高含硫天然氣凈化裝置節(jié)能技術(shù)研究

曹振濤，李長(zhǎng)春，李景輝，李卓彥

（1.中石化廣元天然氣凈化有限公司，四川廣元 628400，2.四川中澤油田技術(shù)服務(wù)有限責(zé)任公司，四川廣元 628400）

十九大以來(lái)我國(guó)對(duì)節(jié)能降耗、綠色環(huán)保工作愈發(fā)重視，相關(guān)政策陸續(xù)發(fā)布。天然氣作為一種清潔能源，在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)體系中所占比例逐年增加，成為我國(guó)新時(shí)期的安全高效的現(xiàn)代能源體系的重要戰(zhàn)略資源。隨著國(guó)內(nèi)含硫天然氣田大規(guī)模的開發(fā)，高含硫天然氣凈化裝置在我國(guó)能源工業(yè)中占有越來(lái)越重要的位置，天然氣凈化裝置的節(jié)能減排工作已逐步受到業(yè)界關(guān)注。由于天然氣脫硫工序涉及到高溫、高壓、高毒等高危過(guò)程，且其具有高含硫、收率低、腐蝕性強(qiáng)、單位能耗高、危險(xiǎn)級(jí)別高等特點(diǎn)，致使天然氣凈化裝置運(yùn)行能耗占整個(gè)天然氣開發(fā)過(guò)程的很大比例。研究高含硫天然氣凈化裝置能耗結(jié)構(gòu)，確定降低凈化過(guò)程能耗的技術(shù)和方法，對(duì)高含硫天然氣凈化的科學(xué)合理運(yùn)行具有重要的科學(xué)意義和廣闊的實(shí)際應(yīng)用前景。

1 天然氣凈化裝置能耗結(jié)構(gòu)分析

天然氣凈化廠主要使用一次能源和二次能源，一次能源有燃料氣，二次能源有電力與蒸汽，其中蒸汽為廠內(nèi)自產(chǎn)；耗能工質(zhì)包括各類水、壓縮空氣、氮?dú)獾?，其中新鮮水由外部供給，其他工質(zhì)由廠內(nèi)自產(chǎn)。川渝地區(qū)某天然氣凈化廠2019年全廠綜合能耗132 991.6t 標(biāo)煤，凈化氣單位油氣綜合能耗為47.61kg/t，各能耗占比情況如圖1所示。

圖1 某凈化裝置能耗影響占比圖

由圖1可看出，凈化裝置的能耗主要以蒸汽、用電及燃料氣消耗為主，采用先進(jìn)的節(jié)能工藝、節(jié)能設(shè)備、合理調(diào)控工藝參數(shù)以降低蒸汽、用電及燃料氣消耗，是凈化裝置節(jié)能減排的主要思路。

2 節(jié)能降耗技術(shù)分析

2.1 傳統(tǒng)節(jié)能降耗工藝技術(shù)

（1）串級(jí)吸收聯(lián)合再生工藝。凈化裝置最大的能耗為溶劑再生蒸汽消耗，提高吸收效率、降低再生溶劑量成為了最直接的節(jié)能方式；基于此考慮，目前國(guó)內(nèi)越來(lái)越多的凈化廠開始應(yīng)用串級(jí)吸收聯(lián)合再生工藝，將天然氣脫硫塔分為兩段設(shè)計(jì)，一段使用貧溶劑吸收，二段使用一段及尾氣吸收塔的半富液進(jìn)行吸收，溶劑混合后一起送入再生塔進(jìn)行再生，有效提高了脫硫效率，降低了溶劑循環(huán)量，降低了溶劑再生成本。

（2）閃蒸汽回用工藝。目前國(guó)內(nèi)外的凈化裝置基本都對(duì)閃蒸汽進(jìn)行了回收利用，主要做法為在閃蒸罐上設(shè)置小型的吸收塔，將閃蒸汽從閃蒸罐進(jìn)入閃蒸汽吸收塔進(jìn)行脫硫脫碳后并入燃料氣管網(wǎng)或直接送至尾氣焚燒爐燃燒。針對(duì)溶劑發(fā)泡后閃蒸汽攜帶胺液無(wú)法回用的情況，普光凈化廠通過(guò)增大閃蒸汽吸收塔的直徑、控制溶劑發(fā)泡趨勢(shì)等方式解決[4]。

（3）余熱回收工藝。傳統(tǒng)凈化工藝包在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)余熱回收方面已進(jìn)行了充分考慮，如脫硫單元設(shè)置板式貧富液換熱器、硫磺回收單元設(shè)置余熱鍋等。在傳統(tǒng)余熱回收工藝的基礎(chǔ)上，目前業(yè)內(nèi)也開始更多的關(guān)注低溫余熱回收，如中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司為元壩氣田設(shè)計(jì)的工藝包中，開發(fā)了新的TEG再生廢熱回收流程，利用貧TEG 溶劑回收TEG 再生塔頂?shù)牡蜏赜酂?，TEG 再生能耗減少20%。

（4）工業(yè)水回用工藝。酸水汽提單元的凈化水經(jīng)處理合格后回用至循環(huán)水系統(tǒng)作為補(bǔ)充水使用，降低新鮮水的用量。采用凝結(jié)水回收器回收蒸汽凝結(jié)水，提高凝結(jié)水的回收壓力，降低二次蒸發(fā)的損失。

