半貧液天然氣脫酸工藝優(yōu)化與能耗分析

王媛媛（大慶油田有限責(zé)任公司第五采油廠）

隨著國家“碳中和、碳達(dá)峰”政策的實(shí)施，天然氣作為清潔能源在化石燃料中的占比越來越大。在長距離輸送天然氣前，通常要進(jìn)行凈化處理，包括脫水、脫酸、輕烴回收、天然氣液化、硫磺回收等一系列操作[1-2]。其中，脫酸處理是保證天然氣品質(zhì)的重要環(huán)節(jié)，活化溶劑吸收法是天然氣脫酸的主要手段。甲基二乙醇胺（MDEA）的相對密度大、凝點(diǎn)低、飽和蒸氣壓低，且對于CO2的去除具有選擇性，因此是應(yīng)用最為廣泛的活化溶劑[3-4]。

目前，針對MDEA 法脫酸的工藝研究較多，梁平等[5]采用ProMax 軟件對高含硫天然氣脫硫工藝進(jìn)行了模擬，并利用正交試驗(yàn)對參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化；朱春夢等[6]通過粒子群算法結(jié)合Hysys 軟件智能接口，實(shí)時(shí)對工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化；朱曉燕等[7]對影響脫硫工藝的諸多參數(shù)進(jìn)行了單因素影響實(shí)驗(yàn)，確定了活化配方溶劑。以上研究雖然可滿足標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于天然氣質(zhì)量的要求，但普遍能耗較高，能耗優(yōu)化的空間有限。基于此，提出將原有的一段吸收+一段再生工藝，改為二段吸收+一段再生的半貧液脫酸工藝，并以工藝總輸入能耗為研究對象，進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化和工藝適應(yīng)性研究。

1 基于Hysys 的半貧液工藝模擬

1.1 工藝流程描述

原料氣先進(jìn)入吸收塔底部，與位于頂部和中部進(jìn)料的貧胺液、半貧胺液逆流接觸，在氣液接觸的過程中，根據(jù)不同氣質(zhì)組分在溶劑中的溶解度不同，可將CO2和H2S 脫出，在吸收塔塔頂排出凈化氣。吸收了酸氣的富胺液從塔底流出，經(jīng)節(jié)流閥減壓后進(jìn)入閃蒸罐，將其中的烴類閃蒸出來作為燃料氣。閃蒸后的富胺液通過貧/富液換熱器復(fù)熱后進(jìn)入再生塔頂部，從頂板向底板流動(dòng)，與來自再沸器的高溫蒸汽實(shí)現(xiàn)傳質(zhì)、傳熱，從塔中和塔底分別流出半貧液和貧液，塔頂流出酸性氣體[8-10]。半貧液經(jīng)冷卻、增壓后回流至吸收塔中部；貧液經(jīng)貧/富液換熱器降溫，經(jīng)補(bǔ)水、補(bǔ)充MDEA 溶液后打入吸收塔頂部作為吸收劑。由于半貧液中含有酸性氣體，故重沸器的能耗有所降低，整體工藝的能耗水平得到優(yōu)化。將上述工藝通過Hysys 軟件建模，半貧液脫酸工藝模擬流程見圖1。

圖1 半貧液脫酸工藝模擬流程Fig.1 Simulation flow of semi-lean solution deacidification process

1.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和物性方程

以某氣田中央處理廠原料氣中CO2含量最高時(shí)的組分為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，原料氣數(shù)據(jù)見表1。原料氣壓力5.7 MPa，溫度37.5 ℃，處理量500 kmol/h。

表1 原料氣數(shù)據(jù)Tab.1 Data of raw gas %

活化溶劑吸收法常用的物性方程有Amine-Pkg、Acid gas-chemical solvent 和DBRAmine-Pkg。結(jié)合工藝流程的溫度、壓力范圍，Acid gaschemical solvent 對于高壓非理想化學(xué)體系的模擬效果較好，故選擇該物性方程[8-9]。熱力學(xué)模型解決方案選擇K-Eisenberg 模型。

