提高MDEA溶液脫碳的單位脫除率

＊張 伍

（中海石油深海開發有限公司 廣東 519000）

引言

隨著全球對環境保護和可持續發展的重視日益加強，天然氣作為一種清潔能源，其處理和利用過程中的脫碳環節愈發重要。脫碳，即從天然氣中去除二氧化碳（CO2），不僅能提升天然氣熱值，也有助于加強管道和設備的保護，延長其使用壽命。目前，眾多脫碳技術中，物理吸收法、化學吸收法和膜分離技術等被廣泛應用，各自具有特定的優缺點。例如，物理吸收法通常用于高壓和低CO2濃度的條件下，而化學吸收法適用于低壓和高CO2濃度的情況。在這些方法中，使用MDEA溶液作為吸收劑的化學吸收法因其高效和較低成本而被廣泛應用于天然氣處理行業。MDEA溶液以其對CO2的高選擇性和較低的再生能耗，在脫碳領域的應用研究中占據重要位置。

盡管MDEA溶液脫碳技術已被廣泛采用，當前終端現行脫碳系統的CO2單位脫除率仍未達到理想水平，這導致了碳排放的增加、能源消耗以及運營成本的上升。因此，本文將基于終端項目的實際狀況，深入探究影響MDEA溶液脫碳效率的關鍵因素，并提出有效的改進措施。

1.脫碳技術

(1)CO2脫除技術的發展

天然氣處理過程中的脫碳是提高天然氣質量和環境保護的關鍵步驟。近年來，CO2脫除技術經歷了顯著的發展，特別是在物理和化學吸收方法上的創新。在終端項目中，這種技術的應用非常顯著，其中包括配置了大規模脫碳裝置，有效地處理了大量的天然氣中的CO2。這些進步不僅提高了脫碳效率，還減少了環境污染。

(2)MDEA溶液的脫碳機制

在眾多脫碳技術中，使用MDEA溶液的方法因其高效性和成本效益而受到重視。MDEA，即甲基二乙醇胺，是醇胺法中的一種，屬于物理化學吸收法。在終端項目的應用中，MDEA溶液在吸收塔中吸收原料氣中的CO2氣體，有效地從天然氣中去除二氧化碳。這一機制的核心是MDEA溶液與CO2的高效反應，CO2首先在水中溶解形成碳酸（H2CO3），碳酸會電離成碳酸氫根離子（）和氫離子（H+），MEDA作為叔胺，與碳酸氫根離子反應，形成相應的鹽類和水，反應方程式為：→R3NHCO3，其中R3N為MDEA（甲基二乙醇胺）的化學結構。MDEA的高選擇性、低腐蝕性、較低的能量消耗以及較高的CO2吸收容量的特性，使得脫碳過程更加高效和環保。

(3)脫碳效率提升策略

提升脫碳效率是當前天然氣處理行業的重要目標。高效的脫碳不僅提高天然氣的質量，還有助于減少環境污染。在終端項目的例子中，通過對MDEA發泡問題的分析，找出了提升脫碳效率的關鍵策略。通過改進密封方式、調整溫度參數和優化設備配置，可以有效地控制MDEA溶液的發泡問題，從而提高脫碳效率。

(4)存在的問題和挑戰

脫碳技術的應用中，特別是在使用MDEA溶液進行CO2吸收時，面臨著多項技術壁壘。這些挑戰涵蓋了MDEA溶液的化學選擇性、效率、穩定性及其環境和經濟影響。在脫碳過程中，若地下槽的密封性不足以導致外界空氣滲透，或MDEA溶液的再生溫度未得到適宜調控以維持其再生效率，以及換熱器入口處濾器的選擇精度不符合要求，這些情況均將導致MDEA溶液出現發泡現象，極大程度影響其脫碳效能。MDEA溶液的發泡問題不僅降低了脫碳效率，還可能導致操作上的困難，如溶液溢出和設備損壞。MDEA脫碳過程尤其在溶液再生階段需要大量能源，這不僅增加了運營成本，還可能增加整個過程的碳足跡。優化能源消耗與經濟性之間的平衡，處理使用后溶液中的化學物質和潛在的環境釋放問題，是脫碳技術應用的關鍵。因此，為解決這一問題，本文深入分析MDEA溶液的化學性質，并在工藝設計上做出相應調整。

2.實驗設計

(1)要因分析

為了識別和解決影響MDEA溶液脫碳效果的核心問題，首先對脫碳系統CO2脫除率問題進行調查、統計分析。該調查評估共涵蓋500個數據，涵蓋MDEA溶液脫除效果差、脫碳單元流程不穩定、設計與實際運行組分偏差、CO2含量測定色譜儀不準及其他監測項目。其中，通過對92次不合格點的統計分析，發現MDEA溶液脫除效果差的問題占比高達87%，是導致脫碳系統CO2脫除率低的主要問題。

