天然氣脫硫工藝再生過程能耗優化與分析

李娜娜（大慶油田有限責任公司第五采油廠）

在天然氣管輸或液化前，需去除天然氣中的水分、雜質和酸性物質，以滿足管輸效率和下游交接的要求[1-2]。目前，天然氣脫硫工藝有干法和濕法兩種，前者以固體吸附和膜分離為主，主要用于邊緣小斷塊單井的脫硫處理；后者以物理吸收和溶劑吸收為主，主要用于聯合站或中央處理廠的集中脫硫處理，且溶劑吸收法中醇胺溶劑應用最為廣泛[3]。梁平等[4]利用Promax 軟件對某廠的脫硫工藝進行了模擬分析，通過正交實驗完成了工藝的優化調整；朱曉艷[5]利用Hysys 軟件進行了脫硫工藝的敏感性分析，得到了胺液的最佳配方；肖榮鴿等[6]通過正交試驗分析了閃蒸壓力、再生塔進料溫度和再生塔回流比對總輸入能耗和總能耗的影響，在滿足凈化要求的前提下，對工藝節點參數進行了優化。以上研究更多傾向于單因素對工藝能耗的敏感性分析，而沒有不同因素之間的關系及再生過程、再生效果的研究。基于此，以天然氣脫硫工藝中的再生過程為例，監測再生塔溫度和壓力、富胺液進塔溫度、循環量及回流比等因素對再生效果及能耗的影響，從而確定再生過程中不同變量的操作空間，以期為現場工藝的優化提供實際參考。

1 工藝描述與模型建立

原料氣先進入過濾分離器，脫除夾帶的烴類、雜質和游離水，隨后流入吸收塔塔底，與塔頂流入的貧胺液逆流接觸，通過傳質傳熱，原料氣中的大部分H2S 和CO2被吸收，貧胺液變成富胺液從吸收塔塔底流出，塔頂流出的凈化氣進入后續脫水單位；富胺液經閃蒸罐、換熱器后進入再生塔，實現富胺液脫酸處理；酸氣從再生塔頂部流出進入硫磺回收工藝；底部流出的貧胺液經換熱器、泵后循環至吸收塔，完成整個再生過程。天然氣脫硫工藝流程見圖1。

圖1 天然氣脫硫工藝流程Fig.1 Desulfurization process of natural gas

Hysys 軟件具有物性數據庫豐富、計算方法嚴格、狀態方程眾多等優點，已被諸多學者用于油氣田相關工藝的模擬和優化[7-8]。因此，在Hysys 軟件中同步建立與圖1 相同的模擬流程，選擇Amines Property Package 模型中的Kent-Eisenberg 熱力學方法進行相平衡模擬，該模型在酸氣負荷（酸氣負荷即貧液中酸氣摩爾流量與總摩爾流量的比值）大于0.1 時具有較好的數據關聯性[9]。

為了對比模擬結果與現場工況的吻合性，以某氣田凈化廠中的脫硫單元為例進行校核，原料氣組分見表1，關鍵物流參數見表2。可見工藝節點中壓力、溫度和流量的誤差較小，說明水力及熱力的迭代核算準確，凈化氣中H2S 濃度小于20 mg/m3，CO2濃度小于3%（摩爾分數），滿足GB 17820—2018《天然氣》中一類天然氣的氣質要求。

表1 原料氣組分含量Tab.1 Component content of raw gas 摩爾分數/%

表2 關鍵物流參數Tab.2 Key logistics parameters

2 結果與分析

在脫硫工藝中，能耗設備主要為胺液冷凝器、胺液循環泵、再生塔冷凝器和再生塔重沸器。在表1、表2 的工況下，模擬得到其能耗分別為286.9、105.0、318 和3 615 kW，可見重沸器的能耗最大，故以下主要分析再生過程中重沸器的能耗變化。

2.1 再生塔溫度及壓力

首先，監測塔頂和塔底在壓差一致的工況下（塔頂壓力從100 kPa 升至190 kPa，塔底壓力從110 kPa 升至200 kPa，壓差保持10 MPa），塔頂和塔底壓差不變時溫度的變化情況（圖2）。隨著塔壓的不斷增加，塔頂和塔底溫度同步升高，且溫差均維持在51～56 ℃。

圖2 塔頂和塔底壓差不變時溫度的變化情況Fig.2 Temperature changes with no change in pressure difference between the top and the bottom of the tower

其次，分別監測塔頂壓力和塔底壓力單一指標不變的工況下。塔頂和塔底壓差變化時塔頂和塔底溫度的變化情況（圖3）。在塔頂壓力不變的情況下（圖3a），塔頂溫度也保持不變，塔底溫度隨壓差的增大而增大；在塔底壓力不變的情況下（圖3b），塔底溫度也保持不變，塔頂溫度隨壓差的增大而減小。兩者的溫差均隨壓差的增大而增大。再生塔的壓差與干板壓力降、液層壓力降和克服液體表面張力的壓力降等有關[10]，其中干板壓降在設計初期已經確定，因此壓差主要引起后兩項壓力變化，進而影響氣液在塔板上的流動和傳熱過程。壓差越大，這種驅動力越大，導致溫差越大，壓差不變時對溫差的影響較小。綜上，可以判斷再生塔內每個塔板均存在獨立的相平衡條件，塔板溫度由當前壓力下的各氣液組分的相平衡曲線決定。

圖3 塔頂和塔底壓差變化時溫度的變化情況Fig.3 Temperature changes with change in pressure difference between the top and the bottom of the tower

