基于軟件模擬的天然氣醇胺法脫硫脫碳工藝研究進(jìn)展

肖榮鴿，莊 琦，王 棟，靳帥帥，王娟娟

（1.西安石油大學(xué) 石油工程學(xué)院 陜西省油氣田特種增產(chǎn)技術(shù)重點實驗室，陜西 西安710065；2.陜西省石油化工學(xué)校，陜西 西安710061）

國標(biāo)“GB 17820-2018《天然氣》”規(guī)定一類天然氣總硫含量≤20 mg/m3、H2S含量≤6 mg/m3、CO2的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)≤3%。隨著國家對天然氣氣質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)不斷提高，對于進(jìn)入長輸管道的天然氣標(biāo)準(zhǔn)從GB 17820-2012的一類、二類氣質(zhì)變化為GB 17820-2018的一類氣質(zhì)。新標(biāo)準(zhǔn)對天然氣中總硫含量和硫化氫含量有了更高的要求，給天然氣凈化工藝帶來了新的挑戰(zhàn)。目前，國內(nèi)天然氣處理廠主要采用醇胺法，少部分采用砜胺法[1]。為使脫硫脫碳裝置適應(yīng)原料氣氣質(zhì)條件和凈化氣氣質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的變化，需要對工藝進(jìn)行優(yōu)化，包括通過軟件模擬進(jìn)行預(yù)測，或通過實驗獲取數(shù)據(jù)來指導(dǎo)實際生產(chǎn)過程[2]，其中軟件模擬預(yù)測因其具有很高的經(jīng)濟(jì)性而被廣泛應(yīng)用。

醇胺法的模擬較多基于Aspen Plus、Aspen HYSYS和ProMax等軟件。各軟件模擬脫硫脫碳過程時的優(yōu)缺點及常用物性包如表1所示[3]。

表1 各軟件模擬脫硫脫碳過程對比

大多數(shù)天然氣凈化廠現(xiàn)有的醇胺法脫硫脫碳工藝無法滿足凈化要求，急需進(jìn)行工藝改進(jìn)。為使各天然氣凈化廠的天然氣產(chǎn)品滿足標(biāo)準(zhǔn)“GB 17820-2018《天然氣》”的要求，本文從醇胺法脫硫脫碳理論出發(fā)，綜述基于軟件模擬的工藝參數(shù)和流程的研究進(jìn)展；從工藝參數(shù)優(yōu)化出發(fā)，分析工藝參數(shù)對凈化效果和能耗的影響以及研究者如何運用智能算法優(yōu)化工藝參數(shù)；從工藝流程出發(fā)，分析三種工藝改進(jìn)方案及其節(jié)能效果。最后從軟件模擬角度提出優(yōu)化工藝的思路和方法并進(jìn)行展望。

1 醇胺法脫硫脫碳工藝

1.1 理論基礎(chǔ)

醇胺化合物中同時包含羥基和胺基，其中羥基可以降低醇胺化合物的蒸汽壓、增加醇胺化合物在水中的溶解度；而胺基可以使醇胺水溶液顯堿性，增強其吸收酸性組分的能力。醇胺法脫硫脫碳中常見的吸收劑有：一乙醇胺（MEA）、二乙醇胺（DEA）、三乙醇胺(TEA)、二異丙醇胺（DIPA）、二甘醇胺（DGA）、甲基二乙醇胺（MDEA）和空間位阻胺等。其中MDEA因相對密度小、凝點低、飽和蒸汽壓低、比熱容小、可選擇性脫除H2S且腐蝕性小、能耗低等優(yōu)點被廣泛使用[11]。國內(nèi)的高含硫天然氣凈化廠主要采用MDEA溶劑或以MDEA為基礎(chǔ)的配方型溶劑[12]。

各醇胺與H2S的反應(yīng)均可認(rèn)為是瞬時反應(yīng)[13]；伯醇胺、仲醇胺因為存在活潑H原子，其與CO2反應(yīng)的實質(zhì)是CO2與醇胺中的活潑H原子的快速反應(yīng)；而叔醇胺與CO2反應(yīng)的實質(zhì)是CO2先與醇胺溶液中的H2O反應(yīng)，生成的酸與叔醇胺發(fā)生酸堿反應(yīng)。在原料氣中同時存在H2S和CO2時，MDEA與H2S的反應(yīng)速率快于與CO2的反應(yīng)速率，具有選擇性脫除H2S的動力學(xué)基礎(chǔ)[13,14]。各吸收劑與H2S和CO2的反應(yīng)式如表2所示。

