低含硫天然氣脫硫裝置關鍵參數對凈化氣質量影響研究*

游赟 梁平 張哲 王飛

1重慶科技學院石油與天然氣工程學院

2復雜油氣田勘探開發重慶市重點實驗室

3中國石油天然氣股份有限公司規劃總院

4中國石油天然氣股份有限公司西南油氣田分公司

隨著GB17820—2018《天然氣》[1]和GB37124—2018《進入天然氣長輸管網的氣體質量要求》[2]等國家標準陸續出臺，對商品天然氣中酸性氣體組分指標提出了十分嚴格的要求。對此，國內諸多已建的天然氣凈化廠通過增加H2S、CO2脫除深度以進行產品氣質量的升級。對于低含硫天然氣凈化廠，研究如何調整裝置生產操作參數來迅速實現產品氣達標具有重要的現實意義。本文利用ASPEN HYSYS 軟件對中國石油某低含硫凈化廠的天然氣脫硫裝置進行了工藝模擬分析，通過研究其工藝裝置關鍵參數對生產凈化氣中酸性氣體組分含量的影響及調整措施，為現場脫硫裝置系統的生產運行和優化升級提供理論依據[3]。

1 脫硫工藝流程模型

1.1 模型搭建

中國石油某低含硫凈化廠采用MDEA 法脫硫工藝，實際運行時的產品氣總硫技術指標可滿足標準要求，但存在硫化氫含量超標問題，對此通過脫硫裝置操作參數的優化調節進行解決。該凈化廠的脫硫裝置設計處理規模375×104m3/d，原料氣中H2S質量濃度為1 911.92 mg/m3，總硫質量濃度為23 mg/m3，氣質組分情況如表1 所示。由于來料原料氣溫度較低，進入吸收塔內氣/氣換熱器，利用濕凈化氣加熱原料氣后再進入吸收塔中。裝置主要運行參數見表2。MDEA 溶液濃度為40%（質量分數，下同）；外輸產品氣控制指標中，H2S 濃度≤6 mg/m3，CO2濃度≤3%（摩爾分數，下同）。

應用HYSYS 軟件，選用Acid Gas-Chemical Solvents 物性包，構建脫硫裝置工藝流程模型如圖1所示。

1.2 模型驗證

結合原料氣組分及裝置運行參數對搭建的流程模型進行全過程模擬計算，并將計算的裝置凈化氣產出結果與現場實際生產數據進行對比分析。由表3 可知，模擬結果與現場數據吻合度較高，表明構建的流程模型具有較高的準確性，能夠反映脫硫裝置的運行狀況，可為下一步分析提供可靠基礎[4]。

表1 原料天然氣組分Tab.1 Composition of raw natural gas 摩爾分數/%

表2 脫硫裝置運行參數Tab.2 Operation parameters of desulfurization unit

圖1 脫硫裝置工藝流程模型Fig.1 Process flow model of desulfurization unit

表3 凈化氣模擬結果對比Tab.3 Simulation results comparison of purified gas 摩爾分數%

2 關鍵參數影響分析

2.1 胺液循環量的影響

保持脫硫裝置其他操作參數不變，控制流程中MDEA 溶液濃度為40%，模擬胺液循環量在80～110 m3/h 范圍變化時，胺液循環量對凈化氣中酸性氣體含量的影響（圖2）。

圖2 胺液循環量對凈化氣中H2S、CO2含量的影響Fig.2 Effect of amine liquid circulation on H2S and CO2 contents in purified gas

由圖2 可知，隨著循環量增加，凈化氣中H2S、CO2含量均下降[3]，其中CO2含量一直滿足一類氣要求，H2S 含量在循環量達到99 m3/h 以上時，降至新標準中一類氣要求的濃度6 mg/m3以下。同時，當胺液循環量達到105 m3/h 以上，凈化氣中H2S 含量下降速度變緩慢，說明此時增加循環量所取得的凈化效果已經不明顯。因此，實際操作中單純增加胺液循環量，并不能獲得高效的凈化效果[5-6]。

2.2 胺液濃度的影響

保持脫硫裝置其他操作參數不變，控制胺液溶液循環量為75.45 m3/h，模擬胺液濃度在40%～50%范圍變化時，胺液濃度對凈化氣中酸性氣體含量的影響（圖3）。

圖3 胺液濃度對凈化氣中H2S、CO2含量的影響Fig.3 Effect of amine concentration on H2S and CO2 contents in purified gas

由圖3 可知，隨著胺液濃度不斷增大，凈化氣中H2S、CO2含量呈現上升趨勢，說明產品氣凈化度隨著胺液濃度的提高呈現了惡化的趨勢。其中，H2S 含量在胺液濃度超過46%后變化相較明顯，體現了高濃度MDEA 溶液對H2S 選擇性吸收能力更強。因此，實際操作中通過提高胺液濃度來達到優化的目的并不可取，高濃度的MDEA 溶液不僅使得凈化效果變差，而且造成胺液資源浪費，加大了動力消耗，還容易產生胺液發泡等系列問題。

2.3 吸收塔塔板數的影響

保持脫硫裝置其他操作參數不變，模擬塔板數在15～30 塊范圍變化時，吸收塔塔板數對凈化氣中酸性氣體含量的影響（圖4）。

圖4 塔板數對凈化氣中H2S、CO2含量的影響Fig.4 Effect of tray number on H2S and CO2 contents in purified gas

由圖4 可知，隨著吸收塔塔板數的增加，凈化氣中H2S、CO2含量下降，但各自的下降速率逐漸變緩。這主要因為MDEA 溶液對于CO2的吸收屬于慢反應，增加的塔板數促進了氣液接觸，使得CO2的吸收量相應增加[6-7]。同時CO2和H2S 之間也存在競爭吸收關系[6-7]，此長彼消，致使溶劑吸收H2S 量發生了下降。但隨著CO2在MDEA 溶液中溶解度趨近飽和，凈化氣中CO2含量下降速率變緩。