最后，監測塔頂壓力和塔底壓力單一指標不變的工況下。塔頂和塔底壓差變化時重沸器能耗和貧液中酸氣負荷的變化情況（圖4）。隨著塔底壓力的不斷增加，重沸器蒸汽用量增大，回流量增加，能耗有所上升；同時，CO2負荷下降，H2S 負荷上升，且H2S 負荷較CO2負荷相比差2 個數量級，這是由于再生過程中H2S 的反應為瞬態，富液中溶質自液相轉入氣相的速度遠大于CO2。隨著塔頂壓力的不斷增加，重沸器能耗有所下降；同時，CO2負荷下降，H2S 負荷上升。

圖4 塔頂和塔底壓差變化對重沸器能耗和酸氣負荷的影響Fig.4 Influence of pressure difference between top and bottom on the energy consumption of reboiler and acid gas load

綜上，從能耗角度分析，降低塔底壓力、升高塔頂壓力，降低兩者間的壓差，有利于節能降耗；從再生角度分析，壓力對貧液中H2S 負荷的影響較小，塔底壓力在小于140 kPa、塔頂壓力在小于170 kPa 時，貧液中CO2負荷較大。因此綜合考慮再生塔壓力應維持在150 kPa 左右，以滿足能耗和貧液再生效果的要求。

2.2 塔頂回流比

將經塔頂冷凝器回流至再生塔的流量與塔頂氣相流量的比值定為回流比，監測回流比變化對重沸器能耗和酸氣負荷的影響（圖5）。隨著回流比增大，從冷凝器回流至再生塔的流量增大，貧液的再生質量提高，塔頂的溫度下降，塔底重沸器的加熱溫度上升，所需的能耗也增大；在回流比為0～25 時，貧液中H2S 負荷變化不大，CO2負荷逐漸降低，回流比超過25 時，貧液中H2S 負荷急劇增大。綜合考慮能耗和貧液再生效果，回流比應維持在25 左右。

圖5 再生塔回流比變化對重沸器能耗和酸氣負荷的影響Fig.5 Influence of regenerator reflux ratio change on the energy consumption of reboiler and acid gas load

2.3 富液進塔溫度

監測富液進塔溫度變化對重沸器能耗和貧液酸氣負荷的影響（圖6）。隨著富液溫度的升高，重沸器所需水蒸氣的量逐漸減少，加熱量有所減少，能耗有所降低，同時貧液中酸氣負荷變化較大，在胺液溫度超過90 ℃時，酸氣負荷急速上升。綜合考慮能耗和貧液再生效果，富液溫度應維持在90 ℃左右，同時應盡量提高換熱器的換熱效率。

圖6 富液溫度對重沸器能耗和酸氣負荷的影響Fig.6 Influence of rich liquid temperature on the energy consumption of reboiler and acid gas load

2.4 閃蒸壓力

監測閃蒸壓力變化對重沸器能耗和酸氣負荷的影響（圖7）。隨著閃蒸壓力的增加，抑制了富液中酸性氣體在閃蒸罐中的逸出，導致更多的酸氣在再生塔內得到解吸，故重沸器能耗有所上升；在閃蒸壓力650 kPa 時，酸氣負荷達到最大值，這是由于醇胺溶液與酸性氣體反應是可逆反應，壓力變化對化學平衡的影響較大，閃蒸壓力在一定范圍內無法達到氣液平衡。綜合考慮能耗和貧液再生效果，閃蒸溫度不應高于650 kPa。

圖7 閃蒸壓力對重沸器能耗和酸氣負荷的影響Fig.7 Influence of flash pressure on the energy consumption of reboiler and acid gas load

2.5 貧胺液循環量

監測貧胺液循環量變化對重沸器能耗和酸氣負荷的影響（圖8）。隨著胺液循環量的增加，吸收塔中的富胺液增大，故再生塔中的貧胺液產品也會增加，能耗有所上升；再生過程中H2S 和CO2負荷均在很小的范圍內波動，可見胺液循環量不影響再生效果。綜合考慮能耗和貧液再生效果，應在滿足凈化氣質量的前提下，盡量降低貧胺液循環量。

圖8 貧胺液循環量對重沸器能耗和酸氣負荷的影響Fig.8 Influence of circulating amount of lean amine solution on the energy consumption of reboiler and acid gas load

3 優化結果

依據上述分析，依次對不同的物流參數進行優化調整。優化前后的物流參數對比見表3。調整后再生塔塔頂壓力降低了48 kPa，塔底壓力降低了42 kPa，塔頂溫度升高了4 ℃，塔底溫度升高了5 ℃，富液進塔溫度提高了5 ℃，回流比增加了4，閃蒸壓力降低了35 kPa，貧胺液循環量減少了2 m3/h，雖然凈化氣的質量有所惡化，但仍滿足標準中關于一類天然氣的氣質要求。重沸器的能耗降低了3.451 GJ/h。重沸器采用低壓蒸汽作為熱源，通過核算可減少公用工程流量75 kg/h。

表3 優化前后的物流參數對比Tab.3 Comparison of logistics parameters before and after optimization

4 結論

1）天然氣脫硫工藝再生過程中再生塔內每個塔板均存在獨立的相平衡條件，塔板溫度由當前壓力下的各氣液組分的相平衡曲線決定，再生塔壓力應維持在150 kPa 左右。

2）在回流比為0～25 時，貧液中H2S 負荷變化不大，CO2負荷逐漸降低，回流比超過25 時，貧液中H2S 負荷急劇增大；在胺液溫度超過90 ℃時，酸氣負荷急速上升，富液溫度應維持在90 ℃左右，同時應盡量提高換熱器的換熱效率。

3）在滿足凈化氣質量的前提下，盡量降低貧胺液循環量，同時閃蒸壓力不應高于650 kPa。優化調整后，重沸器的能耗降低了3.451 GJ/h，可減少公用工程流量75 kg/h。