表2 醇胺吸收劑與H2S、CO2的化學(xué)反應(yīng)式

1.2 常規(guī)工藝流程

常規(guī)的醇胺法脫硫脫碳工藝流程包括吸收、閃蒸、換熱和再生四個部分[15]。原料氣經(jīng)入口分離器從吸收塔塔底進(jìn)入，與自上而下的醇胺溶液反應(yīng)脫除酸性組分，塔頂凈化氣經(jīng)出口分離器進(jìn)入脫水單元。塔底富液經(jīng)降壓閥到閃蒸罐脫除烴類氣體，后經(jīng)過濾器過濾與再生塔塔底的貧液換熱升溫后進(jìn)入再生塔。再生塔內(nèi)重沸器加熱脫除富液中的酸性組分，塔頂酸氣進(jìn)入硫磺回收單元，塔底貧液進(jìn)入換熱器。換熱后的貧液經(jīng)升壓泵、冷卻器和醇胺溶液泵進(jìn)入吸收塔頂部完成循環(huán)。其中，由于醇胺溶液與H2S、CO2在低溫高壓下反應(yīng)向右進(jìn)行吸收酸性組分，在高溫低壓下反應(yīng)向左進(jìn)行解吸酸性組分，所以吸收部分盡可能在低溫高壓下進(jìn)行，再生部分盡可能在高溫低壓下進(jìn)行。工藝流程如圖1所示。

圖1 醇胺法脫硫脫碳工藝流程[16]

2 工藝參數(shù)優(yōu)化

2.1 參數(shù)對天然氣凈化效果的影響

工藝參數(shù)可分為兩類：原料氣參數(shù)和操作參數(shù)。原料氣參數(shù)包括原料氣溫度、壓力、組分和處理量；其它參數(shù)均為操作參數(shù)，主要包括醇胺溶液循環(huán)量、濃度、組分、吸收塔和再生塔參數(shù)等。兩者均會對天然氣凈化效果產(chǎn)生影響，并且原料氣參數(shù)會引起操作參數(shù)變化。

隨著氣田的持續(xù)開發(fā)，實際生產(chǎn)過程中的原料氣處理量在設(shè)計值的60%~100%的范圍內(nèi)變化，原料氣壓力逐漸降低，原料氣酸性組分含量逐漸升高，且隨原料氣壓力降低、酸性組分含量升高、處理量增大和溫度升高，凈化氣酸性組分含量均增大[17,18]。操作參數(shù)主要包括醇胺溶液溫度、壓力、循環(huán)量和濃度、吸收塔塔板數(shù)等。當(dāng)運用單一變量法分析操作參數(shù)對凈化氣酸性組分的影響時可以得出結(jié)論：在一定范圍內(nèi)，隨著醇胺溶液循環(huán)量、醇胺溶液濃度、吸收塔塔板數(shù)的升高，凈化氣中的酸性組分含量均減少；隨醇胺溶液溫度的升高，凈化氣中的酸性組分含量增大[10,19,20]。

雖然上述參數(shù)都可以影響凈化氣，但在影響程度上有很大差別，并且各參數(shù)受能耗、設(shè)備腐蝕、溶液發(fā)泡等原因限制使得參數(shù)只能在有限范圍內(nèi)調(diào)整。目前主要通過敏感性分析得出各參數(shù)對凈化氣中H2S質(zhì)量濃度（mg/m3）和CO2物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)（%）的影響程度。常用的敏感性分析主要包括各參數(shù)的操作條件變化程度對凈化效果的影響和正交實驗兩種方法[10,19]。通過敏感性分析找出影響天然氣凈化效果的關(guān)鍵參數(shù)，為后面運用智能算法優(yōu)化關(guān)鍵參數(shù)做準(zhǔn)備。

2.2 參數(shù)對能耗的影響

常規(guī)醇胺法脫硫脫碳工藝的能耗主要包括泵、溶液冷卻器和再生塔的能耗。其中泵的能耗在揚程和傳輸介質(zhì)確定后，主要與醇胺溶液循環(huán)量有關(guān)[18,21]，循環(huán)量越多，能耗越高；溶液冷卻器能耗主要與原料氣溫度和循環(huán)量有關(guān)，原料氣溫度越高、循環(huán)量越多則能耗越高[22]。再生塔能耗包括重沸器和塔頂冷凝器能耗，主要與循環(huán)量、進(jìn)塔溫度、回流比和進(jìn)塔壓力有關(guān)，循環(huán)量越多、進(jìn)塔溫度越低、回流比越大、進(jìn)塔壓力越高能耗越高[21,23]。

