天然氣深度脫碳分流解吸工藝研究

楊仁杰 曹潔 李紹元 余中 羅強(qiáng)

1.華南藍(lán)天航空油料有限公司湖北分公司 2.湖北工業(yè)大學(xué)工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)院 3.成都華潤(rùn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)有限公司

天然氣常規(guī)深度脫碳(凈化氣中CO2體積分?jǐn)?shù)≤50×10-6)工藝目前在天然氣脫碳工藝設(shè)計(jì)中應(yīng)用最為廣泛[1]，天然氣深度脫碳工藝流程分為吸收和再生兩個(gè)重要部分，吸收分為一段吸收和二段吸收(半貧液)，再生包括閃蒸、氣提、半貧液分流等方法[2]。根據(jù)設(shè)計(jì)需要及凈化要求，組合成不同的工藝形式，常規(guī)工藝由一段吸收和再生(加熱再生)兩部分組成，該工藝技術(shù)成熟，適應(yīng)性強(qiáng)，但用于天然氣深度脫碳能耗較高[3-4]。因此，以下研究一種新的分流解吸工藝。

1 分流解吸工藝

參考半貧液利用兩股貧液分流吸收的思路，提出兩股富液解吸節(jié)能工藝，經(jīng)過(guò)閃蒸后的富液分成兩股：①一股流量較小的富液與再生塔頂部氣相換熱后進(jìn)入再生塔上部；②另一股流量較大的富液保持原來(lái)的工藝流程路徑與再生塔底部的高溫貧液換熱后進(jìn)入再生塔上部[5]。分流解吸工藝流程如圖1所示。

該工藝將增設(shè)換熱器與分流技術(shù)相結(jié)合，回收了再生塔塔頂?shù)臍庀酂崃?，減少了塔頂冷卻用量，防止熱量流失浪費(fèi)[6-7]。由于塔頂蒸汽含量的降低，使得分流解吸流程最優(yōu)的貧液中CO2值偏高，增加了循環(huán)溶液的用量[8]。整個(gè)工藝有效利用了再生塔塔頂蒸汽的熱量，減少了回流冷卻器的負(fù)荷，降低了整個(gè)流程內(nèi)部的熱量消耗[9-10]。通過(guò)HYSYS模擬，該工藝的部分關(guān)鍵參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 分流解吸工藝部分關(guān)鍵參數(shù)物流溫度/℃壓力/kPa質(zhì)量流量/(kg·h-1)原料氣25.004 601.0032 940.00入塔貧液40.644 560.0047 340.00第1股物料進(jìn)塔80.15280.0015 030.00第2股物料進(jìn)塔103.80280.0035 080.00閃蒸罐60.06600.0050 150.00再生塔塔頂85.11150.004.18再生塔塔頂回流68.48200.00395.80再生塔塔底113.00170.0046 970.00

1.1 分流比的影響

分流比(富液第1股與第2股物質(zhì)的量之比)是一個(gè)極其重要的參數(shù)，第1股富液與氣相換熱，氣相顯熱相對(duì)于液相而言更小，所以第1股富液的流量不能太大，否則會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱后的液相溫度偏低，再生效果變差[11]。利用HYSYS軟件進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果見(jiàn)表2，根據(jù)模擬結(jié)果繪制凈化效果、能耗的變化曲線，如圖2、圖3所示。

表2 不同分流比模擬結(jié)果氣質(zhì)分流比凈化氣中φ(CO2)/10-6裝置總能耗/(105 MJ·d-1)氣質(zhì)1(y(CO2)=3.63%)0.10242.501.640.15182.001.640.20119.001.640.2597.931.640.3049.501.640.35127.601.640.40619.001.64氣質(zhì)2(y(CO2)=20%)0.10114.507.860.1586.197.860.2067.057.840.2551.687.870.3046.857.850.3545.197.850.4041.217.850.4556.227.85 注:原料氣氣質(zhì)1、2的處理量、溫度、壓力均一致。

從圖2、圖3可以看出，當(dāng)原料氣中CO2摩爾分?jǐn)?shù)為3.63%時(shí)，最佳分流比為0.3，此時(shí)凈化效果最好。當(dāng)原料氣中CO2摩爾分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，最佳分流比為0.4，此時(shí)凈化效果最好，且能耗基本保持不變。第1股富液作為液相與再生塔塔頂換熱時(shí)，氣相的焓值相對(duì)較小，因此，液相的分流比(流量)必須要小，過(guò)大反而換熱效果差，不利于再生。