（5）選用節(jié)能設(shè)備。常見(jiàn)的節(jié)能設(shè)備主要有液力透平和蒸汽透平，分別利用高壓富溶劑和高壓蒸汽驅(qū)動(dòng)透平機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，以節(jié)約電量消耗，節(jié)能工作的重點(diǎn)之一即是提高節(jié)能設(shè)備的投用率。

2.2 節(jié)能措施探討

（1）工藝參數(shù)優(yōu)化。①聯(lián)合裝置再生蒸汽調(diào)控；根據(jù)不同負(fù)荷下胺液吸收的酸性組分量不同，合理調(diào)控蒸汽用量，通常處理負(fù)荷越低，再生蒸汽量越少；在滿足硫磺回收單元對(duì)酸性氣壓力要求的條件下，盡可能降低脫硫單元溶劑再生塔的操作壓力，以降低溶劑再生塔底重沸器的熱負(fù)荷。②燃料氣用量?jī)?yōu)化；通常尾氣焚燒爐溫度不宜高于600℃，放空火炬的密封氣流動(dòng)速度控制小于0.02m/s，以降低燃料氣消耗。③處理負(fù)荷調(diào)控；裝置的單位能耗隨負(fù)荷增加而降低，故在生產(chǎn)過(guò)程中保持一個(gè)相對(duì)較高且穩(wěn)定的負(fù)荷。④胺液循環(huán)量?jī)?yōu)化，通過(guò)調(diào)整吸收塔的進(jìn)料位置，增加吸收塔的塔板數(shù)，可增加溶劑的吸收效果，以達(dá)到降低循環(huán)量的目的。此外，選用具有良好脫硫化氫及有機(jī)硫能力的復(fù)合脫硫溶劑，也可降低脫硫用的溶劑循環(huán)量。

（2）開停工節(jié)能降耗技術(shù)。①聯(lián)合裝置凈化氣反充壓技術(shù)。凈化裝置在開工過(guò)程中需對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行高壓氮?dú)獬鋲海陂_工引原料氣過(guò)程中，大量的N2和原料氣混合，導(dǎo)致濕凈化氣中N2含量超過(guò)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，引發(fā)產(chǎn)品氣不合格并放空。在產(chǎn)品氣出界區(qū)管線上設(shè)置一根副線，利用在運(yùn)裝置的產(chǎn)品氣對(duì)停工裝置進(jìn)行反向沖壓，以凈化產(chǎn)品氣替代氮?dú)膺M(jìn)行系統(tǒng)開工前建壓，可避免開工過(guò)程天然氣放空。②停工燃料氣回用技術(shù)。裝置停工后脫硫脫水高壓區(qū)泄壓的燃料氣直接放空至高壓火炬，造成資源浪費(fèi)；可在高壓區(qū)天然氣管線上增設(shè)一根連通至燃料氣管網(wǎng)的管線，將停工后脫硫脫水高壓區(qū)泄壓的燃料氣回用。

（3）低溫余熱利用。天然氣凈化工藝中采用了大量空冷和水冷器對(duì)100～150℃的介質(zhì)進(jìn)行降溫，如：再生塔頂出口尾氣設(shè)置冷卻器、加氫反應(yīng)器后設(shè)置急冷塔等，該方式直接放棄了介質(zhì)的低溫余熱的回收利用，開發(fā)耐腐蝕的熱回收設(shè)備及工藝技術(shù)，可提高余熱回收率。

（4）設(shè)備利用率提升。根據(jù)處理負(fù)荷變化和蒸汽供應(yīng)情況及時(shí)投用蒸汽透平等節(jié)能設(shè)備。采用空冷加水冷的冷卻方案，在滿足工藝要求的前提下盡可能地節(jié)約用水，降低能耗，且在夏冬季節(jié)根據(jù)氣溫，評(píng)估水冷及空冷的能耗情況，合理調(diào)配。對(duì)部分設(shè)備采用變頻調(diào)節(jié)，以降低設(shè)備的電消耗。

（5）強(qiáng)化節(jié)能管理。抓好節(jié)能降耗基礎(chǔ)管理，制定節(jié)能管理制度和要求；摸清家底，主要包括節(jié)能計(jì)量器具、高耗低效設(shè)備、運(yùn)行負(fù)荷不匹配、各類能耗占比等情況；根據(jù)摸底和分析，抓住重點(diǎn)，深挖各環(huán)節(jié)節(jié)能降耗工作點(diǎn)；抓好節(jié)能降耗技術(shù)引進(jìn)和應(yīng)用，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際加大節(jié)能技術(shù)的推廣。建立節(jié)能降耗工作機(jī)制，制定節(jié)能目標(biāo)、計(jì)劃、組織結(jié)構(gòu)、各項(xiàng)報(bào)表等相關(guān)內(nèi)容。

3 總結(jié)

在資源短缺的大形勢(shì)下，天然氣凈化廠應(yīng)在設(shè)計(jì)階段就采用先進(jìn)的節(jié)能工藝技術(shù)，投產(chǎn)運(yùn)行后開展節(jié)能降耗技術(shù)系統(tǒng)研究攻關(guān)，總結(jié)固化效果顯著的生產(chǎn)運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)和指導(dǎo)制度，在水、電、蒸汽、燃料氣、廢氣等方面采取先進(jìn)工藝和優(yōu)化措施，提高能源綜合利用效率，實(shí)現(xiàn)了能源利用最優(yōu)北、運(yùn)行管理精細(xì)化、經(jīng)濟(jì)效益最大化。