MDEA脫碳裝置模擬與優(yōu)化

田文爽 孟 碩 張海濱 張繼東

中國(guó)海洋石油集團(tuán)有限公司節(jié)能減排監(jiān)測(cè)中心, 天津 300457

0 前言

在天然氣處理、合成氨原料氣處理、電廠煙氣處理等工業(yè)處理過(guò)程中常涉及到CO2的脫除[1-5]。CO2脫除方法主要有溶劑吸收法、膜分離法、低溫分餾法、變壓吸附法等[6-9]。溶劑吸收法中的醇胺吸收法,特別是甲基二乙醇胺(MDEA)法以其適應(yīng)范圍廣、腐蝕性小、能耗低、凈化度高、具有選擇性等優(yōu)點(diǎn)近年來(lái)得到迅速發(fā)展[10-14]。與其他醇胺溶液相比,由于MDEA極高的CO2吸收速率和較低的再生能耗而受到普遍重視,目前已廣泛應(yīng)用于天然氣、合成氣及煙氣的脫碳[15]。

Aspen HYSYS流程模擬軟件廣泛應(yīng)用于石油開(kāi)采、儲(chǔ)運(yùn)、天然氣加工、石油化工、精細(xì)化工、制藥等領(lǐng)域,具有操作簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)大、模擬精確等優(yōu)點(diǎn),是模擬復(fù)雜化工過(guò)程的重要工具。本文利用該軟件對(duì)CO2脫除裝置進(jìn)行工況研究及模擬優(yōu)化,為優(yōu)化裝置操作提供指導(dǎo),達(dá)到降低裝置能耗,提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。

1 CO2脫除裝置工藝流程

1.1 原料氣組成

本裝置脫碳原料氣來(lái)自上游裝置,根據(jù)儀表實(shí)測(cè)及分析化驗(yàn)結(jié)果,原料氣基本性質(zhì)及組成見(jiàn)表1～2。

表1脫碳原料氣基本性質(zhì)

序號(hào)物性數(shù)據(jù)1汽化率/(%)1002溫度/℃383壓力/kPa(a)31804摩爾流量/(kmol·h-1)23045平均相對(duì)分子量23566密度/(kg?m-3)3092

表2脫碳原料氣組分分析

序號(hào)組分摩爾分?jǐn)?shù)x1CO2019242N2013953CH4064024C2H6002395C3H8000276i?C4000057n?C400006

1.2 工藝流程

為減少M(fèi)DEA貧液循環(huán)量,降低再生塔負(fù)荷,該裝置吸收塔采用二段進(jìn)料,再生塔采用二段再生,工藝流程見(jiàn)圖1。來(lái)自上游裝置的天然氣進(jìn)吸收塔下部,由下向上與MDEA溶液逆流接觸,CO2被MDEA溶液吸收。脫碳?xì)庥晌账斄鞒?經(jīng)冷卻、脫除液滴后進(jìn)入脫水裝置進(jìn)一步處理。吸收CO2后的MDEA富液由塔底流出,經(jīng)液力透平泵回收能量后進(jìn)入閃蒸塔,由塔頂釋放出烴類(lèi)氣體和部分CO2作為低壓燃料氣送往鍋爐。塔底富液進(jìn)入再生塔上段進(jìn)一步常壓解吸,解吸出的CO2經(jīng)再生塔頂出裝置,產(chǎn)生的半貧液大部分經(jīng)液力透平泵增壓輸送至吸收塔中部,少部分經(jīng)換熱升溫后進(jìn)再生塔汽提段與該段的氣相逆流接觸,進(jìn)行完全再生。完全再生后的貧液由再生塔底流出,經(jīng)換熱冷卻后增壓輸送至吸收塔上段。

該工藝貧液循環(huán)量少、熱耗較低,同時(shí)可通過(guò)調(diào)整貧液和半貧液比例以控制外輸氣中CO2含量指標(biāo),節(jié)省裝置的電耗。

2 模擬計(jì)算

2.1 模擬流程建立

MDEA脫碳流程模擬的關(guān)鍵問(wèn)題是氣體吸收平衡的計(jì)算[16],物性方法選擇是決定模擬結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵步驟,選用Aspen HYSYS針對(duì)酸氣脫除工藝的流體包Acid Gas[17-18],并根據(jù)工藝流程及進(jìn)料物流參數(shù)建立模型。吸收塔為變截面填料塔,模擬中采用Absorber模塊。再生塔頂洗滌段設(shè)三塊浮閥塔板以減少塔頂氣夾帶的MDEA量,塔頂設(shè)有管線直通到塔底,使回流水旁通再生塔填料,降低再生塔填料段液相負(fù)荷,提高半貧液濃度。根據(jù)再生塔特點(diǎn),為準(zhǔn)確模擬半貧液濃度等參數(shù),將再生塔簡(jiǎn)化為常壓閃蒸段及汽提段,半貧液由閃蒸段抽出。通過(guò)調(diào)整實(shí)現(xiàn)流程各個(gè)模塊的收斂,脫CO2裝置模擬流程見(jiàn)圖2。