1.2 第2股進(jìn)料位置影響

基于再生塔溫度分布由上至下依次升高的規(guī)律和節(jié)能原則，第1股富液設(shè)置在第2塊塔板進(jìn)料，以改變第2股富液的進(jìn)料位置。通過(guò)上述研究，原料氣中CO2摩爾分?jǐn)?shù)為3.63%時(shí)的最佳分流比為0.3，在此分流比下，研究第2股富液進(jìn)料位置對(duì)凈化效果、能耗的影響，根據(jù)模擬結(jié)果繪制凈化效果、能耗的變化曲線及塔內(nèi)溫度分布情況，如圖4和圖5所示。

從圖4可以看出，隨著第2股進(jìn)料位置的下移，凈化氣中CO2體積分?jǐn)?shù)迅速下降，第9塊塔板以后逐漸平緩，裝置總能耗基本保持不變。從圖5也可以看出，隨著進(jìn)料位置的下移，整個(gè)塔內(nèi)的溫度也略微升高，有利于再生。在模擬過(guò)程中發(fā)現(xiàn)第1股的進(jìn)料溫度在逐漸下降，反映出換熱效果變差，再生塔的回流量逐漸減小，以至于逐漸趨于0，回流泵無(wú)法正常運(yùn)行。也可以增加酸氣冷凝器，用于冷卻塔頂氣，從而增加回流量，但由于CO2含量的降低已經(jīng)趨于平緩，增加冷卻器反而不經(jīng)濟(jì)。因此，在選擇進(jìn)料位置時(shí)，建議選取中部偏上兩塊塔板(即第8塊，總塔板數(shù)為20塊)作為最佳進(jìn)料位置。

1.3 節(jié)能分析

分流解吸兩股物料溫度不一樣，但合流后的溫度與常規(guī)工藝一股物流溫度差不多，從分流(無(wú)溫差)和分流(有溫差)兩方面研究，將常規(guī)工藝的單股物料按分流解吸的分流比進(jìn)行分流，且不與再生塔塔頂氣相換熱，命名為無(wú)換熱分流解吸工藝。3種工藝進(jìn)塔物料見(jiàn)表3，進(jìn)再生塔示意圖如圖6～圖8所示，并根據(jù)3種進(jìn)塔工藝?yán)L制塔內(nèi)溫度及液相CO2摩爾流量變化曲線，如圖9、圖10所示。

從圖9可以看出，常規(guī)、無(wú)換熱分流解吸工藝第1塊塔板溫度較高，說(shuō)明蒸汽量大，沒(méi)有充分利用，無(wú)換熱分流解吸工藝、分流解吸工藝(換熱)第2股高溫物流從第3塊塔板進(jìn)料，整體提高了整個(gè)塔的溫度分布。從圖10可以看出，塔內(nèi)的高溫環(huán)境使富液中的CO2摩爾流量逐漸降低，尤其以分流解吸(換熱)再生程度最高。

表3 分流解吸工藝、常規(guī)工藝、無(wú)換熱分流解吸工藝進(jìn)料物料表工藝物流溫度/℃壓力/kPa摩爾流量/(mol·h-1)組分,y/%CO2CH4C2H6MDEAPZH2O總能耗/(105 MJ·h-1)分流解吸工藝第1股80.14280483.504.460.020.0111.091.0283.40第2股103.782801 128.174.460.020.0111.091.0283.401.64合流98.052801 611.684.460.020.0111.091.0283.40常規(guī)工藝單股97.702801 611.674.460.020.0111.091.0283.401.79無(wú)換熱分流解吸工藝第1股97.70280483.504.460.020.0111.091.0283.40第2股97.702801 128.174.460.020.0111.091.0283.401.77

綜合分析圖9和圖10，可得出以下結(jié)論：

(1) 將換熱后的單股物流分流成兩股，可以起到一定的節(jié)能作用，但分流換熱節(jié)能效果更明顯。

(2) 在分流解吸工藝中，一方面由于第1股富液與塔頂換熱獲取熱量提升自身溫度，減少了塔頂氣相的熱量損失。另一方面，從富液抽出一股物料，相應(yīng)地減少了貧富液換熱器的換熱負(fù)荷，使第2股富液的溫度提升更多，從而提高了整個(gè)再生塔的溫度，使再生效果更佳。

