半貧液脫酸工藝應用于浮式天然氣液化裝置中的可行性研究*

邰曉亮 陳 杰 尹全森 曾偉平 浦 暉

(中海石油氣電集團技術研發(fā)中心)

半貧液脫酸工藝應用于浮式天然氣液化裝置中的可行性研究*

邰曉亮 陳 杰 尹全森 曾偉平 浦 暉

(中海石油氣電集團技術研發(fā)中心)

浮式天然氣液化裝置(FLNG)是近年來海洋工程界提出的解決深海天然氣田開發(fā)利用的有效途徑,但與傳統(tǒng)的陸上天然氣液化裝置相比,浮式天然氣液化裝置中脫酸工藝設計和設備選型布置都面臨新的技術要求和挑戰(zhàn)。設計了一種適用于FLNG的半貧液脫酸工藝,并通過模擬優(yōu)化和工藝計算對半貧液脫酸工藝與傳統(tǒng)液化工廠脫酸工藝在系統(tǒng)能耗、設備數(shù)量、設備質(zhì)量、工藝復雜性和海洋環(huán)境適應性等方面進行了分析比較,結(jié)果表明半貧液脫酸工藝適用于浮式天然氣液化裝置,特別是在處理高酸氣負荷的天然氣方面具有很大的應用潛力。

浮式天然氣液化裝置;半貧液脫酸工藝;能耗分析;工藝復雜性分析;適應性分析

1 問題的提出

浮式天然氣液化裝置(FLNG)是集海上天然氣液化、儲存和裝卸于一體的裝置[1]。深海氣田由于遠離陸地,如果采用鋪設海底管道的方式將天然氣輸送到陸地后再進行處理,海底管道施工難度大,成本昂貴,很難具有經(jīng)濟性;而邊際氣田的天然氣儲量規(guī)模較小,鋪設海底管道同樣不具有經(jīng)濟性。相比而言,FLNG具有投資成本低、建設周期短、便于遷移和安全性高的特點,是目前探索解決深海天然氣開發(fā)和邊際氣田開發(fā)的手段之一,通過將天然氣就地進行處理、液化、儲存,并通過LNG運輸船將產(chǎn)品運到市場所在地。

目前國際上在FLNG領域的工藝技術研究,除了液化技術之外,天然氣脫酸工藝和設備也是另一個研究的熱點。為了避免酸性氣體在液化過程中凍堵和腐蝕LNG換熱器,天然氣在液化前必須要將CO2、H2S氣體分別脫除至其體積分數(shù)分別為0.05%、0.004%以下。FLNG上的脫酸裝置與陸上天然氣液化工廠的脫酸裝置具有如下區(qū)別:

1)對于陸上液化裝置,井口產(chǎn)出的高酸氣濃度的天然氣一般會經(jīng)過FPSO、海上平臺或陸上終端預處理,到達液化工廠的CO2含量一般低于3%。對于FLNG,井口天然氣直接上船,所以可能會面臨處理高酸氣濃度(含量大于10%)的原料氣。例如,正處于建造階段的世界上第一艘大型浮式天然氣液化裝置(Prelude LNG),其原料氣中CO2的設計處理能力為13%[2];正在設計階段的H?egh LNG,其原料氣中CO2的設計處理能力為12.3%[3]。而我國目前在南?？碧胶烷_發(fā)的氣田中,大部分氣田的CO2含量都比較高。

2)對于高酸氣濃度的天然氣,如果采用傳統(tǒng)脫酸工藝,所需要的脫酸溶液再生熱負荷會比較大。在FLNG中,最理想的模式是采用制冷劑壓縮機驅(qū)動用燃氣透平的廢熱來進行脫酸溶液的加熱再生,一方面是為了有效能量平衡,提高裝置效率;另一方面是為了避免增加額外的加熱裝置(因為在船上的所有明火加熱燃燒裝置都是危險源)。

3)如果采用傳統(tǒng)脫酸工藝,塔器的高度會比較高。經(jīng)過國際業(yè)界多年研究,大塔徑、高尺寸的塔器是浮式天然氣液化裝置上對晃動工況影響最敏感的設備之一。

傳統(tǒng)陸上天然氣液化工廠脫酸工藝技術成熟,通常主要采用化學吸收法,應用最廣的是醇胺化學吸收法(簡稱醇胺法)。醇胺法是以弱堿溶液為吸收溶劑,與天然氣中的酸性氣體反應形成化合物。當吸收了酸性氣體的富液溫度升高、壓力降低時,解析出酸性氣體?；罨腗DEA(N-甲基二乙醇胺)水溶液是常見的吸收溶劑,其化學反應式如下[4]:

傳統(tǒng)的陸上天然氣液化工廠MDEA吸收法脫酸工藝流程見圖1。在4～7 MPa、約40℃的條件下,MDEA水溶液與天然氣在吸收塔內(nèi)逆流接觸,吸收天然氣中的酸性氣體;吸收酸氣的富胺液進入閃蒸罐,閃蒸出其中溶解的烴,并與再生貧液換熱后進入再生塔;在0.04～0.10 MPa、約120℃的條件下,解析出吸收的酸性組分,MDEA溶液得到再生[5]。

圖1 傳統(tǒng)陸上天然氣液化工廠MDEA吸收法脫酸工藝流程圖

針對上述FLNG脫酸裝置特點,本文設計了一種浮式天然氣液化裝置的半貧液脫酸工藝,以解決傳統(tǒng)脫酸工藝的應用局限性,并通過模擬優(yōu)化和工藝計算,對比了半貧液工藝與傳統(tǒng)陸上液化工廠脫酸工藝的區(qū)別和特點,探討了半貧液脫酸工藝在浮式天然氣液化裝置的適應性。

2 半貧液脫酸工藝設計

在傳統(tǒng)陸上基荷型天然氣液化工廠脫酸工藝的基礎上,按照降低塔器高度和再生熱負荷2個原則,設計了一種半貧液脫酸工藝,其流程簡圖見圖2。原料天然氣在半貧液吸收塔和貧液吸收塔中進行化學吸收反應,將酸氣脫除至合格水平;半貧液吸收塔底部流出的富吸收液經(jīng)過節(jié)流降壓進入閃蒸分離器,閃蒸出其中溶解的烴后進入半貧液再生塔,半貧液再生塔塔底的熱源來自于貧液再生塔的塔頂蒸汽,塔頂分離器中的液體通過回流泵返回至再生塔,其中的酸性氣體進入排放處理系統(tǒng);半貧液再生塔底部的半貧液分成兩股,其中一股通過半貧液循環(huán)泵和冷卻器后進入半貧液吸收塔與原料天然氣進行吸收反應,另一股半貧液通過增壓泵和換熱器與貧液進行熱量交換后進入貧液再生塔,塔底的貧液冷卻增壓后進入貧液吸收塔與原料天然氣進行吸收反應。

圖2 半貧液脫酸工藝流程圖

3 半貧液脫酸工藝應用于浮式天然氣液化裝置中的可行性研究

3.1 基礎條件

以南海某氣田原料氣組分為基礎并考慮一定的酸氣設計余量,原料氣組分見表1,原料氣壓力為6.5 MPa,溫度為30℃,浮式天然氣液化裝置的LNG產(chǎn)能為200萬t/a。

表1 南海某氣田原料氣組分

3.2 能耗分析

采用通用化工模擬商業(yè)軟件HYSYS對傳統(tǒng)陸上基荷型天然氣液化工廠脫酸工藝和半貧液脫酸工藝能耗進行模擬計算和對比分析。HYSYS采用專用的胺包(Amine Pkg)實現(xiàn)醇胺法脫除酸氣的工藝流程模擬,可以選擇Kent-Eisenberg模型或Li-Mather模型計算胺液水溶液的熱物性,其他氣體組分可以選擇實際氣體的狀態(tài)方程[6]。

對于傳統(tǒng)陸上基荷型天然氣液化工廠脫酸工藝,模擬過程需要優(yōu)化的參數(shù)包括胺液配比、胺液循環(huán)量、閃蒸壓力、再生塔操作壓力、再沸器操作溫度、吸收塔理論塔板數(shù)和再生塔理論塔板數(shù)等,模擬優(yōu)化結(jié)果見表2。

表2 傳統(tǒng)脫酸工藝模擬優(yōu)化結(jié)果

對于半貧液脫酸工藝,模擬過程需要優(yōu)化的參數(shù)包括胺液配比、胺液循環(huán)量、半貧液分配比例、閃蒸壓力、半貧液再生塔操作壓力、貧液再生塔操作壓力、再沸器操作溫度、貧液吸收塔理論塔板數(shù)和半貧液吸收塔理論塔板數(shù)等,模擬優(yōu)化結(jié)果見表3。

2種工藝的能耗需求對比見表4。從表4可以看出,傳統(tǒng)脫酸工藝的用電負荷為4 053 k W,熱負荷為99 523 k W,而半貧液脫酸工藝的用電負荷為7 191 k W,熱負荷為40 278 k W。雖然半貧液脫酸工藝的耗電量大,但是熱負荷可減少59 245 kW。將電負荷和熱負荷統(tǒng)一折算為燃料氣消耗量,采用傳統(tǒng)脫酸工藝的燃料氣消耗量為11 165 Nm3/h,采用半貧液脫酸工藝的燃料氣消耗量僅為5 905 Nm3/h,后者的總能耗降低了47%。

