基于正交試驗(yàn)的天然氣脫硫工藝優(yōu)化

肖榮鴿，莊 琦，王夢(mèng)霞，周 鵬，魚紅平

（1. 西安石油大學(xué) 石油工程學(xué)院，陜西 西安 710065；2. 中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田第二采油廠，甘肅 慶陽(yáng) 745100）

隨著標(biāo)準(zhǔn)GB 17820-2018《天然氣》的發(fā)布與實(shí)施，進(jìn)入長(zhǎng)輸管道天然氣的總硫質(zhì)量濃度要求由200 mg/m3降低為20 mg/m3，H2S質(zhì)量濃度要求由20 mg/m3降低為6 mg/m3，給天然氣凈化工藝帶來了新的挑戰(zhàn)[1]。 目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)天然氣凈化廠脫硫裝置凈化氣不能滿足此要求，急需進(jìn)行工藝改進(jìn)[2]。 天然氣凈化工藝改進(jìn)的基本思路是對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，找出對(duì)凈化效果和能耗影響較大的關(guān)鍵參數(shù)并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，且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(duì)凈化效果的影響和正交試驗(yàn)兩種方法[3]。

目前對(duì)于脫硫工藝的參數(shù)分析更多傾向于對(duì)凈化效果的敏感性分析[4]，對(duì)于工藝能耗的敏感性分析相對(duì)較少。 商劍峰等[5]根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)醇胺溶液脫酸裝置滿負(fù)荷運(yùn)行統(tǒng)計(jì)結(jié)果，指出重沸器再生用蒸汽占脫酸氣工藝總能耗的60%～70%；商麗[6]運(yùn)用黑箱方法計(jì)算出再生塔能耗占總能耗的90%以上。 對(duì)于天然氣脫硫工藝的能耗研究中，各學(xué)者均認(rèn)為再生塔能耗在脫硫工藝總能耗中占比最大，而再生塔能耗由塔底重沸器能耗和塔頂冷凝器能耗兩部分組成。 常學(xué)煜等[7]指出再生塔進(jìn)口溫度越低，再生塔能耗越高；衛(wèi)浪等[8]基于二次回歸正交試驗(yàn)得出參數(shù)對(duì)重沸器能耗的影響程度從大到小依次為：再生塔進(jìn)塔溫度＞醇胺溶液循環(huán)量＞再生塔回流比；杜廷召等[9]指出閃蒸壓力對(duì)重沸器負(fù)荷有一定影響。 綜上可見，閃蒸壓力、再生塔進(jìn)料溫度和再生塔回流比三個(gè)參數(shù)通過影響再生塔能耗進(jìn)而影響整個(gè)脫硫工藝的能耗。 此外，關(guān)于工藝能耗分析中的研究對(duì)象并不統(tǒng)一，文獻(xiàn)[10,11]中考慮的是工藝總輸入能耗，即泵能耗與重沸器能耗之和；而文獻(xiàn)[2,12]中考慮的是工藝總能耗，即機(jī)泵裝置能耗、冷卻裝置能耗和加熱裝置能耗之和。

本文基于HYSYS軟件對(duì)某天然氣凈化廠二乙醇胺（DEA）法脫硫工藝進(jìn)行模擬。 首先增加DEA循環(huán)量使天然氣凈化效果達(dá)標(biāo)，然后在采用單因素法分析閃蒸壓力（節(jié)流閥出口壓力）、再生塔進(jìn)料溫度和再生塔回流比3個(gè)參數(shù)對(duì)能耗影響的基礎(chǔ)上，結(jié)合正交試驗(yàn)多因素分析法，探究參數(shù)對(duì)工藝總輸入能耗和工藝總能耗的影響，并優(yōu)選出最佳工藝參數(shù)，以期在滿足凈化氣氣質(zhì)要求的前提下實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。

1 工藝模擬與參數(shù)分析

1.1 DEA法脫硫工藝模擬

醇胺法是目前最常用的脫硫脫碳方法， 其中DEA吸收劑因其蒸氣壓低、蒸發(fā)損失小、腐蝕性弱、所需投資少等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用[13,14]。 某天然氣凈化廠采用DEA法脫硫工藝，原料氣各組分含量（物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)，下同）如表1所示。