由于再生塔能耗占總能耗比重最大，為了減少總能耗，研究者們考察了各參數(shù)對再生塔能耗的影響程度。衛(wèi)浪等[24]基于二次回歸正交試驗得出各參數(shù)對重沸器能耗的影響程度依次為：再生塔進(jìn)塔溫度＞醇胺溶液循環(huán)量＞再生塔回流比。常學(xué)煜等[21]得出再生塔進(jìn)塔溫度越高，再生塔能耗越低；同時指出再生塔進(jìn)口溫度不能太高，必須滿足再生塔收斂且與貧/富液換熱器溫度不交叉。

研究者通過軟件模擬發(fā)現(xiàn)，由于原料氣組分不同，各參數(shù)對總能耗的影響程度存在一定的變化，但大致上主要受醇胺溶液循環(huán)量、濃度和再生塔回流比等參數(shù)影響。劉瑾等[25]指出再生塔回流比和醇胺溶液濃度對總能耗影響明顯。杜廷召等[26]得出醇胺溶液循環(huán)量、濃度、再生塔回流比對總能耗影響重大。商劍峰等[18]指出醇胺溶液循環(huán)量是影響總能耗的主要因素。

2.3 參數(shù)優(yōu)化算法

以總能耗為目標(biāo)函數(shù)、凈化氣酸性組分為約束條件，對關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，可以在滿足天然氣氣質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的前提下，降低流程總能耗，提高經(jīng)濟(jì)性。李奇等[27]基于HYSYS軟件開發(fā)了與MATLAB的接口程序，通過在MATLAB軟件中編寫遺傳算法（GA）優(yōu)化程序調(diào)用HYSYS工藝模型來優(yōu)化工藝參數(shù)。辜小花等[28]基于現(xiàn)場大量數(shù)據(jù)，建立了能反映實際過程的無跡卡爾曼濾波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)動態(tài)模型，并通過非支配性排序遺傳算法獲取了最優(yōu)操作參數(shù)。閆龍[29]運用粒子群優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合遺傳算法優(yōu)化方法，優(yōu)化了醇胺溶液循環(huán)量和吸收塔塔板數(shù)，使得凈化氣中酸性組分降低，單位能耗降低10.35%。薛勇勇等[30]引入層次分析法考察了凈化效果、初始投資費用、操作費用、有效能損失和填料塔高度5個指標(biāo)，對原9組方案進(jìn)行多目標(biāo)綜合評價，得出合成權(quán)重的最優(yōu)方案。梁平等[3]利用HYSYS自帶的SQP優(yōu)化算法對醇胺溶液循環(huán)量、濃度以及原料氣溫度、壓力進(jìn)行了優(yōu)化，得出最優(yōu)參數(shù)方案。

3 工藝流程優(yōu)化

通過“三環(huán)節(jié)”[31]、“三箱”[32]或“三環(huán)節(jié)”-“三箱”組合[33]等用能分析方法，可以分析天然氣脫硫脫碳工藝流程中各個單元的用能狀況，對常規(guī)的工藝流程進(jìn)行優(yōu)化。商麗[20]運用黑箱方法得出流程中再生塔能耗占總能耗的90%以上；常學(xué)煜等[21]得出在醇胺溶液循環(huán)量小的情況下，再生塔能耗占總能耗的98.48%?？芍偕芎脑谡麄€脫硫脫碳工藝中占比很大。為此，國內(nèi)外科研人員提出采用熱泵方案和半貧液方案降低再生塔能耗以及壓能回收方案等改進(jìn)措施來降低總能耗。

3.1 熱泵方案

常規(guī)工藝流程中再生塔塔頂?shù)乃釟夂写罅繜崃浚珶o法直接利用，通過直接壓縮式熱泵方案提高其流動溫度，將塔頂酸氣經(jīng)壓縮機升溫至140°C后進(jìn)入塔底的再沸器充當(dāng)部分熱源[34,35]，經(jīng)空冷器降溫、節(jié)流閥降壓后進(jìn)入回流罐分離，罐底的冷凝水回流至再生塔，罐頂?shù)乃釟膺M(jìn)入硫磺回收單元。熱泵方案不僅回收了再生塔塔頂酸氣的潛熱來減少再沸器蒸汽含量，還節(jié)省了冷卻水[36,37]。直接壓縮式熱泵方案的工藝流程如圖2所示。

圖2 直接壓縮式熱泵方案的工藝流程[38]

