范圍變化時(shí)，原料氣溫度對(duì)凈化氣中酸性氣體含量的影響（圖6）。

圖6 原料氣溫度對(duì)凈化氣中H2S、CO2含量的影響Fig.6 Effect of raw gas temperature on H2S and CO2 contents in purified gas

由圖6 可知，隨著原料氣溫度的降低，凈化氣中H2S、CO2含量出現(xiàn)下降[8]，當(dāng)溫度降低至10 ℃時(shí)，凈化氣中H2S 濃度為7.3 mg/m3，CO2濃度為2.24%，其中H2S 含量雖有較大降幅，但仍不滿足新國(guó)標(biāo)的要求。

2.6 貧液溫度的影響

保持脫硫裝置其他操作參數(shù)不變，模擬MDEA貧液入塔溫度在18～40 ℃范圍變化時(shí)，貧液溫度對(duì)凈化氣中酸性氣體組分含量的影響（圖7）。

圖7 貧液入塔溫度對(duì)凈化氣中H2S、CO2含量的影響Fig.7 Effect of lean liquid entry temperature on H2S and CO2 contents in purified gas

由圖7 可知，降低貧液入塔溫度可使吸收塔溫度降低，促進(jìn)了反應(yīng)程度加深。貧液溫度降低對(duì)凈化氣中H2S、CO2含量的影響與原料氣溫度的影響程度相當(dāng)[8]。但應(yīng)注意的是，吸收塔溫度的降低會(huì)使得富液的溫度降低，這會(huì)增加再沸器的能耗。

3 影響程度排序與優(yōu)化措施

為方便進(jìn)行脫硫裝置關(guān)鍵參數(shù)對(duì)天然氣凈化質(zhì)量影響的相對(duì)強(qiáng)弱分析，采用min-max 標(biāo)準(zhǔn)化方法對(duì)模擬計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行變換處理。

正相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算[9]：

負(fù)相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算[9]：

由此建立以脫硫裝置關(guān)鍵參數(shù)條件的變化程度為橫坐標(biāo)，凈化氣中H2S、CO2含量為縱坐標(biāo)的影響大小關(guān)系圖（圖8、圖9）。

通過(guò)觀察圖中曲線的下降率，對(duì)比在一定操作范圍內(nèi)各運(yùn)行參數(shù)對(duì)H2S、CO2含量的影響程度可知：

（1）操作參數(shù)對(duì)所生產(chǎn)凈化氣中H2S 含量的影響程度由大到小依次為胺液循環(huán)量、原料氣溫度、貧液溫度、原料氣壓力、吸收塔塔板數(shù)、胺液濃度。

圖8 操作條件變化對(duì)H2S 含量的影響Fig.8 Effect of operating conditions on H2S content

圖9 操作條件變化對(duì)CO2含量的影響Fig.9 Effect of operating conditions on CO2 content

（2）操作參數(shù)對(duì)所生產(chǎn)凈化氣中CO2含量的影響程度由大到小依次為胺液循環(huán)量、原料氣溫度、吸收塔塔板數(shù)、貧液溫度、原料氣壓力、胺液濃度。

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中可根據(jù)上述影響程度排序和各關(guān)鍵參數(shù)調(diào)節(jié)難易綜合采取相應(yīng)的優(yōu)化措施，從而提高凈化氣質(zhì)量。根據(jù)前文分析，胺液濃度影響程度較低，且現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際更改吸收塔塔板數(shù)較為困難，因此，對(duì)胺液循環(huán)量、貧液溫度、原料氣溫度和壓力四個(gè)操作參數(shù)應(yīng)用HYSYS 優(yōu)化器選擇序列二次規(guī)劃法進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算[10]，可使凈化氣的H2S、CO2含量達(dá)標(biāo)GB 17820—2018 的一類氣標(biāo)準(zhǔn)。關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化計(jì)算結(jié)果如表4 所示。

4 結(jié)論

（1）應(yīng)用HYSYS 模擬軟件建立中石油某低含硫天然氣凈化廠脫硫裝置流程模型，模擬計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際值對(duì)比，確定了模型具有可靠性，可用于該凈化廠脫硫工藝參數(shù)分析研究。

（2）通過(guò)模擬計(jì)算，分析裝置運(yùn)行過(guò)程中胺液循環(huán)量和濃度、吸收塔塔板數(shù)、原料氣溫度和壓力，以及貧液溫度在一定操作條件變化范圍對(duì)凈化氣中H2S、CO2含量達(dá)標(biāo)新國(guó)標(biāo)的影響效果，任何單一參數(shù)的調(diào)節(jié)都很難取得良好的優(yōu)化效果。

表4 關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化計(jì)算結(jié)果Tab.4 Calculation results of key parameters optimization

（3）結(jié)合min-max 標(biāo)準(zhǔn)化方法，各參數(shù)對(duì)凈化氣中H2S 含量的影響程度由大到小依次為胺液循環(huán)量、原料氣溫度、貧液溫度、原料氣壓力、吸收塔塔板數(shù)、胺液濃度；對(duì)凈化氣中CO2含量的影響程度由大到小依次為胺液循環(huán)量、原料氣溫度、吸收塔塔板數(shù)、貧液溫度、原料氣壓力、胺液濃度。

（4）通過(guò)應(yīng)用HYSYS 優(yōu)化器計(jì)算，進(jìn)一步分析得出使凈化氣的H2S、CO2含量達(dá)標(biāo)GB 17820—2018的一類氣標(biāo)準(zhǔn)，且能耗最低的胺液循環(huán)量、原料氣溫度和壓力、貧液溫度四個(gè)關(guān)鍵操作參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整結(jié)果：增加胺液循環(huán)量至95.50 m3/h，原料氣增壓至5.25 MPa，溫度調(diào)整至20 ℃，貧液入塔溫度降低至34.3 ℃。