表1 原料氣組分含量

由于GB 17820-2018《天然氣》標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，導(dǎo)致原工藝凈化氣中H2S質(zhì)量濃度不滿足要求， 需要對(duì)其進(jìn)行工藝改進(jìn)。

基于HYSYS軟件模擬該天然氣凈化廠DEA法脫硫工藝流程，物性包選用Amine中的Kent-Eisenberg[7]。原料氣經(jīng)入口分離器后進(jìn)入吸收塔與DEA溶液反應(yīng)，凈化氣從吸收塔塔頂進(jìn)入脫水單元，吸收了酸性組分的塔底富液經(jīng)閃蒸罐、貧/富換熱器后進(jìn)入再生塔，酸氣從塔頂冷凝器進(jìn)入硫磺回收單元，解吸了酸性組分的塔底貧液經(jīng)貧/富換熱器、冷卻器和增壓泵重新進(jìn)入吸收塔。 構(gòu)建的DEA法脫硫工藝流程模型如圖1所示，DEA法脫硫裝置主要運(yùn)行參數(shù)如表2所示。

圖1 DEA法脫硫工藝流程模型

表2 DEA法脫硫裝置運(yùn)行參數(shù)

為使天然氣凈化效果達(dá)標(biāo)，保持工藝中DEA的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為28%，逐漸增加DEA循環(huán)量，模擬結(jié)果如圖2所示。

圖2 DEA循環(huán)量對(duì)凈化氣中H2S質(zhì)量濃度和CO2含量的影響

由圖2確定了DEA循環(huán)量為37.5 m3/h，此時(shí)凈化氣中H2S質(zhì)量濃度為4.81 mg/m3、CO2含量為0.38%，均滿足GB 17820-2018《天然氣》中的一類氣質(zhì)要求。

1.2 參數(shù)對(duì)工藝能耗的影響分析

通過將DEA循環(huán)量增加至37.5 m3/h， 凈化氣氣質(zhì)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。 為了進(jìn)一步降低能耗，還需優(yōu)化部分工藝參數(shù)完成工藝改進(jìn)。 由于DEA循環(huán)量、濃度等參數(shù)已固定，所以主要考慮閃蒸壓力、再生塔進(jìn)料溫度和再生塔回流比對(duì)工藝能耗的影響。 由于各學(xué)者對(duì)工藝能耗分析中的研究對(duì)象并不統(tǒng)一，為此本文深入分析上述各參數(shù)對(duì)工藝各部分能耗的影響，進(jìn)而為下文探究各參數(shù)對(duì)工藝總輸入能耗 （Q1和Q4之和）和總能耗（Q1、Q2、Q3和Q4之和）的影響是否一致提供支撐。

1.2.1 閃蒸壓力

保持其它參數(shù)不變，設(shè)定閃蒸壓力范圍為200～800 kPa，以50 kPa的步長(zhǎng)增長(zhǎng)，觀察并分析閃蒸壓力對(duì)Q1、Q2、Q3和Q4的影響，結(jié)果如圖3所示。 由圖3可知，閃蒸壓力對(duì)Q1和Q3的影響顯著，變化值分別為1380 kW和1308.6 kW；對(duì)Q2和Q4幾乎沒有影響。 增大閃蒸壓力抑制了富液中的氣體逸出，導(dǎo)致更多的酸氣在再生塔分離，因此重沸器能耗Q1增大[9]；且引起貧/富換熱器出口物流9的溫度升高， 冷卻器溫差增大即冷卻器能耗Q3增大。

