內蒙古某LNG項目脫碳單元參數優化

曾 桃 王海洋

重慶耐德工業股份有限公司， 重慶 401121

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內蒙古某LNG項目脫碳單元參數優化

曾 桃 王海洋

重慶耐德工業股份有限公司， 重慶 401121

液化天然氣；脫碳；凈化工藝；優化；工藝參數

0 前言

醇胺類溶劑是目前運用最廣泛的天然氣脫碳脫硫溶劑，自20世紀30年代實現工業化以來，醇胺法工藝一直被認作天然氣凈化的主要方法[1-4]。混合醇胺溶液是近年來廣泛采用的一類氣體脫碳溶液，它以甲基二乙醇胺(MDEA)為主體，復配其它醇胺(DEA、MEA)、緩蝕劑和促進劑等化學物質，來控制溶液與H2S、CO2的反應速度與程度，從而達到凈化氣體的目的[5]。MDEA不易降解，具有較強的抗化學和熱降解能力以及特殊的溶解性，因此工藝過程能耗低，特別是通過加入其它醇胺進一步對該工藝進行改進后，在投資費用、公用工程、物料消耗等方面與其它脫碳方法相比具有較好的經濟性[6]。

內蒙古某LNG項目為國外引進的成套工藝包，其液化工藝為單級混合制冷工藝，凈化單元為混合胺法脫碳。本文以該項目為例，對混合胺法脫碳的機理、工藝流程、工藝模擬、參數優化等方面進行研究。

1 設計條件及凈化要求

內蒙古某LNG工廠處理量為30×104m3/d，原料天然氣組成見表1。

表1 原料天然氣組成

2 混合醇胺法脫碳機理

MDEA作為一種叔胺，它的N原子上沒有連接H原子，所以實際反應中并沒有生成氨基甲酸鹽的快反應發生，而是通過堿催化氫化CO2的反應機理進行[9-10]。反應式如下：

(1)

H++R2NCH3→R2NCH3H+

(2)

式(1)+式(2)：

(3)

式(1)是CO2水化反應，受液膜控制，反應速度極慢，式(2)則為瞬間可逆反應，因此，式(1)為MDEA吸收CO2的控制步驟，式(3)是很慢的反應。因此，當需要大量脫除CO2時，式(1)就成為MDEA吸收CO2的障礙。

(4)

(5)

式(4)+式(5)：

(6)

式(6)受式(4)控制，式(4)是二級反應，其反應速度較式(1)有較大提高(反應速度常數比=10～100)。由此可見，加入DEA后，醇胺溶液吸收CO2的反應速度明顯提高。

3 工藝流程

脫碳工藝流程見圖1。增壓后的天然氣自吸收塔塔底進入，與自上而下的貧液逆流接觸，從而脫除天然氣中的CO2等酸性組分，凈化天然氣從塔頂排出，然后進入分子篩脫水單元。吸收CO2后的富液從吸收塔塔底流出，富液經節流降壓后進入閃蒸罐，閃蒸出部分含有CO2的烴類氣體，可作為LNG工廠的部分燃料氣，閃蒸后的富液依次通過機械過濾器、活性炭過濾器，去除掉其中的機械雜質和降解產物，經貧富液換熱器復熱后進入解析塔再生。再生后的貧液從再生塔塔底流出，經貧富液換熱器冷卻后，依次通過貧液增壓泵、貧液冷卻器、貧液循環泵，然后進入吸收塔完成循環；再生塔頂部流出的酸性氣體經酸氣冷卻器后進入酸氣分離器，分離出的氣相主要為CO2，將其就地排放，液相作為再生塔的塔頂回流。

圖1 脫碳工藝流程圖

4 工藝參數優化

4.1 工藝參數對凈化氣CO2摩爾含量的影響

4.1.1 操作壓力

優化調整LNG工廠的參數后，確定操作壓力為5.8 MPa。相對于原設計參數，操作壓力從6.3 MPa調整到5.8 MPa后，可使原料天然氣壓縮機的二級排氣溫度由原來的85 ℃降低到78 ℃，壓縮機的軸功率減少37 kW。

圖2 操作壓力對凈化氣CO2摩爾含量的影響

4.1.2 貧液溫度

天然氣進入吸收塔的參數、貧液濃度及殘余酸氣負荷同4.1節中所述，貧液溫度在45～55 ℃變化時，凈化氣中CO2摩爾含量見圖3。從圖3可知，貧液溫度升高時凈化氣中CO2摩爾含量會增加，因此降低溫度會提高CO2凈化效果，但是為了防止天然氣中的重烴凝析，貧液溫度應較天然氣溫度高5～6 ℃[12]。

LNG工廠的參數優化調整后，貧液溫度約為49.7 ℃，比天然氣溫度43.8 ℃高5.9 ℃。

圖3 貧液溫度對凈化氣CO2摩爾含量的影響

4.1.3 貧液循環量

天然氣進入吸收塔的參數、貧液溫度、貧液濃度同4.1節中所述。貧液循環量在11.5～14.3 m3/h變化時，凈化氣中CO2摩爾含量見圖4。從圖4可知，貧液循環量增大時凈化氣中CO2摩爾含量會降低，因此實際運行中適當加大貧液循環量可以得到更好的凈化效果，但是貧液循環量加大時會增加再沸器的熱負荷。由圖4可知，貧液循環量在13.0～13.5 m3/h時，可將CO2摩爾含量降低到50×10-6以下，滿足凈化要求。

圖4 貧液循環量對凈化氣CO2摩爾含量的影響

4.1.4 殘余酸氣負荷

圖5 殘余酸氣負荷對凈化氣CO2摩爾含量的影響

4.2 主要工藝參數對比

調整前后脫碳單元的主要工藝參數對比見表2。

表2 調整前后脫碳單元的主要工藝參數對比

5 結論

[1] 諸 林.天然氣加工工程[M].北京:石油工業出版社,2008：85-87. Zhu Lin. Natural Gas Processing Engineering [M]. Beijing:Petroleum Industry Press， 2008： 85-87.

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2015-06-08

曾 桃(1987-),男,四川自貢人,工程師,學士,主要從事天然氣液化技術工作。

10.3969/j.issn.1006-5539.2015.06.009