2 分流解吸工藝與常規(guī)工藝對(duì)比研究

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

由于天然氣深度脫碳工藝能耗較高，研究常規(guī)工藝的適應(yīng)性就顯得尤為重要，根據(jù)不同的CO2含量選擇不同的工藝。本節(jié)選用CO2摩爾分?jǐn)?shù)范圍為2.00%～60.00%，基本覆蓋現(xiàn)有含CO2氣源范圍。不同CO2含量的原料氣組成見(jiàn)表4。

2.2 模擬結(jié)果對(duì)比

選取多種氣質(zhì)，研究?jī)煞N工藝的適應(yīng)性，并對(duì)比能耗的變化規(guī)律，模擬結(jié)果見(jiàn)表5，并根據(jù)模擬結(jié)果繪制能耗、節(jié)能效果(節(jié)能百分比)曲線，見(jiàn)圖11、圖12。

從圖11中可以看出，隨著CO2摩爾分?jǐn)?shù)的增加，總能耗也逐漸增加。當(dāng)原料氣中CO2摩爾分?jǐn)?shù)小于8.08%時(shí)，兩種工藝的能耗區(qū)別并不大；當(dāng)原料氣中CO2摩爾分?jǐn)?shù)≥8.08%時(shí)，能耗急劇增加，可以看出明顯的節(jié)能效果。

相比常規(guī)工藝，圖12統(tǒng)計(jì)了分流解吸工藝在不同氣質(zhì)下的節(jié)能百分比，分流解吸工藝從數(shù)據(jù)上顯示可節(jié)能10%～20%左右，可見(jiàn)該工藝是一種值得推廣的節(jié)能工藝。

表4 不同CO2含量的原料氣組成氣質(zhì)處理量①/(104 m3·d-1)溫度/℃壓力/MPa組分,y/%CO2C1C2C3i-C4n-C4i-C5n-C5C6N2H2SHeA100205.502.0096.001.200.650.000.000.000.000.000.150.000.00B100254.503.6385.0110.610.200.010.010.000.000.000.540.000.00C100256.008.0887.293.730.410.010.000.000.000.000.480.000.00D100302.3020.0072.220.230.040.020.020.000.000.007.470.000.00E100205.7030.0061.941.110.900.020.030.000.000.006.000.000.00F100253.8043.0055.700.600.100.000.000.000.000.000.600.000.00G100264.4060.0039.070.420.020.000.000.000.000.000.490.000.00 注:① 0 ℃,101.325 kPa下。

表5 分流解吸工藝模擬結(jié)果氣質(zhì)y(CO2)常規(guī)工藝分流解吸工藝貧液循環(huán)量/(m3·h-1)凈化氣中CO2體積分?jǐn)?shù)/10-6軸功率/kW重沸器負(fù)荷/kW裝置總能耗/(106 MJ·d-1)貧液循環(huán)量/(m3·h-1)凈化氣中CO2體積分?jǐn)?shù)/10-6軸功率/kW重沸器負(fù)荷/kW裝置總能耗/(106 MJ·d-1)節(jié)能/%A2.001648.4832.441 0500.091644.5332.668940.0713.48B3.634545.9574.502 0450.184542.0875.011 6820.1517.22C8.088049.84172.003 9250.348045.96178.403 5570.319.05D20.0018048.84150.909 8700.8718047.17151.508 3070.7315.33E30.0040046.17845.2017 2001.5040047.68846.9014 4101.2915.79F43.0050045.28700.4023 7002.1045048.27632.1020 1701.7914.70G60.0080044.141 300.0035 5003.1680048.841 304.0030 0502.6815.00

3 結(jié)論

對(duì)于不同含碳量下的天然氣深度脫碳工藝設(shè)計(jì)，分流解吸工藝比常規(guī)工藝節(jié)能。當(dāng)原料氣中CO2摩爾分?jǐn)?shù)為3.63%時(shí)，最佳分流比為0.3，此時(shí)凈化效果最好；當(dāng)原料氣中CO2摩爾分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，最佳分流比為0.4，此時(shí)凈化效果最好。選擇第2股進(jìn)料位置時(shí)，建議選取中部偏上兩塊(即第8塊)塔板作為最佳進(jìn)料位置。