圖1 MDEA溶液脫除效果差問題排列圖

基于以上的分析結果，進一步對“MDEA溶液脫除效果差”進行第二層分析，深入剖析MDEA溶液的哪一性質導致CO2脫除率低。第二層分析包含了80個數據點，涵蓋MDEA溶液發泡、MDEA酸氣負荷高、MDEA濃度配比低、MDEA損失量大以及其他項目，從調查結果發現，MDEA溶液發泡占導致脫除效果差的比例高達85%。因此，造成MDEA溶液脫除效果差的問題癥結是“MDEA溶液發泡”。

(2)可行性論證

通過查閱終端脫碳系統歷史運行數據（2019年7月至2020年3月）得知，在脫碳系統運行狀況最佳狀態下，系統運行穩定，CO2的脫除率能夠達到70%以上，表明在理想條件下系統有著更高的性能潛力。在同類設施設備的對比分析中，通過與中海油同類設施設備對比，證實了終端MDEA脫碳系統在理論上具有達到或超過69%脫除率的潛能。

進一步為論證解決MDEA發泡問題的可行性，采用了預測分析方法。通過對MDEA溶液發泡問題解決程度的預測模型分析可得，當解決98%的MDEA溶液發泡問題時，脫碳系統的CO2單位脫除率可達到95%左右。同時，結合QHSE制度與風險矩陣，風險等級可控制在4以下，即風險可控。

3.原因剖析

(1)MDEA發泡問題分析

MDEA溶液發泡問題在脫碳系統中尤為關鍵，根據MDEA發泡影響因素關聯圖，有助于識別可能的原因和它們之間的相互關系。關聯圖表明，有七項末端因素可能導致MDEA溶液發泡，包括地下槽密封方式、生成軟水設備流量參數、MDEA再生溫度、MDEA選型、活性炭過濾器中活性炭更換周期、預冷器溫度參數以及MDEA溶液換熱器入口濾器精度。

圖2 MDEA發泡影響因素關聯圖

(2)確認關鍵影響因素

PDCA管理方法，也稱為德明環，是一種用于持續改進流程和產品的迭代管理技術。本文基于PDCA管理法的系統化方法來對7項末端因素進行逐項確認與驗證。通過綜合分析，實驗最終確認了三個主要原因：地下槽密封方式的不適用可能導致外部空氣進入，從而引發MDEA溶液發泡；MDEA再生溫度的不適宜設置可能影響溶液的再生效率，進而影響CO2的吸收效果；MDEA溶液換熱器入口濾器的精度選擇不當可能導致雜質積累，進而影響整個脫碳過程。

4.改進措施及結果分析

(1)針對識別問題的改進策略

對于地下槽密封方式的不適用性，可以選擇優化地下槽的密封方式，對地下槽密封方式進行了改造，通過連接儀表管使用氮氣對地下槽進行小氣量氮封，并增加了胺液凈化裝置，以消除系統中的穩態鹽。對于MDEA再生溫度參數不適用的問題，提高MDEA再生溫度至100℃，同時保證了產生的熱負荷能耗較低。針對MDEA溶液換熱器入口濾器精度選擇問題，可以從兩個方面入手，一是避免溶液換熱器再堆積雜質，二是清理溶液換熱器中已堆積的雜質。

(2)改進措施的效果分析

改進方案實施后，對實施效果進行了跟蹤檢查，特別是測試了脫碳系統CO2單位脫除率，以評估每項措施的有效性。從圖3方案實施前后目標值對比柱狀圖可以看出，改進方案實施后脫碳系統CO2單位脫除率為72.1%，高于目標值69%。

圖3 改進措施實施前后目標值對比柱狀示意圖

為證實CO2單位脫除率提高結果的可信度，對改進方案實施后問題占比做二次分析，做出措施后MDEA溶液脫除效果差問題頻數統計表，并繪制排列圖，以明確主要癥結是否得到解決。從圖4的數據分析可見，MDEA溶液的發泡問題解決程度已達98.5%，不再構成主要癥結。這一顯著成果表明，采取的措施效果卓越，成功地解決了此前的主要問題。

圖4 措施實施后MDEA溶液脫除效果差問題排列圖

5.結語

本文圍繞提高終端項目脫碳單元的CO2單位脫除率，通過對MDEA溶液脫碳效果的核心問題要因的一一排查，以解決MDEA發泡問題的可行性作為輔論，深入剖析了MDEA的發泡問題。通過實驗最終確認了三個主要原因：地下槽密封方式的不適用可能導致外部空氣進入，從而引發MDEA溶液發泡；MDEA再生溫度的不適宜設置可能影響溶液的再生效率，進而影響CO2的吸收效果；MDEA溶液換熱器入口濾器的精度選擇不當可能導致雜質積累，進而影響整個脫碳過程。基于以上三個關鍵原因，提出對應的改進措施，并在措施實施后進行效果分析。結果表明，改進措施實施后，在對MDEA溶液發泡問題的處理上，其解決程度達到了98.5%。

隨著文中提出的各項改進措施的逐步落實，終端脫碳系統將更加高效地降低二氧化碳排放量。未來，相關研究應繼續關注脫碳技術的優化與創新，在提高脫碳效率的同時，降低能源消耗和運營成本，以確保可持續性發展。