3.2 半貧液方案

在原料氣酸氣分壓較高時，將再生塔中富液解析部分酸氣但未經(jīng)重沸器深度解析的半貧液通過側(cè)線送至吸收塔。該方案減少了再生塔塔底再沸器加熱的醇胺溶液量，有效地降低了再沸器的熱負(fù)荷。郭梟馳等[39]通過Aspen Plus軟件模擬半貧液方案，相比常規(guī)脫硫脫碳工藝循環(huán)量減少了49%以上。若將75%的醇胺溶液采用半貧液方案，則再沸器能耗可減少25%[40]。尤其在凈化高酸性原料氣時半貧液方案被廣泛應(yīng)用。半貧液方案的工藝流程如圖3所示。

圖3 半貧液方案工藝流程[20]

3.3 壓能回收方案

將吸收塔塔底富液出口的調(diào)壓閥替換成液力透平泵，用富液壓力驅(qū)動貧液循環(huán)泵旋轉(zhuǎn)將壓能轉(zhuǎn)化為機械能，回收了塔底富液的壓能，有效減少了貧液循環(huán)泵的輸入功率。壓能回收方案的工藝流程如圖4所示。

圖4 壓能回收方案的工藝流程[38]

研究者基于軟件對常規(guī)天然氣脫硫脫碳工藝進(jìn)行了模擬，指出再生部分是能耗的主要單元，也是節(jié)能的重點單元[38,41]。王正權(quán)等[41]基于PRO/II軟件對熱泵+壓能回收方案、半貧液+壓能回收方案兩種組合節(jié)能方案進(jìn)行模擬，熱力學(xué)效率分別提升了5.23%和6.39%。李景輝等[38]基于HYSYS軟件對熱泵方案、半貧液和壓能回收方案進(jìn)行模擬，總能耗分別降低了4.80%、6.02%、2.04%。商麗[20]基于HYSYS軟件分別對以上三種方案進(jìn)行模擬，有效能分別提高了6.27%、9.99%、1.09%。可以看出以上各方案的節(jié)能效果依次為：半貧液方案＞熱泵方案＞壓能回收方案。

4 結(jié)語與展望

本文從醇胺法脫硫脫碳理論出發(fā)，綜述了基于軟件模擬的工藝參數(shù)和流程優(yōu)化的研究進(jìn)展；分析了工藝參數(shù)對凈化效果和能耗的影響以及運用智能算法對工藝參數(shù)的優(yōu)化；總結(jié)出工藝流程優(yōu)化的三種方案的節(jié)能效果依次為：半貧液方案＞熱泵方案＞壓能回收方案。

在優(yōu)化工藝參數(shù)時，由于各天然氣處理廠原料氣組成差異較大，需要脫除H2S和CO2的程度不同，故各天然氣處理廠工藝參數(shù)有很大差異，且各參數(shù)對凈化氣和總能耗影響程度也有一定差異。在模擬酸性天然氣脫硫脫碳時，需針對現(xiàn)場實際的原料氣組分選擇合適的醇胺吸收劑；運用現(xiàn)場數(shù)據(jù)，建立與之相適應(yīng)的模型，并與現(xiàn)場數(shù)據(jù)對比驗證模型的可靠性；進(jìn)而對參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，找出對凈化效果和能耗影響較大的關(guān)鍵參數(shù)并對其進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，在滿足凈化氣氣質(zhì)要求的前提下求出最優(yōu)操作參數(shù)，減少總能耗，提高經(jīng)濟(jì)性。

在優(yōu)化工藝流程時，通過用能分析方法對主要能耗單元進(jìn)行改進(jìn)，結(jié)合實際情況選擇熱泵方案、半貧液方案、壓能回收方案或組合方案對工藝流程進(jìn)行優(yōu)化。除此以外，可運用先進(jìn)的節(jié)能設(shè)備代替?zhèn)鹘y(tǒng)設(shè)備（如利用板翅式換熱器代替貧富液常用的管殼式換熱器或蛇管換熱器）以及運用先進(jìn)技術(shù)對現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化（如利用夾點技術(shù)對換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化）均可以有效地減少總能耗。

運用軟件模擬醇胺法脫硫脫碳時還可從以下方面進(jìn)行探索：（1）應(yīng)用智能優(yōu)化算法對現(xiàn)有醇胺法脫硫脫碳工藝進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，獲取最優(yōu)操作參數(shù)；（2）對現(xiàn)有工藝進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化后，需分析工藝參數(shù)與原料氣處理量、酸性組分、壓力等參數(shù)的適應(yīng)性，以達(dá)到參數(shù)之間的最佳匹配。