2.2 參數(shù)對(duì)比

對(duì)比工藝物流關(guān)鍵參數(shù)的軟件模擬值與裝置當(dāng)前DCS顯示的實(shí)際值及化驗(yàn)值,結(jié)果見(jiàn)表3～4。

圖1 MDEA脫碳工藝流程圖

圖2 脫CO2裝置模擬流程圖

表3關(guān)鍵物流參數(shù)模擬值與DCS顯示值對(duì)比

物流名稱(chēng)參數(shù)模擬值實(shí)際值脫碳?xì)鉁囟?℃522517壓力/kPa(a)31503150流量/(kmol·h-1)1871218808貧液溫度/℃516516壓力/kPa(a)38003800流量/(kmol·h-1)4313543135半貧液溫度/℃733733壓力/kPa(a)38003800流量/(kmol·h-1)157829157829富液溫度/℃795791壓力/kPa(a)31803180流量/(kmol·h-1)205289205195

表4關(guān)鍵物流組分模擬值與化驗(yàn)值對(duì)比

物流名稱(chēng)組分摩爾分?jǐn)?shù)x(模擬值)摩爾分?jǐn)?shù)x(化驗(yàn)值)脫碳?xì)釮2O0005200054CO20007700089N20171201705CH40782007811C2H60029000292C3H80003300033貧液H2O0900008982MDEA0099500997CO20000500020半貧液H2O0869208682MDEA0098200927CO20032600391富液H2O0856908575MDEA0096400923CO20046100498CH40000600003

通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比可知,關(guān)鍵組分的模擬數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)較為接近,可認(rèn)為模型準(zhǔn)確,能夠在一定程度上反應(yīng)實(shí)際情況。

2.3 工況研究

2.3.1 閃蒸塔壓力及富液閃蒸氣回收利用

當(dāng)前操作條件下,吸收塔底富液經(jīng)液力透平泵回收能量壓力降低后進(jìn)入閃蒸塔,塔頂壓力由閃蒸氣流量控制閥連鎖控制在680 kPa,吸收塔底富液到閃蒸塔總體壓降為2 400kPa,從閃蒸罐頂部逸出氣體723.3 kg/h,閃蒸氣組分分析見(jiàn)表5。

表5閃蒸氣組分分析

序號(hào)組分摩爾分?jǐn)?shù)x1CO2046742N2002363H2O005324CH4042715C2H6002506C3H8000267i?C4000038n?C400007

分析閃蒸塔壓力對(duì)閃蒸氣組成及流量等參數(shù)的影響,對(duì)其進(jìn)行工況研究。以吸收塔底富液總體壓降代替閃蒸塔壓力作為變量以便于模擬。為保證液力透平泵正常運(yùn)轉(zhuǎn)及富液后續(xù)進(jìn)再生塔有足夠壓力,閃蒸塔壓力控制不宜大幅變動(dòng)[19-20],選取富液總體壓降在2 000～2 600 kPa范圍內(nèi)進(jìn)行研究。富液壓降與閃蒸氣組成變化的工況研究見(jiàn)圖3～4,從圖3中可以看出閃蒸氣中CH4和CO2流量隨著壓降的增加同時(shí)增加,而CO2流量在壓降達(dá)到2 300kPa后迅速上升,CH4增長(zhǎng)則保持平穩(wěn),導(dǎo)致出現(xiàn)圖4中閃蒸氣中CO2摩爾分?jǐn)?shù)逐漸增大的現(xiàn)象。

