醇胺法脫酸氣模擬分析及節(jié)能優(yōu)化研究

韓 冊張 威張偉文付思強安 旭

（1.東北石油大學石油工程學院，黑龍江 大慶 163318；

2.中國石油大慶油田有限責任公司第二采油廠，黑龍江 大慶 163000）

醇胺法脫酸氣模擬分析及節(jié)能優(yōu)化研究

韓 冊1張 威1張偉文1付思強2安 旭2

（1.東北石油大學石油工程學院，黑龍江 大慶 163318；

2.中國石油大慶油田有限責任公司第二采油廠，黑龍江 大慶 163000）

從地層中開采出的頁巖氣通常含有大量的酸性氣體，在集輸過程中會腐蝕管線和設備，需在凈化廠進行脫酸氣處理。通過對頁巖I區(qū)塊應用HYSYS 8.4進行 DEA脫酸氣工藝流程模擬計算，固定吸收塔和再生塔的塔板數(shù)，改變DEA溶液循環(huán)量和DEA質(zhì)量分數(shù)來觀察DEA溶液中酸氣的負荷量和系統(tǒng)總能耗的變化規(guī)律。結(jié)果表明，減少DEA溶液循環(huán)量或DEA質(zhì)量分數(shù)可增加酸氣負荷量，并大幅降低系統(tǒng)總能耗。此外，通過對該區(qū)塊脫酸氣工藝流程參數(shù)的優(yōu)化，使酸氣負荷量增加了5.9%，系統(tǒng)總能耗降低了10.6%，從而減少了生產(chǎn)和運行費用。

頁巖氣 脫酸氣處理 HYSYS模擬 DEA溶液循環(huán)量 DEA質(zhì)量分數(shù)

0 引言

工業(yè)中常用的脫酸氣工藝法有醇胺法、砜胺法、物理吸收法和直接氧化法等。其中，醇胺法是目前使用最為廣泛的脫酸氣工藝，吸收劑包括一乙醇胺（MEA）、二乙醇胺（DEA）、甲基二乙醇胺（MDEA）和二異丙醇胺（DIPA）等。該方法是利用胺液的弱堿性與酸性組分進行化學反應，從而降低酸氣含量。筆者現(xiàn)利用 HYSYS 8.4建立吸收劑為DEA的脫酸氣工藝流程并進行模擬計算，通過改變DEA溶液循環(huán)量和DEA質(zhì)量分數(shù)，綜合對比分析溶液中酸氣負荷量以及系統(tǒng)的總能耗，為進一步高效節(jié)能地開發(fā)頁巖氣提供理論依據(jù)。

1 建立DEA脫酸氣工藝流程模擬

某頁巖I區(qū)塊氣體組分見表1，可知該區(qū)塊天然氣中H2S體積分數(shù)為1.174%，含量達到17.84 g/m3。我國II類天然氣質(zhì)量標準規(guī)定，硫化氫含量應低于20 mg/m3。

已知來氣溫度為35℃，壓力為6.9 MPa，日處理量為450×104m3。根據(jù)頁巖氣I區(qū)塊的氣體條件，利用HYSYS 8.4軟件建立DEA脫酸氣工藝流程［1］，如圖1所示。該流程可分為DEA溶液高壓吸收酸氣和低壓循環(huán)再生兩部分。原料氣中的固液雜質(zhì)等經(jīng)分離器滌氣后進入吸收塔。吸收塔內(nèi)由下而上的酸性氣體與由上而下逆流的DEA貧液接觸發(fā)生化學反應形成胺鹽，“甜氣”由吸收塔頂部流出。吸收大量酸性氣體的DEA富液由吸收塔底部流出，經(jīng)節(jié)流降壓后進入閃蒸罐，閃蒸出吸收的烴類氣體和微量酸氣。經(jīng)貧/富胺液換熱器，DEA富液升溫后注入再生塔解析出酸氣，由再生塔頂部流出，進入下一步處理回收。DEA貧液再生后，由再生塔底部流出，經(jīng)換熱、冷卻、增壓處理，重新注入吸收塔頂部，形成DEA脫酸氣工藝的循環(huán)流程［2-3］。

表1 氣體組分表

圖1DEA脫酸氣工藝流程圖

2 數(shù)值模擬與結(jié)果分析

2.1 優(yōu)化指標與關鍵參數(shù)分析

在凈化氣滿足我國II類天然氣質(zhì)量標準的基礎上，由于DEA溶液質(zhì)量分數(shù)可達30%～35%，CO2負荷量可達0.45 mol/mol，H2S負荷量可達0.3 mol/mol，使溶液的循環(huán)量減少，投資和操作費用降低，則DEA溶液中酸氣負荷量是節(jié)能優(yōu)化的一個重要指標。此外，流程中耗能單位主要包括貧/富胺液換熱器、重沸器、循環(huán)泵。本著“低能耗、低污染、低排放”的低碳經(jīng)濟原則，系統(tǒng)總能耗則是另一個節(jié)能優(yōu)化的重要指標。

DEA脫酸氣工藝中，影響脫酸效果的關鍵參數(shù)包括DEA溶液循環(huán)量、DEA質(zhì)量分數(shù)、吸收塔和再生塔的塔板數(shù)。筆者將吸收塔和再生塔的塔板數(shù)固定（其中吸收塔20個，再生塔18個），主要通過改變DEA溶液的循環(huán)量和DEA質(zhì)量分數(shù)，綜合分析DEA溶液中酸氣負荷量與系統(tǒng)總能耗的變化［4-5］。