圖3 閃蒸壓力對(duì)Q1、Q2、Q3和Q4的影響

1.2.2 再生塔進(jìn)料溫度

保持其它參數(shù)不變，設(shè)定再生塔進(jìn)料溫度范圍為80～110 °C，以2 °C的步長(zhǎng)增長(zhǎng)，觀察并分析閃蒸壓力對(duì)Q1、Q2、Q3和Q4的影響，結(jié)果如圖4所示。 由圖4可知，再生塔進(jìn)料溫度對(duì)Q1和Q3的影響顯著，變化值分別為1814 kW和1802 kW； 對(duì)Q2和Q4幾乎沒有影響。 當(dāng)再生塔進(jìn)料溫度處于80～110 °C之間，Q1和Q3隨再生塔進(jìn)料溫度的升高近似線性下降。 重沸器能耗Q1隨進(jìn)料溫度升高而降低[15]；且由于再生塔塔底溫度固定，再生塔進(jìn)料溫度越高，貧/富換熱器出口的物流9溫度越低， 冷卻器的溫差越小即冷卻器能耗Q3越低。

圖4 再生塔進(jìn)料溫度對(duì)Q1、Q2、Q3和Q4的影響

1.2.3 再生塔回流比

保持其它參數(shù)不變，設(shè)定再生塔回流比范圍為1～2，以0.1的步長(zhǎng)增長(zhǎng)，觀察并分析再生塔回流比對(duì)Q1、Q2、Q3和Q4的影響，結(jié)果如圖5所示。 由圖5可知，再生塔回流比對(duì)Q1和Q2的影響顯著， 變化值分別為934 kW和923 kW；對(duì)Q3和Q4幾乎沒有影響。 當(dāng)再生塔回流比處于1～2之間，Q1和Q2隨再生塔回流比的升高近似線性上升。 增大再生塔回流比，再生塔內(nèi)氣液傳質(zhì)推力上升促進(jìn)酸氣解析，提高了貧液再生度，導(dǎo)致重沸器和冷凝器能耗均增大[9]。

圖5 再生塔回流比對(duì)Q1、Q2、Q3和Q4的影響

2 工藝參數(shù)優(yōu)化

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是一種研究多因素多水平的設(shè)計(jì)方法，通過選擇一部分有代表性水平組合來代替全面試驗(yàn)可顯著減少試驗(yàn)次數(shù)，被廣泛用于多個(gè)領(lǐng)域[16]。 在天然氣凈化領(lǐng)域，梁平等[17]基于ProMax軟件進(jìn)行原料氣處理量、胺液循環(huán)量等九因素三水平的正交試驗(yàn)；衛(wèi)浪等[8]基于HYSYS軟件進(jìn)行MDEA富液進(jìn)塔溫度、MDEA循環(huán)量和再生塔回流比三因素三水平的正交試驗(yàn)，進(jìn)而對(duì)脫硫工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。本文基于HYSYS軟件進(jìn)行正交試驗(yàn)， 分析前文3個(gè)參數(shù)對(duì)工藝總輸入能耗和總能耗的影響，探究參數(shù)對(duì)工藝總輸入能耗和總能耗的影響是否一致，并優(yōu)選出最佳工藝參數(shù)，使脫硫工藝在滿足凈化氣氣質(zhì)要求的前提下降低能耗。

2.1 正交試驗(yàn)方案

選擇閃蒸壓力、再生塔進(jìn)料溫度和再生塔回流比3個(gè)因素為自變量， 分析其對(duì)總輸入能耗和總能耗的影響，正交試驗(yàn)編碼水平如表3所示。 因SPSS軟件在正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)、結(jié)果分析中的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)使其應(yīng)用廣泛，故采用SPSS軟件進(jìn)行正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)和試驗(yàn)結(jié)果方差分析[18]。 通過HYSYS軟件進(jìn)行正交試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表3 編碼水平

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

通過SPSS軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果擬合后進(jìn)行方差分析，分析結(jié)果見表5和表6。 其中，方差分析中均方差等于第Ⅲ類平方和除以相對(duì)應(yīng)的自由度，F(xiàn)值等于因素均方差除以誤差均方差[19]。 F值越大，表示該因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響程度越高；P值代表各因素的顯著性水平，當(dāng)P ＜0.05，表明該因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響顯著，具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；模型的相關(guān)系數(shù)R2越大，表示該模型擬合效果越好，試驗(yàn)誤差越低[17]。

