新型高效脫碳劑在某終端節能改造中的應用

李鵬程，唱永磊，李根，顏筱函，韓續增

新型高效脫碳劑在某終端節能改造中的應用

李鵬程1，唱永磊1，李根1，顏筱函1，韓續增2

（1. 中海石油（中國）有限公司北京研究中心，北京 100028；2. 青島歐賽斯環境與安全技術有限責任公司，山東 青島 266000）

大型脫碳裝置一般采用活化MDEA法，由于脫碳溶劑循環量大并需要加熱再生，裝置能耗較高。近年隨著國內外對活化MDEA脫碳溶劑的深入研究，研發的新型高效脫碳溶劑可將裝置能耗有效降低20%。針對某天然氣終端已建三套脫碳裝置實際運行狀況，結合各年脫碳氣量，給定不同更換方案條件下各裝置的運行情況，并針對不同更換方案開展經濟性比選。建議對其中兩套脫碳裝置更換新型高效脫碳劑，可有效優化已建脫碳裝置的運行，降低脫碳裝置能耗，節省費用約2 000萬元。

脫碳；高效溶劑；節能；改造

油氣開采過程中，來自地下儲層的天然氣通常含有一定量的H2S、CO2等酸性組分，這不僅降低天然氣品質，而且腐蝕金屬管道、設備反應器等，給生產帶來安全隱患，影響天然氣儲運和利用[1]。因此，必須對其進行脫酸處理，以滿足國家天然氣標準，一類氣CO2質量分數不超過3%，二類氣CO2質量分數不高于4%[2]。目前國內外大型天然氣脫硫脫碳裝置均以醇胺溶液吸收法為主，如MDEA法、DEA 法或以MDEA 為基礎的配方溶劑法等，其具有操作連續、處理量大、凈化度高以及對酸性氣體組分濃度范圍適應性寬等優點。但此種脫碳工藝要求醇胺吸收溶劑循環量大、吸收溶液酸氣負荷高、脫碳裝置能耗高[3]。以中海油位于海南某天然氣處理終端為例，3套脫碳裝置的能耗約占全廠綜合能耗的80%[4-5]。因此，在工藝流程確定的條件下，選擇采用高吸收性、低再生能耗的活化脫碳劑已成為高含CO2天然氣處理中節能的關鍵。

1 醇胺法脫碳

醇胺法是20世紀80年代發展起來的脫除天然氣中CO2最常用物理化學吸收法。此種方法是在吸收塔內將含CO2的天然氣與貧胺液通過逆流接觸脫除。吸收了CO2的富胺液在再生塔內經過加熱將CO2脫出，胺液經冷卻后再重新使用，從而完成整個吸收-再生-吸收的循環過程[6]。

用于天然氣脫CO2的醇胺溶劑主要包括一乙醇胺（MEA）、二乙醇胺（DEA）和配方/活化甲基二乙醇胺（MDEA）等。此工藝的發展過程實質上是各種溶劑與胺液復配的溶劑和添加劑的選擇、改進的過程[7]。MDEA與活化MDEA的吸收機理見圖1。

圖1 MDEA吸收機理示意圖

2 活化脫碳溶劑

目前先進的高效脫CO2溶劑在以MDEA為基礎，利用特有的活化劑配方可大大提高其吸收CO2的反應速率，降低吸收溶劑損失和脫碳裝置綜合能耗。有文獻報道，在保持原有工藝設備不改造的基礎上，將原裝置胺液更換為新型高效脫碳溶劑后，可將系統處理能力提高20%以上，或將系統能耗降低20%~45%。工業化使用的活化劑主要包括DEA、MEA、哌嗪以及空間位阻胺等，一些新興活化劑正處于實驗研究階段，如碳酸酐酶、離子溶液等，活化劑的配方大多是保密溶劑[8]。目前應用較廣、口碑較好的脫碳溶劑廠商，國外的有美國陶氏化學、德國巴斯夫、法國赫銻石化等，國內的有四川省精細化工設計研究院、成都賽普瑞興科技有限公司、南京化學工業集團研究院等。