2.2 DEA溶液循環(huán)量的優(yōu)化

在模擬分析中，當DEA質(zhì)量分數(shù)和塔板數(shù)固定時，通過改變DEA溶液循環(huán)量，觀察DEA溶液中酸氣負荷量和系統(tǒng)總能耗的變化規(guī)律，見圖2。

從圖2中可以看出，DEA溶液中酸氣負荷量隨著DEA溶液循環(huán)量的增加而逐漸降低，且系統(tǒng)總能耗大幅度升高。當DEA溶液循環(huán)量每增加20 m3/h，酸氣負荷量平均降低3.08%，系統(tǒng)總能耗增加6.46%。在滿足凈化氣氣質(zhì)要求的前提下，盡量達到DEA溶液的最大酸氣負荷量，選取最優(yōu)的DEA溶液循環(huán)量，從而使循環(huán)再生部分的能耗降低。

圖2 不同DEA溶液循環(huán)量對應的酸氣負荷量與總能耗圖

2.3 DEA質(zhì)量分數(shù)的優(yōu)化

同理，當DEA溶液循環(huán)量和塔板數(shù)固定時，通過改變DEA的質(zhì)量分數(shù)，觀察DEA溶液中酸氣負荷量和系統(tǒng)總能耗的變化規(guī)律，見圖3。

從圖3中可以看出，DEA溶液中酸氣負荷量隨著DEA質(zhì)量分數(shù)的增加而逐漸降低，且系統(tǒng)總能耗逐漸升高。DEA質(zhì)量分數(shù)每增加1%，酸氣負荷量平均降低3.08%，系統(tǒng)總能耗增加0.2%。因此，在選取最優(yōu)DEA質(zhì)量分數(shù)時需綜合考慮DEA質(zhì)量分數(shù)對酸氣負荷量和系統(tǒng)總能耗的影響。同時DEA質(zhì)量分數(shù)會發(fā)生變化，需及時進行補充與修正。

圖3 不同DEA質(zhì)量分數(shù)對應的酸氣負荷量與總能耗圖

2.4 優(yōu)化分析

現(xiàn)對頁巖I區(qū)塊DEA脫酸氣工藝流程進行優(yōu)化，優(yōu)化前后參數(shù)與能耗對比結(jié)果見表2。從表中可以看出，優(yōu)化后酸氣負荷量增加了5.9%，并且系統(tǒng)總能耗降低了10.6%，從而降低了生產(chǎn)和運行費用。

表2 優(yōu)化前后參數(shù)與能耗對比表

3 相關建議

DEA脫酸氣溶液在運行中會發(fā)生溶液損失和變質(zhì)。其中，溶液損失包括正常損失、非正常損失和降解損失［6］。為減少溶液損失和變質(zhì)可采取以下措施：① 保證系統(tǒng)密閉性良好，防止空氣的進入；② 根據(jù)觀察到的DEA貧液顏色，對其品質(zhì)進行判定，定期檢驗DEA溶液的濃度和pH值，為保持合適的濃度及時進行補充和修正；③ 保證補充水的品質(zhì)，補充水應對氯化物、溶解鹽總量、水硬度和鉀鈉鐵離子質(zhì)量分數(shù)等指標有嚴格規(guī)定。

4 結(jié)論

1）當DEA質(zhì)量分數(shù)一定時，DEA溶液循環(huán)量的增加將導致酸氣負荷量的降低以及系統(tǒng)總能耗的大幅升高。因此，應在滿足凈化氣氣質(zhì)要求的前提下，盡量減少循環(huán)量，從而使再生部分的能耗降低。

2）當DEA溶液循環(huán)量一定時，DEA質(zhì)量分數(shù)的增加同樣會導致酸氣負荷量的降低以及系統(tǒng)總能耗的升高。因此選取最優(yōu)的DEA質(zhì)量分數(shù)可以降低投資成本和操作費用。

3）通過對頁巖I區(qū)塊DEA脫酸氣工藝流程的參數(shù)優(yōu)化，優(yōu)化后DEA溶液循環(huán)量為228.1 m3/h，質(zhì)量分數(shù)為30.23%，酸氣負荷量增加了5.9%，系統(tǒng)總能耗則降低了10.6%。

［1］王遇冬.天然氣處理原理與工藝［M］.北京：中國石化出版社，2007：158-184.

［2］謝飛龍，李洋洋，張浩.天然氣中酸性氣體脫除方法探討與研究［J］.科技風，2013（10）：53-54.

［3］楊宇.液態(tài)烴脫水安裝閃蒸罐可行性分析研究［J］.科技與企業(yè)，2013（10）：387.

［4］邱奎，吳基榮，雷文權，等.高含硫天然氣脫硫裝置操作條件的優(yōu)化［J］.石油化工，2013（2）：166-174.

［5］萬宇飛，鄧道明，李立婉.煤層氣脫碳工藝模擬分析［J］.現(xiàn)代化工，2014（7）：149-152，154.

［6］馮叔初，郭揆常.油氣集輸與礦場加工［M］.東營：中國石油大學出版社，2006：365-386.

（編輯：蔣龍）

B

2095-1132（2016）05-0047-03

10. 3969/j. issn. 2095-1132. 2016. 05. 012

修訂回稿日期：2016-09-22

本文為黑龍江省教育廳科學技術研究項目（編號：12531074）的部分研究內(nèi)容。

韓冊（1989-），女，碩士研究生，研究方向為油氣長距離管輸技術。E-mail：hance0509@163.com。