高含碳天然氣脫碳溶劑的研究

周志斌，朱道平，余勇，楊緒甲，陳園園，宋麗，陳小花

(中石化南京化工研究院有限公司，江蘇南京 210048)

天然氣是一種重要的低碳清潔能源，勘探和開發(fā)大型高含碳天然氣氣田具有重要的意義。胺法脫硫技術(shù)在天然氣脫硫脫碳凈化技術(shù)中占據(jù)主要地位[1]，我國西部某高含碳天然氣凈化裝置擬選擇胺法進行脫碳?？紤]到脫碳過程所需再生熱量來自外部供熱，天然氣開采過程中原料氣中CO2含量升高和原料氣壓力降低的可能性，需要通過試驗優(yōu)化溶劑及工藝參數(shù)，以提高脫碳溶劑的吸收能力，降低溶液循環(huán)量及再生溫度。

1 試驗過程

1.1 試驗流程

溶劑及工藝參數(shù)優(yōu)化試驗裝置的工藝流程見圖1。

圖1 試驗裝置流程示意

從配氣罐來的原料氣通過緩沖罐進入吸收塔下部，與從吸收塔上部進入的脫碳液逆流接觸，脫除大部分CO2。從吸收塔底部出來的富液經(jīng)加熱后，進入再生塔上部，在再生塔內(nèi)閃蒸并經(jīng)塔底再沸器加熱，再生為貧液。從再生塔底部出來的貧液經(jīng)貧液泵加壓，換熱、調(diào)節(jié)溫度后進入吸收塔上部，重新吸收CO2。其中，吸收塔為填料塔，分為4段，每段填料高度300 mm；再生塔也為填料塔，填料高度1 000 mm。通過參數(shù)試驗來確認(rèn)和優(yōu)化工業(yè)裝置的設(shè)計參數(shù)，試驗中的氣液比為原料氣與脫碳液的體積比。

1.2 原料氣和脫碳劑

試驗中原料氣由CO2和甲烷組成，其中CO2的體積分?jǐn)?shù)為12.0%或20.0%。試驗所用某脫碳劑配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的脫碳液，該脫碳液在40 ℃時的理化性質(zhì)見表1。

表1 脫碳液在40 ℃時的理化性質(zhì)

1.3 分析方法

原料氣和凈化氣中CO2采用奧氏儀(南京浩平環(huán)?？萍加邢薰荆吞?903)進行分析，原貧液中的CO2發(fā)生法進行分析(南京浩平環(huán)保科技有限公司，定制儀器)，溶液中的有機胺采用酸堿滴定法分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 貧液溫度對凈化氣中CO2體積分?jǐn)?shù)的影響

當(dāng)原料氣CO2的體積分?jǐn)?shù)為12.0%時，在吸收壓力8.6 MPa、再生溫度80 ℃及固定氣液比條件下，調(diào)節(jié)貧液溫度為55，60，65，70 ℃，考察貧液溫度對凈化氣中CO2體積分?jǐn)?shù)的影響，試驗結(jié)果見圖2。

圖2 溫度對凈化氣中CO2體積分?jǐn)?shù)的影響

由圖2可見：隨著貧液溫度的升高，凈化氣中CO2體積分?jǐn)?shù)呈先降低后升高的趨勢，當(dāng)貧液溫度為65 ℃時，凈化氣中CO2體積分?jǐn)?shù)最低，這是由于較高的貧液溫度會降低脫碳液的黏度，有利于CO2在液膜中的傳遞；同時，從動力學(xué)角度分析，較高的貧液溫度提高了CO2的化學(xué)吸收速率。另外，溫度升高將降低CO2在脫碳溶液中的溶解度，從而不利于脫碳。因此，吸收溫度在CO2脫除過程中存在競爭作用，吸收溫度超過65 ℃時凈化氣中CO2體積分?jǐn)?shù)增加。因此，優(yōu)選65 ℃進行后續(xù)的試驗研究。