目前研發出的新型高效脫碳溶劑具有以下優點：

①基礎單元需要的投資和運行成本更低；

②工藝節能、穩定、環保；

③沒有腐蝕性，設備維修成本低；

④溶劑損失少，補充量小；

⑤可確保高純度酸氣的回收；

⑥可生物降解、無毒性；

⑦通過溶劑配方的調整可提高釋放潛在產能。

表1為將某終端兩套脫碳裝置在應用高效新型活化MDEA后，將處理量提高至原設計處理能力的1.2倍時，凈化氣中CO2摩爾分數及主要設備的負荷。在應用新型脫碳劑后，脫碳裝置處理后的凈化氣中CO2摩爾分數低于原設計值3%，且主要設備的運行負荷均有所降低。

表1 已建脫碳裝置應用新型活化MDEA后運行狀況

3 終端已建脫碳裝置節能改造方案

3.1 終端已建脫碳裝置現狀

某天然氣處理終端現已有3套脫碳裝置，均采用活化MDEA濕法脫碳，其中活化MDEA由水、MDEA及活化劑哌嗪組成，3套裝置的設計及現場檢測實際運行情況如表2所示。裝置一與裝置二的實際脫碳能力目前達不到原設計值[9]。

表2 終端已建脫CO2裝置設計與實際處理能力

3套裝置脫碳工藝均采用“兩段吸收、兩段再生”，貧液循環量小，主要依靠大循環量的半貧液吸收CO2，工藝流程如圖2所示[10]。脫碳流程由高壓吸收和低壓再生兩部分組成，原料氣自吸收塔的底部進入，首先與吸收塔中部進入的半貧液接觸，除去天然氣中的大部分CO2，再與塔頂進入的貧液接觸，進一步脫除CO2以滿足下游用戶對氣質的要求，凈化后的濕氣由塔頂排出。吸收了CO2后的富MDEA由吸收塔底流出，首先進閃蒸塔減壓閃蒸，閃蒸后的富MDEA進再生塔上段進一步低壓再析，溶液在再生塔內與上升的蒸汽接觸，大部分CO2被解吸。再生塔的半貧液大部分經半貧液泵增壓后進入吸收塔中段，少部分經溶液泵提升后經過溶液換熱器與貧液換熱進入再生塔汽提段上部加熱再生。半貧液在重沸器中被加熱，高溫條件下CO2進一步解吸，溶液得到完全再生。完成再生后的貧MDEA液由再生塔底流出，經換熱溫度降低后經貧液冷卻器冷卻、貧液泵增壓后返回到吸收塔頂部，再生塔頂部的酸氣和水蒸氣經過冷卻器冷卻后分離，分離的冷卻水再一次返回再生塔，分離出的尾氣放空處理[10]。

圖2 終端已建脫CO2裝置工藝流程示意圖

3.2 脫碳氣量核算

根據終端上游兩條海管進站氣量與組分及下游用戶對商品氣氣質的要求，終端內每年需要脫出的氣量見表3。

表3 各年需脫碳氣量

3.3 脫碳裝置處理能力核算

基于表2中3套脫碳裝置的實際處理能力，對于新的進站原料氣組分，各裝置逐年可處理氣量見表4。

表4 終端已建脫碳裝置處理能力核算 ×108 m3·a-1

由表3與表4可知，終端已建3套脫碳裝置可滿足脫碳處理需要，但已建裝置所用的活化MDEA傳統配方能耗較高，并且裝置運行過程中偶爾存在發泡等問題。根據表1中國外活化脫碳劑的研究進展，新配方脫碳溶劑的應用可大幅降低脫碳裝置熱能消耗。如對終端內已建的3套脫碳裝置更換國外研發的新型高效脫碳溶劑，各裝置的脫碳處理能力提升情況見表5。

表5 更換新型脫碳劑終端已建脫碳裝置處理能力核算 ×108 m3·a-1

3.4 脫碳裝置節能改造方案優選

根據終端每年需脫碳的氣量和各脫碳裝置更換脫碳劑前后的可處理氣量，篩選出以下4種方案進行經濟性比選。方案一：3套脫碳裝置均不更換脫碳劑；方案二：裝置一與裝置三均更換脫碳劑；方案三：僅裝置一更換脫碳劑；方案四：僅裝置三更換脫碳劑。采用上述各方案后，生產期內每套脫碳裝置的運行情況詳見表6。