圖3 富液壓降對(duì)閃蒸氣中CO2、CH4質(zhì)量流量的影響

圖4 富液壓降對(duì)閃蒸氣中CO2、CH4摩爾分?jǐn)?shù)的影響

根據(jù)表5分析結(jié)果,閃蒸氣中仍有相當(dāng)量的CH4組分,考慮到閃蒸氣流量與脫碳原料天然氣量相比很小,對(duì)脫碳負(fù)荷影響較小,且當(dāng)前裝置負(fù)荷較低。可對(duì)閃蒸氣增壓后重新送入脫CO2吸收塔底部進(jìn)行脫碳,回收CH4以多產(chǎn)脫碳?xì)狻ａ槍?duì)該裝置,回收閃蒸氣需增設(shè)閃蒸氣壓縮機(jī)1臺(tái),閃蒸氣冷卻器、分液罐及污水泵各1臺(tái),改造后流程見(jiàn)圖5。

圖5 脫CO2裝置閃蒸氣回收模擬流程圖

圖6 富液壓降對(duì)脫碳?xì)庵蠧O2摩爾分?jǐn)?shù)的影響

圖7 富液壓降對(duì)進(jìn)再生塔CO2質(zhì)量流量及再生塔底再沸器負(fù)荷的影響

改造可產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益與天然氣價(jià)格、再生塔熱力消耗、熱力價(jià)格、液力透平回收能變化、新增設(shè)施能耗、運(yùn)維費(fèi)用等諸多因素有關(guān),結(jié)合主要因素對(duì)經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行計(jì)算。

式中:W為回收CH4可產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益,萬(wàn)元/a;F為CH4回收量,t/a;P為天然氣價(jià)格,0.225萬(wàn)元/t;Q為再沸器耗熱能變化量,GJ;D為熱力價(jià)格,0.003 78萬(wàn)元/GJ;R為液力透平回收能變化量,kW;Mi為新增用電設(shè)備功率,kW;i為新增用電設(shè)備編號(hào),i=1,2…n;H為年運(yùn)行時(shí)間,8 400 h;N為電價(jià),0.000 065萬(wàn)元/kW·h;C為操作維護(hù)費(fèi)用,10萬(wàn)元/a。

圖8 吸收塔底富液壓降對(duì)回收閃蒸氣產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益的影響

根據(jù)模擬數(shù)據(jù)作出回收閃蒸氣產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益隨富液壓降變化曲線,見(jiàn)圖8。從圖8可知,富液壓降為 2 250 kPa 左右時(shí)收益達(dá)到最高值215.2萬(wàn)元/a,此時(shí)閃蒸塔壓力為830 kPa,可節(jié)能1 679.9 tce/a。

2.3.2 貧液、半貧液循環(huán)量配比

當(dāng)前貧液、半貧液循環(huán)量均采用設(shè)計(jì)值,分別為 120 m3/h 和450 m3/h。就脫碳系統(tǒng)工藝特點(diǎn)而言,要求產(chǎn)品氣CO2含量越低,需要貧液循環(huán)量越大,裝置能耗越大。而增加半貧液循環(huán)量,減少貧液循環(huán)量,可以降低再生塔塔底再沸器負(fù)荷,但同時(shí)也會(huì)降低吸收塔脫碳效果。為了研究在不同貧液、半貧液組成條件下,吸收塔吸收效果和再生塔負(fù)荷之間的關(guān)系,在上述回收改造基礎(chǔ)上對(duì)CO2吸收解析流程進(jìn)行模擬分析。

設(shè)定貧液/半貧液總流量、濃度為當(dāng)前值不變,維持再生塔分離指標(biāo)基本不變,通過(guò)改變貧液流量,得到不同貧液/半貧液配比下凈化天然氣CO2含量及再生塔能耗,見(jiàn)圖9。

圖9 不同貧液/半貧液配比對(duì)脫碳?xì)庵蠧O2摩爾分?jǐn)?shù)及再生塔底再沸器負(fù)荷的影響

3 結(jié)論

1)應(yīng)用化工模擬軟件Aspen HYSYS對(duì)MDEA脫碳裝置進(jìn)行了模擬計(jì)算,得到了與實(shí)際裝置匹配的模型。

2)根據(jù)某MDEA脫CO2裝置的實(shí)際問(wèn)題設(shè)計(jì)了新的閃蒸氣回收流程,對(duì)閃蒸氣中CH4進(jìn)行回收。

3)對(duì)富液壓降進(jìn)行分析,得到了不同壓降下閃蒸氣組成,結(jié)合經(jīng)濟(jì)效益分析確定了2 250kPa為更合理的富液壓降。

4)對(duì)貧液、半貧液配比及產(chǎn)品氣成分進(jìn)行了模擬計(jì)算,得出了滿(mǎn)足分離條件的前提下,貧液循環(huán)量為100 m3/h,半貧液循環(huán)量為470 m3/h時(shí)能取得更好的經(jīng)濟(jì)效益。

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