表3 半貧液脫酸工藝模擬優(yōu)化結(jié)果

表4 傳統(tǒng)脫酸工藝和半貧液脫酸工藝能耗需求對比表

分析認為,半貧液脫酸工藝能耗降低的主要原因有兩方面:一是增加半貧胺液循環(huán)后,半貧胺液進入胺液吸收塔后脫除了天然氣中大部分的CO2,降低了進入再生塔的貧胺溶液循環(huán)量,達到相同的再生效果時降低了再生塔的熱負荷;二是由于富胺液在半貧液再生塔中低壓閃蒸,并回收再生塔中頂部出來的酸性氣體的熱量,從而進一步降低了再生塔熱負荷。

FLNG如果采用燃氣輪機驅(qū)動制冷壓縮機和燃氣輪機發(fā)電方案,對于200萬t/a規(guī)模的液化裝置,燃氣輪機驅(qū)動設備的尾氣余熱回收熱負荷約為64 000 k W,發(fā)電設備的余熱回收約為30 000 k W,總共可回收的熱負荷為94 000 k W。FLNG上凝析油穩(wěn)定、MEG再生、天然氣分餾和燃料氣加熱等工藝單元所需的熱負荷共計約30 400 k W,剩余可供給脫酸工藝的剩余熱負荷為63 600 k W,而傳統(tǒng)脫酸工藝所需熱負荷為99 523 k W,回收的熱量不能滿足工藝的熱負荷需求,需要額外增加供熱設備。因此,從系統(tǒng)能耗和安全性的角度分析,半貧液脫酸工藝優(yōu)于傳統(tǒng)脫酸工藝。

3.3 工藝復雜性分析

脫酸工藝復雜性主要體現(xiàn)在設備數(shù)量和操作性方面,傳統(tǒng)陸上基荷型天然氣液化工廠脫酸工藝與半貧液脫酸工藝設備數(shù)量和主要設備參數(shù)對比情況見表5。從表5可以看出,傳統(tǒng)脫酸工藝的設備較少,控制方案和操作性也相對簡單,但主要設備吸收塔和再生塔的塔板數(shù)多,設備高度很高。為了降低設備高度,半貧液脫酸工藝中吸收塔和再生塔都設置為獨立2個塔,每個塔的塔板數(shù)較少,塔的高度比傳統(tǒng)脫酸工藝明顯降低。經(jīng)過計算,采用傳統(tǒng)脫酸工藝的最高塔器高度為21.34 m,而采用半貧液脫酸工藝的最高塔器高度為12.19 m。

分析認為,半貧液脫酸工藝中塔板數(shù)量降低是因為吸收塔和再生塔都是雙塔,吸收和再生類似于塔器的串聯(lián),天然氣經(jīng)過第1個吸收塔后,CO2的含量從10%降低到1.5%左右,第2個吸收塔中CO2含量已降低到體積分數(shù)0.05%以下。從工藝復雜性角度分析,半貧液脫酸工藝的設備數(shù)量多,控制比較復雜,而傳統(tǒng)脫酸工藝的設備數(shù)量少,控制比較簡單。但是考慮到FLNG裝置的晃動特點,設備越高,受晃動影響越大,如果將傳統(tǒng)脫酸工藝的吸收塔和再生塔都改為串聯(lián)的塔器,雖然可以降低塔器高度,但串聯(lián)后需要增加液體泵和塔器數(shù)量,此方案的工藝復雜性與半貧液脫酸工藝相差不大。因此從工藝復雜性的角度分析,傳統(tǒng)脫酸工藝優(yōu)于半貧液脫酸工藝。

此外,經(jīng)過計算,采用傳統(tǒng)脫酸工藝的主要設備總重量為116 t(空載),而采用半貧液脫酸工藝的主要設備總重量為147 t(空載),設備重量增加26%,所以設備投資約增加1/3。