1.3 模型驗(yàn)證

目前，該中央處理廠尚采用一段吸收+一段再生傳統(tǒng)脫酸工藝，先針對傳統(tǒng)工藝進(jìn)行模擬，驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性，隨后再進(jìn)行半貧液的工藝優(yōu)化，結(jié)果見表2。可見傳統(tǒng)工藝的模擬結(jié)果與現(xiàn)場數(shù)據(jù)吻合性較高，說明建立的流程模擬具有較高準(zhǔn)確性和可靠性，能夠反映脫酸裝置的運(yùn)行工況。但目前傳統(tǒng)工藝對于酸性氣體含量較大的工況并不適用，凈化氣未達(dá)到GB 17820—2018《天然氣》中二類氣的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，而半貧液工藝在未經(jīng)優(yōu)化的情況下，H2S含量大幅下降，CO2含量也滿足二類氣要求，說明改進(jìn)的半貧液工藝具有一定的科學(xué)性。

表2 凈化氣模擬結(jié)果（摩爾分?jǐn)?shù)）對比Tab.2 Comparison of simulation results of purified gas(mole fraction) %

2 工藝參數(shù)影響分析

在脫酸流程中，主要耗能設(shè)備有泵、冷卻器和重沸器，故在此考慮以三者的總和作為工藝總輸入能耗。先對吸收劑（即貧液和半貧液）的參數(shù)進(jìn)行分析，隨后再確定其余操作參數(shù)的范圍。

2.1 吸收劑參數(shù)分析

2.1.1 MDEA 含量

基于圖1 搭建的模型，在貧液循環(huán)量60 m3/h 的條件下，改變貧液中MDEA 的含量，考察凈化氣品質(zhì)和總輸入能耗的變化情況，MDEA 含量對凈化氣品質(zhì)和總輸入能耗的影響見圖2。隨著胺液濃度的不斷增加，凈化氣中CO2和H2S 含量不斷增加，說明凈化氣品質(zhì)不斷惡化，但兩者的增加幅度有所不同。H2S 含量在胺液濃度超過80%后變化明顯，體現(xiàn)了MDEA 對H2S 的選擇性吸收能力更強(qiáng)，MDEA對H2S 的吸收屬于瞬態(tài)反應(yīng)，對CO2的吸收反應(yīng)較慢、較復(fù)雜。此外，考慮總輸入能耗的變化情況呈先降低后快速上升的趨勢，這與富液中酸氣濃度增加，再生塔脫酸氣的能耗增大有關(guān)。同時(shí)胺液濃度過大，會(huì)使富液的腐蝕性更強(qiáng)，對于再生工藝設(shè)備和管道的耐蝕性要求更高，還容易引發(fā)胺液發(fā)泡等一系列問題。因此，綜合考慮凈化氣品質(zhì)和能耗，MDEA 含量30%～50%，最佳取45%。

圖2 MDEA 含量對凈化氣品質(zhì)和總輸入能耗的影響Fig.2 Influence of MDEA content on quality of purified gas and total input energy consumption

2.1.2 MDEA 循環(huán)量

在半貧液循環(huán)量15 m3/h 的條件下，貧胺液循環(huán)量對凈化氣品質(zhì)和總輸入能耗的影響見圖3。隨著貧胺液循環(huán)量的增加，凈化氣中H2S 含量有所增加，CO2含量有所減少，說明MDEA 對H2S 的吸收存在飽和狀態(tài)。其中，H2S 含量始終滿足一類氣的質(zhì)量要求，CO2含量在胺液循環(huán)量小于50 m3/h 時(shí)，無法滿足二類氣的質(zhì)量要求。同時(shí)，循環(huán)量增加后，所需的泵壓、重沸器蒸汽能耗也呈直線上升。因此，綜合考慮凈化氣品質(zhì)和能耗，貧胺液的循環(huán)量為50～60 m3/h。

圖3 貧胺液循環(huán)量對凈化氣品質(zhì)和總輸入能耗的影響Fig.3 Influence of circulation amount of lean amine solution on quality of purified gas and total input energy consumption

在貧胺液60 m3/h 的條件下，改變半貧胺液循環(huán)量，考察凈化氣品質(zhì)和總輸入能耗的變化情況，半貧胺液循環(huán)量對凈化氣品質(zhì)和總輸入能耗的影響見圖4。