2.2 壓力對脫碳效果的影響

當(dāng)原料氣CO2的體積分?jǐn)?shù)為12.0%時，在固定脫碳液循環(huán)量、吸收溫度65 ℃、再生溫度80 ℃、凈化氣中CO2體積分?jǐn)?shù)小于3%的條件下，考察不同吸收壓力對處理量的影響，試驗結(jié)果見表2。

表2 吸收壓力對處理量的影響

由表2可見：在固定脫碳液循環(huán)量及滿足凈化氣指標(biāo)條件下，隨著吸收壓力的降低，滿足指標(biāo)的氣液比呈下降趨勢，即原料氣處理負(fù)荷降低了，吸收壓力5.6 MPa時的處理量比吸收壓力8.6 MPa時的降低了13.3%。對于相同的處理量，在較高的吸收壓力下操作，氣流的壓縮比增加，氣流在吸收塔中的線速度降低，即延長了停留時間，使得氣液接觸更充分，更有利于CO2的脫除，提高凈化氣質(zhì)量。反之，在滿足相同凈化氣指標(biāo)條件下，較高的吸收壓力比較低的吸收壓力可以提高氣液比，增加處理量。因此，對于較高含量的脫碳過程，使用較高的吸收壓力可以提高處理量和保證凈化氣質(zhì)量。

2.3 脫碳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對脫碳效果的影響

當(dāng)原料氣CO2的體積分?jǐn)?shù)為12.0%時，在固定溶液循環(huán)量，吸收壓力8.6 MPa，貧液溫度65 ℃，再生溫度80 ℃，滿足凈化氣中CO2體積分?jǐn)?shù)小于3.0%的條件下，考察不同脫碳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對處理量的影響，試驗結(jié)果見表3。

表3 脫碳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對處理量的影響

由表3可見：當(dāng)脫碳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為45%～50%時，隨著脫碳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的降低，凈化氣中CO2體積分?jǐn)?shù)升高，但還在控制指標(biāo)范圍內(nèi)。當(dāng)脫碳液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)降低至40%時，則需要通過降低氣液比即原料氣處理量來保證凈化氣的質(zhì)量，此時與脫碳液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%時相比，需要降低約13%的原料氣處理量才能保證凈化氣中CO2體積分?jǐn)?shù)不高于3%。繼續(xù)使脫碳液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低至35%，為了保證凈化氣質(zhì)量，原料氣處理量也隨之降低，脫碳液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由50%降至35%時，處理量降低約20%，這是由于脫碳循環(huán)液中質(zhì)量分?jǐn)?shù)高時，相同循環(huán)量可以吸收更多的CO2。因此，為了維持高處理量和保證凈化氣質(zhì)量，脫碳液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)優(yōu)選45%～50%。

2.4 再生溫度對脫碳效果的影響

當(dāng)原料氣CO2的體積分?jǐn)?shù)為12.0%時，在固定溶液循環(huán)量，吸收壓力8.6 MPa，貧液溫度65 ℃，滿足凈化氣中CO2體積分?jǐn)?shù)小于3%的條件下，通過調(diào)節(jié)再生溫度，考察不同再生溫度對脫碳效果的影響，試驗結(jié)果見表4。

表4 再生溫度對脫碳效果的影響

由表4可見：當(dāng)再生溫度為70 ℃時，即使氣液比為400，凈化氣中CO2的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到3.2%，超過了3%的控制指標(biāo)。當(dāng)再生溫度為80 ℃及以上且氣液比保持518時，凈化氣中CO2的體積分?jǐn)?shù)可控制在2.2%～2.7%，該結(jié)果與不同再生溫度下獲得貧液質(zhì)量不同有關(guān)，再生溫度80 ℃及以上時貧液中CO2的體積為8～14 L，隨再生溫度升高而降低，而再生溫度70 ℃時，每升貧液中CO2的體積約為20 L。再生溫度70 ℃的處理量比再生溫度80 ℃的處理量降低了約27%，因此再生溫度不能選擇過低，否則貧液質(zhì)量較差，影響脫碳系統(tǒng)的處理量和凈化度的提高。同時，當(dāng)再生溫度從80 ℃升高至100 ℃時，凈化氣的質(zhì)量提高幅度較小，不及再生溫度70 ℃提高到80 ℃時的升高幅度。因此，保持再生溫度80 ℃及稍高即可，不需要過度升高再生溫度，這樣既可降低再生能耗，又可減少后續(xù)降低貧液溫度的能耗。