表6 4種方案中各套脫碳裝置運行情況

注：“√”代表裝置運行；“×”代表裝置停運。

上述各方案中，每年脫碳裝置運行消耗的電量及熱能見表7。

表7 各方案裝置運行能耗

對于改造方案中脫碳溶劑的初始裝填量，方案二共需更換180 t脫碳劑，方案三需更換120 t脫碳劑，方案四需更換60 t脫碳劑。據市場行情，每噸新型高效脫碳劑的價格約83 000元，各方案在運行全壽命周期內經濟性比較見表8。

表8 不同方案經濟性比較結果

上述評價過程中燃料氣價格為每立方米0.9元，電價為每千瓦時1.6元。

由表8結果可見，在方案二中同時更換脫碳裝置一與裝置三的脫碳溶劑，雖然初始投資高，但裝置能耗大幅降低，可降低終端處理廠內操作費用，整個生產期內將節約2 000萬元費用。

4 結 論

選用基于天然氣組分及凈化氣氣質要求研發的新型高效活化脫碳劑，可將已建的脫碳裝置處理能力提高20%，同時有效減小脫碳裝置運行能耗。通過對終端不同的脫碳裝置更換新型高效脫碳劑的改造方案進行經濟性比選，推薦對脫碳裝置一與裝置三更換新型脫碳溶劑，可節省操作費用約2 000萬元。

［1］王遇冬．天然氣處理原理與工藝[M]．北京：中國石化出版社，2007.

［2］國家市場監督管理總局. 天然氣：GB 17820—2012[S].北京：中國標準出版社，2018.

［3］萬宇飛，鄧驍偉，程濤，等. 不同含碳量天然氣脫碳方案選擇[J]. 油氣田環境保護，2013，23（3）：56-58.

［4］李必忠，溫冬云，吳桂光，等. 東方終端二期脫碳裝置運行問題淺析及解決辦法[J].石油與天然氣化工，2008，37（5）：401-405.

［5］朱光輝.東方終端三套脫CO2裝置工藝設計特點分析[J].中國石油和化工標準與質量，2012，33（12）：31-32.

［6］周聲結，賀瑩. 國內大規模MDEA脫碳技術在中海油成功應用——以中海油東方天然氣處理廠為例[J].天然氣工業，2012，32（8）：35-38.

［7］陳賡良．天然氣配方型脫碳溶劑的開發與應用[J]．天然氣與石油，2014，29（2）：18-24．

［8］江志華，劉淵，朱海山，等.新型高效天然氣脫CO2溶劑在某天然氣處理終端應用研究[J].廣東化工，2016，43（10）：61-63.

［9］胡文杰，江志華，李鵬程，等．多氣源多用戶天然氣處理廠的外輸調控計算模型[J]．天然氣工業，2015，35（6）：93-98．

［10］張文超，羅小明，劉子兵，等.長慶氣田天然氣凈化廠脫硫脫碳工藝優化探討[J].石油工程建設，2015，41（5）：43-46.

Application of New High Efficient Decarburization Solvent in Energy-saving Renovation of Natural Gas Onshore Terminal

1,1,1,1,2

（1. China Offshore Oil Beijing Research Center, Beijing 100028, China 2.Qingdao Oasis Environmental and Safety Technology Co., Ltd., Qingdao Shandong 266000, China)

The activated MDEA process is usually adopted in large-scale decarburization devices, which is characterized by the lower energy efficiency since a large circulation amount of decarburization solvent and its heat regeneration are required. In recent years, with the in-depth study of activated MDEA decarburization solvents at home and abroad, the new and high-efficiency decarburization solvents can effectively reduce the energy consumption of devices by 20%. Based on the on-site operation of three sets of decarburization facility unit (unit 1, 2 and 3) built for a natural gas onshore terminal, and combined with the decarburization gas required in each year, the operation of all unit under different replacement schemes was provided, furthermore, the economic comparison of different replacement schemes was carried out. It was suggested that the high-efficiency decarburization solvent should be replaced for two series decarburization facilities, which could optimize the operation of the built decarburization facility and improve the energy consumption, saving about 20 million Yuan.

Decarburization; High-efficiency solvents; Energy conservation;Renovation

2020-04-21

李鵬程（1988-），男，陜西省渭南市人，工程師，碩士學位，2013 年畢業于中國石油大學（華東）油氣儲運工程專業，研究方向：工藝研究設計及管道完整性管理。

TE08

A

1004-0935（2020）09-1132-04