由表5和表6可知，各因素的P值均為0.000，表明各因素對(duì)總輸入能耗和總能耗的影響極其顯著，且通過比較F值大小， 得出參數(shù)對(duì)工藝能耗的影響程度從大到小依次為： 再生塔進(jìn)料溫度＞再生塔回流比＞閃蒸壓力。

表5 總輸入能耗方差分析

表6 總能耗方差分析

2.3 參數(shù)優(yōu)化

將各因素水平上的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行平均化處理，計(jì)算出閃蒸壓力、再生塔進(jìn)料溫度和再生塔回流比對(duì)總輸入能耗的極差分別為143.20、1222.05和364.62；對(duì)總能耗的極差分別為285.60、2443.06和723.42。極差反映了各因素水平對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響權(quán)重大小，極差越大，表明該因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響權(quán)重越大[20]。通過極差分析，得出各參數(shù)對(duì)總輸入能耗和總能耗的影響趨勢(shì)，如圖6所示。 由圖6可知，參數(shù)對(duì)工藝總輸入能耗和總能耗的影響是一致的，表明工藝總輸入能耗和總能耗均可用于天然氣脫硫工藝的能耗分析；工藝能耗隨閃蒸壓力的增大而增大、隨再生塔進(jìn)料溫度的升高而減少、隨再生塔回流比的增大而增大； 各因素對(duì)能耗的影響程度從大到小依次為：再生塔進(jìn)料溫度＞再生塔回流比＞閃蒸壓力。

圖6 參數(shù)對(duì)總輸入能耗和總能耗的影響趨勢(shì)

通過極差分析， 優(yōu)選出最低能耗水平組合方案，即最佳工藝優(yōu)化方案：閃蒸壓力為500 kPa、再生塔進(jìn)料溫度為105 °C、再生塔回流比為1.3。 其中，工藝參數(shù)優(yōu)化前后的對(duì)照如表7所示。 由表7可知，相較于未優(yōu)化之前， 工藝總能耗由7262.3 kW降低至5362.2 kW，能耗降低了約26%；凈化氣H2S質(zhì)量濃度由4.81 mg/m3上升為5.82 mg/m3，仍滿足新標(biāo)準(zhǔn)下一類凈化氣的氣質(zhì)要求。

表7 參數(shù)優(yōu)化效果對(duì)比

3 結(jié)論

（1）通過HYSY軟件分析了閃蒸壓力、再生塔進(jìn)料溫度和再生塔回流比對(duì)脫硫工藝各部分能耗的影響，結(jié)果表明：閃蒸壓力和再生塔進(jìn)料溫度對(duì)重沸器和冷卻器的能耗影響較大，且能耗隨閃蒸壓力的增大而增大， 隨再生塔進(jìn)料溫度的增大而減??；再生塔回流比對(duì)重沸器和冷凝器的能耗影響較大，且能耗隨再生塔回流比的增大而增大。

（2）通過分析參數(shù)對(duì)總輸入能耗和總能耗的影響，證明了工藝參數(shù)對(duì)總輸入能耗和總能耗的影響具有一致性， 均可用于天然氣脫硫工藝的能耗分析。 通過方差、極差分析，得出3個(gè)參數(shù)對(duì)工藝能耗的影響程度從大到小依次為： 再生塔進(jìn)料溫度＞再生塔回流比＞閃蒸壓力。

（3）通過正交試驗(yàn)得出最佳工藝參數(shù)，即：閃蒸壓力500 kPa、再生塔進(jìn)料溫度105 °C、再生塔回流比1.3。相較于原工藝，優(yōu)化后工藝總能耗由7262.3 kW降低至5362.2 kW，降低了約26%。 表明在凈化氣達(dá)標(biāo)的基礎(chǔ)上，優(yōu)化閃蒸壓力、再生塔進(jìn)料溫度和再生塔回流比三個(gè)參數(shù)對(duì)降低工藝能耗有較好效果。