2.5 貧液溫度和吸收壓力對原料氣CO2體積分?jǐn)?shù)升高后的脫碳影響

考慮到氣井開發(fā)過程中，原料氣CO2體積分?jǐn)?shù)可能高于當(dāng)前的12.0%，氣井壓力可能會衰減，因此需要考察脫碳溶劑在原料氣CO2體積分?jǐn)?shù)升高和原料氣壓力衰減時脫碳效果的變化情況。依據(jù)該凈化廠可能升高后的CO2體積分?jǐn)?shù)為20.0%的條件進行試驗研究，在氣液比320，脫碳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%，吸收壓力為8.6 MPa，再生溫度為80 ℃時，考察了貧液溫度對凈化氣中CO2體積分?jǐn)?shù)的影響，試驗結(jié)果見圖3。

圖3 貧液溫度對凈化氣中CO2體積分?jǐn)?shù)的影響

由圖3可見：隨著貧液溫度的升高，凈化氣中CO2體積分?jǐn)?shù)總體變化不大，但在保證凈化氣中CO2體積分?jǐn)?shù)指標(biāo)合格時，貧液溫度操作范圍變小，貧液溫度65 ℃時，凈化氣中CO2體積分?jǐn)?shù)最低，后續(xù)的吸收壓力條件試驗中貧液溫度優(yōu)選65 ℃。

當(dāng)原料氣CO2的體積分?jǐn)?shù)為20.0%時，在脫碳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%，貧液溫度為65 ℃，再生溫度為80 ℃的條件下，考察吸收壓力對脫碳效果的影響，試驗結(jié)果見表5。

表5 吸收壓力對脫碳效果的影響

由表5可見：當(dāng)原料氣CO2的體積分?jǐn)?shù)為20.0%時，吸收壓力對凈化氣流量和凈化氣中CO2體積分?jǐn)?shù)的影響較大，該結(jié)果與原料氣中CO2體積分?jǐn)?shù)為12.0%時的結(jié)果相似，當(dāng)吸收壓力從8.6 MPa降至5.6 MPa時，原料氣處理量下降了12.5%。經(jīng)對比，隨著原料氣中CO2體積分?jǐn)?shù)升高，在保證凈化氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)情況下，當(dāng)吸收壓力為8.6 MPa時，CO2體積分?jǐn)?shù)為20.0%時的處理量約為CO2體積分?jǐn)?shù)為12.0%的62%左右。

3 結(jié)論

1)對于CO2體積分?jǐn)?shù)為12.0%的原料氣，在保證凈化氣中CO2體積分?jǐn)?shù)小于3.0%的指標(biāo)條件下，可操作的貧液溫度較大，較優(yōu)的溫度為65 ℃。當(dāng)吸收壓力下降時，滿足凈化氣指標(biāo)的原料氣處理量下降，吸收壓力為5.6 MPa時的處理量比吸收壓力為8.6 MPa時的處理量降低了13.3%。脫碳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)優(yōu)選為45%～50%。相同條件下，再生溫度越高，凈化氣中CO2體積分?jǐn)?shù)越低，再生溫度保持80 ℃以上時，可以降低綜合能耗。較優(yōu)的工藝參數(shù)為吸收壓力8.6 MPa，貧液溫度65 ℃，脫碳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為45%～50%，再生溫度80 ℃。

2)對于CO2體積分?jǐn)?shù)為20.0%的原料氣，當(dāng)吸收壓力8.6 MPa，貧液溫度65 ℃，脫碳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%，再生溫度為80 ℃時，其處理量約為CO2體積分?jǐn)?shù)為12.0%的原料氣處理量的54%。貧液溫度對脫碳性能的影響不大，但滿足凈化氣中CO2體積分?jǐn)?shù)小于3.0%的貧液溫度的可操作范圍變小。