圖4 半貧胺液循環(huán)量對凈化氣品質(zhì)和總輸入能耗的影響Fig.4 Influence of circulation amount of semi-lean amine solution on quality of purified gas and total input energy consumption

隨著半貧液循環(huán)量的增加，凈化氣品質(zhì)不斷提高，說明了增加半貧液回流的工藝是有效的，但總輸入能耗持續(xù)上升，這是由于再生塔下塔加熱半貧液的流量增大，且受再生塔結(jié)構(gòu)參數(shù)的限制，胺液在塔內(nèi)的停留時(shí)間變短，導(dǎo)致重沸器負(fù)荷增大。綜合考慮凈化氣品質(zhì)和能耗，貧胺液的循環(huán)量為10～14 m3/h，即貧液/半貧液的分流比為3.6～6.0。

2.2 操作參數(shù)分析

2.2.1 再生塔富液進(jìn)料溫度

再生塔富液進(jìn)料溫度對凈化氣品質(zhì)和總輸入能耗的影響見圖5。隨著再生塔進(jìn)料溫度的上升，凈化氣品質(zhì)有所惡化，總輸入能耗有所降低。這是由于吸收塔內(nèi)的反應(yīng)為放熱過程，較低的吸收溫度有利于反應(yīng)進(jìn)行，故富液進(jìn)料溫度越低，貧液和半貧液的溫度也越低，可增大吸收塔內(nèi)酸性氣體的吸收，凈化氣品質(zhì)有所上升。溫度越高，塔內(nèi)胺液提升至再沸溫度所需的溫升越小，且再生塔內(nèi)溫度從塔底到塔頂整體梯度上移，增加了氣相出口酸氣的釋放量，導(dǎo)致塔底重沸器的能耗減小。綜合考慮凈化氣品質(zhì)和能耗，再生塔富液進(jìn)料溫度為80～90 ℃。

圖5 再生塔富液進(jìn)料溫度對凈化氣品質(zhì)和總輸入能耗的影響Fig.5 Influence of rich liquid feed temperature of regenerator on quality of purified gas and total input energy consumption

2.2.2 再生塔回流比

再生塔回流比對凈化氣品質(zhì)和總輸入能耗的影響見圖6。隨著回流比的增加，貧液和半貧液的流量也增大，塔內(nèi)氣液傳質(zhì)的推力上升促進(jìn)酸氣解析，故凈化氣的品質(zhì)有所提升，但回流比過大會(huì)增加塔內(nèi)物料的循環(huán)量，增加降液管液泛、霧沫夾帶液泛的可能性，增大冷凝器能耗。綜合考慮凈化氣品質(zhì)和能耗，再生塔回流比為1.3～1.7。

圖6 再生塔回流比對凈化氣品質(zhì)和總輸入能耗的影響Fig.6 Influence of reflux ratio of regenerator on quality of purified gas and total input energy consumption

2.2.3 原料氣壓力

原料氣壓力對凈化氣品質(zhì)和總輸入能耗的影響見圖7。隨著原料氣壓力的升高，凈化氣品質(zhì)有所提升，但明顯壓力對CO2的影響更大，這是由于MDEA 對CO2的吸收屬于物理吸收和化學(xué)吸收共存，根據(jù)亨利原理，酸氣分壓與溶解度呈正比，壓力越大，酸氣分壓越高，吸收推力也越大，溶液的酸氣負(fù)荷增加，凈化效果變好。此外，進(jìn)塔壓力的升高意味著出塔壓力的提高，在閃蒸壓力不變的前提下，與閃蒸罐之間的壓差變大，從富液中釋放的閃蒸氣有所增加，富液酸氣負(fù)荷變小，能耗有所降低。原料氣壓力受吸收塔設(shè)計(jì)壓力的限制，綜合考慮凈化氣品質(zhì)和能耗，原料氣壓力應(yīng)在5～6 MPa。

圖7 原料氣壓力對凈化氣品質(zhì)和總輸入能耗的影響Fig.7 Influence of raw gas pressure on quality of purified gas and total input energy consumption