3.4 海上環(huán)境條件適應性分析

FLNG上部設施需要適應船體晃動的影響,設備越高,受晃動影響越大。塔器類設備較高,晃動容易引起塔器內(nèi)的氣液接觸不均,影響吸收塔和再生塔效果。胺液吸收塔在晃動情況下液體容易發(fā)生偏流,影響天然氣中的酸性氣體脫除效果。因此,為了保證天然氣液化系統(tǒng)的正常運行,必須在工藝設計時考慮一定的防范措施或設計余量。相比而言,傳統(tǒng)脫酸工藝中的塔器較高,更容易受晃動條件影響,FLNG裝置的另一個特點是甲板面積有限且安全性要求高,如果采用傳統(tǒng)脫酸工藝,則造成燃氣輪機的尾氣回收熱量不能滿足系統(tǒng)的需要,需要額外設置燃氣鍋爐,但這樣會降低FLNG裝置的安全性并占用了一定的甲板面積。因此,從海上環(huán)境的適應性角度分析,半貧液脫酸工藝優(yōu)于傳統(tǒng)脫酸工藝。

表5 傳統(tǒng)脫酸工藝和半貧液脫酸工藝復雜性對比表

4 結(jié)論

針對FLNG上的脫酸裝置與陸上天然氣液化工廠的脫酸裝置的區(qū)別和特點,設計了一種半貧液脫酸工藝,并通過模擬優(yōu)化和工藝計算對大型FLNG采用傳統(tǒng)脫酸工藝和半貧液脫酸工藝進行了系統(tǒng)比較,結(jié)果表明:在原料氣中酸氣負荷較大時(CO2≥10%),采用半貧液脫酸工藝的再生熱負荷不到傳統(tǒng)脫酸工藝的一半,完全可以通過驅(qū)動制冷劑壓縮機的燃氣透平余熱提供,而采用傳統(tǒng)脫酸工藝則需要提供額外的供熱設備,增加了甲板面積和安全風險;雖然半貧液脫酸工藝相對比較復雜,控制操作難度較大,同時裝置投資也較傳統(tǒng)脫酸工藝增加了約1/3,但從FLNG特有的海上晃動條件考慮,采用半貧液脫酸工藝大大降低了塔器高度,增加了工藝裝置的抗晃動適應性和操作運行的穩(wěn)定性。因此,在浮式天然氣液化裝置上,特別是在處理高酸氣負荷的天然氣方面,半貧液脫酸工藝具有很大的應用潛能。

[1] 朱剛,顧安忠.新型邊際氣田開發(fā)技術:浮式天然氣生產(chǎn)儲卸裝置[J].能源工程,2000,1:4-5.

[2] GILMOUR N.Floating LNG:Shell’s recent history and current approach[C]∥LNG 16,2010,2:3-5.

[3] ERLENDLUNDE H.Alternative CO2removal solutions forthe LNG process on an FPSO[D]∥Norwegian University of Science and Technology,Department of Energy and Process Engineering,2011:4-5.

[4] 王正權,王瑤,席紅志,等.MDEA吸收法天然氣脫硫過程節(jié)能途徑探討[J].天然氣技術,2010,2(4):55.

[5] 范慶虎,李紅艷,王潔,等.海上天然氣液化裝置中酸性氣體的脫除技術[J].天然氣工業(yè),2010,30(7):93-97.

[6] KO J J,LI M H.Kinetics of absorption of CO2into solutions of MDEA and H2O[J].Chemical Engineering Science,2000,55(19): 4139-4147.

(編輯:葉秋敏)

The feasibility study of semi-lean solution acid gas removal process used on FLNG

Tai Xiaoliang Chen Jie Yin Quansen Zeng Weiping Pu Hui

(Research&Development Department of CNOOC Gas&Power Group,Beijing,100027)

Floating LNG production,storage and offloading concept(FLNG)is the effective solution proposed in recent years for deep-sea natural gas utilization,while FLNG faces new technical requirements and challenges on acid gas removal process design,equipment selection and layout plan,compared to traditional onshore natural gas liquefaction plant.A semi-lean solution acid gas removal process has been designed for FLNG and compared with conventional process in energy consumption, number of devices,equipment weight,process complexity and adaptability of marine environment,through simulation&optimization and equipment calculation.The results have shown that the new process is suitable for FLNG and has great potential especially in the treatment of highly acidic natural gas.

FLNG;semi-lean solution acid gas removal process;energy consumption analysis; process complexity analysis;adaptability analysis

2013-07-23改回日期:2013-10-01

*國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)項目“海上天然氣液化存儲關鍵技術研究(編號:2013AA09A216)”、中國海洋石油總公司青年科技與管理創(chuàng)新研究課題(編號:JZTW2012KJ39)部分研究成果。

邰曉亮,男,工程師,碩士,現(xiàn)主要從事天然氣液化工藝設計研發(fā)工作。地址:北京市東城區(qū)東直門南大街11號中匯廣場C座901室(郵編:100027)。電話:010-56759027。E-mail:taixl@cnooc.com.cn。