2.4 原料氣壓力的影響

保持脫硫裝置其他操作參數不變，模擬原料氣壓力在5.2～7 MPa 范圍變化時，原料氣壓力對凈化氣中酸性氣體含量的影響（圖5）。

圖5 原料氣壓力對凈化氣中H2S、CO2含量的影響Fig.5 Effect of raw gas pressure on H2S and CO2 contents in purified gas

由圖5 可知，隨著原料氣壓力的上升，凈化氣中H2S、CO2含量發生下降，其中H2S 濃度降低約2 mg/m3，CO2濃度降低約0.06%，降幅較小。同時，由于原料氣壓力提升范圍受限于吸收塔的設計壓力，因此提高原料氣壓力難以達到提升凈化氣質量的目的。

2.5 原料氣溫度的影響

保持脫硫裝置其他操作參數不變，模擬原料氣溫度在10～30 ℃范圍變化時，原料氣溫度對凈化氣中酸性氣體含量的影響（圖6）。

圖6 原料氣溫度對凈化氣中H2S、CO2含量的影響Fig.6 Effect of raw gas temperature on H2S and CO2 contents in purified gas

由圖6 可知，隨著原料氣溫度的降低，凈化氣中H2S、CO2含量出現下降[8]，當溫度降低至10 ℃時，凈化氣中H2S 濃度為7.3 mg/m3，CO2濃度為2.24%，其中H2S 含量雖有較大降幅，但仍不滿足新國標的要求。

2.6 貧液溫度的影響

保持脫硫裝置其他操作參數不變，模擬MDEA貧液入塔溫度在18～40 ℃范圍變化時，貧液溫度對凈化氣中酸性氣體組分含量的影響（圖7）。

圖7 貧液入塔溫度對凈化氣中H2S、CO2含量的影響Fig.7 Effect of lean liquid entry temperature on H2S and CO2 contents in purified gas

由圖7 可知，降低貧液入塔溫度可使吸收塔溫度降低，促進了反應程度加深。貧液溫度降低對凈化氣中H2S、CO2含量的影響與原料氣溫度的影響程度相當[8]。但應注意的是，吸收塔溫度的降低會使得富液的溫度降低，這會增加再沸器的能耗。

3 影響程度排序與優化措施

為方便進行脫硫裝置關鍵參數對天然氣凈化質量影響的相對強弱分析，采用min-max 標準化方法對模擬計算數據進行變換處理。

正相關數據計算[9]：

負相關數據計算[9]：

由此建立以脫硫裝置關鍵參數條件的變化程度為橫坐標，凈化氣中H2S、CO2含量為縱坐標的影響大小關系圖（圖8、圖9）。

通過觀察圖中曲線的下降率，對比在一定操作范圍內各運行參數對H2S、CO2含量的影響程度可知：

（1）操作參數對所生產凈化氣中H2S 含量的影響程度由大到小依次為胺液循環量、原料氣溫度、貧液溫度、原料氣壓力、吸收塔塔板數、胺液濃度。

圖8 操作條件變化對H2S 含量的影響Fig.8 Effect of operating conditions on H2S content

圖9 操作條件變化對CO2含量的影響Fig.9 Effect of operating conditions on CO2 content

（2）操作參數對所生產凈化氣中CO2含量的影響程度由大到小依次為胺液循環量、原料氣溫度、吸收塔塔板數、貧液溫度、原料氣壓力、胺液濃度。

在實際生產過程中可根據上述影響程度排序和各關鍵參數調節難易綜合采取相應的優化措施，從而提高凈化氣質量。根據前文分析，胺液濃度影響程度較低，且現場實際更改吸收塔塔板數較為困難，因此，對胺液循環量、貧液溫度、原料氣溫度和壓力四個操作參數應用HYSYS 優化器選擇序列二次規劃法進行優化計算[10]，可使凈化氣的H2S、CO2含量達標GB 17820—2018 的一類氣標準。關鍵參數優化計算結果如表4 所示。

4 結論

（1）應用HYSYS 模擬軟件建立中石油某低含硫天然氣凈化廠脫硫裝置流程模型，模擬計算結果與現場實際值對比，確定了模型具有可靠性，可用于該凈化廠脫硫工藝參數分析研究。

（2）通過模擬計算，分析裝置運行過程中胺液循環量和濃度、吸收塔塔板數、原料氣溫度和壓力，以及貧液溫度在一定操作條件變化范圍對凈化氣中H2S、CO2含量達標新國標的影響效果，任何單一參數的調節都很難取得良好的優化效果。

表4 關鍵參數優化計算結果Tab.4 Calculation results of key parameters optimization

（3）結合min-max 標準化方法，各參數對凈化氣中H2S 含量的影響程度由大到小依次為胺液循環量、原料氣溫度、貧液溫度、原料氣壓力、吸收塔塔板數、胺液濃度；對凈化氣中CO2含量的影響程度由大到小依次為胺液循環量、原料氣溫度、吸收塔塔板數、貧液溫度、原料氣壓力、胺液濃度。

（4）通過應用HYSYS 優化器計算，進一步分析得出使凈化氣的H2S、CO2含量達標GB 17820—2018的一類氣標準，且能耗最低的胺液循環量、原料氣溫度和壓力、貧液溫度四個關鍵操作參數的優化調整結果：增加胺液循環量至95.50 m3/h，原料氣增壓至5.25 MPa，溫度調整至20 ℃，貧液入塔溫度降低至34.3 ℃。