2.2.4 原料氣溫度

原料氣溫度對凈化氣品質(zhì)和總輸入能耗的影響見圖8。原料氣溫度越高，凈化氣的品質(zhì)越差，但總體影響較小。這是由于在動(dòng)力學(xué)方面，溫度升高有利于增加酸性介質(zhì)與MDEA 的化學(xué)反應(yīng)速率，促進(jìn)酸氣吸收；在熱力學(xué)方面，吸收反應(yīng)為放熱反應(yīng)，溫度越高，化學(xué)平衡常數(shù)越小，越不利于吸收，兩者共同作用下，吸收效果變差。此外，溫度越高，后續(xù)富液進(jìn)再生塔的溫度也越高，降低了重沸器負(fù)荷，總輸入能耗有所減少。原料氣溫度同樣受吸收塔設(shè)計(jì)溫度的限制，綜合考慮凈化氣品質(zhì)和能耗，原料氣溫度為20～30 ℃。

圖8 原料氣溫度對凈化氣品質(zhì)和總輸入能耗的影響Fig.8 Influence of raw material temperature degree on purifying gas quality and total input energy consumption

3 能耗優(yōu)化方法及效益分析

通過上述分析確定影響半貧液脫酸工藝能耗的關(guān)鍵參數(shù)，采用最優(yōu)化理論確定最佳工藝參數(shù)，利用Hysys 自帶優(yōu)化器求解。優(yōu)化算法包括黑箱法、序貫二次規(guī)劃法、擬牛頓法、共軛梯度法、混合法等[10]，根據(jù)不同算法在非約束問題、不等式約束問題、等式約束問題和導(dǎo)數(shù)計(jì)算方面上的適用范圍，選擇黑箱法求解。

目標(biāo)函數(shù)見式（1）：

式中：Q為總輸入能耗，kW；Q1、Q2、Q3分別為泵、冷卻器和重沸器的能耗，kW。

采用相同的氣源參數(shù)，優(yōu)化結(jié)果對比見表3。

表3 優(yōu)化結(jié)果對比Tab.3 Comparison of optimization results

優(yōu)化的半貧液工藝中凈化氣品質(zhì)優(yōu)于傳統(tǒng)工藝和優(yōu)化前的半貧液工藝，且總輸入能耗分別降低了11.16%、7.52%，證明了半貧液工藝改進(jìn)的有效性和實(shí)用性。

通過鋪設(shè)管線，增設(shè)泵、冷卻器等設(shè)備，對傳統(tǒng)脫酸工藝改進(jìn)，改進(jìn)后設(shè)備總投資為70 萬元（泵揚(yáng)程50 m，費(fèi)用20 萬；冷卻器功率1 000 kW，費(fèi)用30 萬元；管線D168 mm×6 mm，費(fèi)用20 萬）；可節(jié)約能耗632 kW，按照年運(yùn)行天數(shù)300 d，電價(jià)0.5 元/kWh 核算，每年可節(jié)約電費(fèi)227 萬元，改造當(dāng)年即可實(shí)現(xiàn)成本回收，具有較大的經(jīng)濟(jì)效益。此外，凈化氣品質(zhì)的提升，一方面提高了天然氣的燃燒熱值，另一方面緩解了設(shè)備和工藝管道的腐蝕情況，這部分經(jīng)濟(jì)效益也不可估量。

4 結(jié)論

1）利用Hysys 軟件在一段吸收+一段再生脫酸工藝的基礎(chǔ)上，增加從再生塔到吸收塔的半貧液管線，建立了適合原料氣酸性含量較大的脫酸工藝流程。

2）利用控制變量法對吸收劑參數(shù)和操作參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，得到MDEA 含量應(yīng)在30%～50%，最佳取45%；貧胺液的循環(huán)量應(yīng)在50～60 m3/h，貧液/半貧液的分流比3.6～6.0；再生塔富液進(jìn)料溫度80～90 ℃；再生塔回流比1.3～1.7；原料氣壓力應(yīng)在5～6 MPa，溫度在20～30 ℃。

3）利用黑箱優(yōu)化算法在滿足凈化氣品質(zhì)的前提下，優(yōu)化總輸入能耗，優(yōu)化后不僅凈化氣品質(zhì)有所提升，能耗也有所下降，較傳統(tǒng)工藝相比，總輸入能耗降低了11.16%，年節(jié)約成本約227 萬元。