天然氣凈化廠脫硫脫碳裝置的適應性分析

摘" " " 要： 為分析凈化廠脫硫脫碳裝置的適應性，利用HYSYS軟件建立脫硫脫碳工藝流程的穩態模型，研究原料氣氣質組分變化對天然氣凈化度的影響，并對DEA、MEA、PZ三種溶液的活化性能進行了模擬研究。研究結果表明：原料氣中CO2含量高于5.9%時，脫硫脫碳裝置原有設計參數不再滿足凈化度的要求；在相同活化劑濃度下，改善脫CO2性能的活化劑順序由高至低依次是PZgt;MEAgt;DEA，H2S凈化度由低至高的活化劑順序依次為PZgt;DEAgt;MEA。CO2含量小于等于5%的天然氣可采用MDEA溶液為吸收溶劑，CO2含量大于5%的天然氣宜采用MDEA/DEA溶液為吸收溶劑。

關" 鍵" 詞：高含碳天然氣； HYSYS； 脫硫脫碳； 活化MDEA

中圖分類號：TE64" " "文獻標識碼： A" " "文章編號： 1004-0935（2024）04-0559-04

天然氣脫硫脫碳方法按作用方式的不同可分為化學吸收法、物理吸收法、化學-物理吸收法等。目前，在天然氣脫硫脫碳工藝中，MDEA溶液在國內外應用最為廣泛，具有選擇吸收性、酸氣負荷較高、腐蝕性小、化學性能穩定等優點。隨著氣藏的不斷開發，采出氣的氣質組分會發生變化，尤其是CO2含量增加時，實際運行中會出現天然氣凈化度不達標、凈化裝置不能平穩運行等問題。為適應高含碳天然氣大規模的開發生產，需在MDEA溶液中復配不同的化學劑來改善其對CO2的吸收性能，在MDEA溶液中加入DEA、MEA、PZ等活化劑[1-3]。

1" 脫硫脫碳工藝

1.1" 脫硫脫碳工藝流程

天然氣經原料氣分離器、聚結過濾器去除游離水、固體顆粒等雜質后進入吸收塔底部，與自上而下的MDEA貧液逆流接觸，實現氣液兩相的傳質傳熱。

再生塔塔頂進入的富胺液與塔內自下而上流動的蒸汽逆流接觸，解析出的酸氣由再生塔頂部排至酸氣空冷器冷卻后進入回流罐，分離出的液體泵送至再生塔頂，酸氣則送至硫磺回收單元。再生塔塔底半貧液由側線進入重沸器加熱，被汽化的兩相流返回再生塔。再生塔底部出來的貧胺液換熱經增壓泵送至胺液空冷器冷卻進入吸收塔，實現胺液循環。

1.2" 工藝模型

本文脫硫脫碳工藝研究基于天然氣凈化廠運行參數，建設規模150×104 m3/d，氣體組分如表1所示，其他主要設計參數如表2所示。

脫硫脫碳裝置能否適應原料氣氣質的變化主要通過以下2個方面考察：

1）H2S質量濃度不大于20 mg/m3，CO2體積分數不大于4%。

2）再生熱負荷不超過設計值。

基于設計參數，利用HYSYS軟件建立脫硫脫碳工藝的穩態模型[4-6]，將再生塔的自由度定義為：重沸器的能耗為4 200 kW，塔頂空冷器能耗為2 180 kW，如圖1所示。

2" 現有裝置適用區間

經模擬分析發現，脫硫脫碳裝置對低含碳中度含硫天然氣的適應性較好，但不滿足高含碳天然氣的凈化需求[7-8]。原料氣中CO2高于5.9%時，MDEA很難將CO2有效地脫除。在不改變設計參數的情況下，當原料氣組分發生變化時，只需判斷變化后的H2S和CO2的含量是否位于圖2的陰影區域內，即是否在脫硫脫碳裝置的適應范圍內。

3" 不同活化劑下脫硫脫碳研究

為增加脫硫脫碳裝置的適應范圍，改善高含碳原料氣的凈化度，需對活化劑的脫硫脫碳性能進行研究。在原設計45%MDEA溶液中，加入DEA、MEA、PZ三種常見活化劑研究其對天然氣凈化度的影響[9-10]。

3.1" 活化劑對凈化度的影響

由圖3可知，隨活化劑濃度的增加，凈化氣中CO2含量先減小后趨于穩定，而凈化氣中H2S含量逐漸增加。

由圖4可知，隨活化劑濃度的增加，凈化氣中CO2含量逐漸減小，而凈化氣中H2S含量逐漸增加。

與45%MDEA溶液相比，三種復合胺液脫除CO2的能力均逐漸增強，脫除H2S的能力均逐漸減弱。在相同的活化劑濃度下，改善脫CO2性能的活化劑順序由高至低依次為PZgt;MEAgt;DEA。H2S凈化度由低至高的活化劑順序依次為PZgt;DEAgt;MEA。在MDEA溶液中加入活化劑提高了CO2的凈化度，但同時降低了H2S的凈化度。采用MEA、DEA為活化劑時，均能達到深度脫除天然氣中CO2的要求，同時又能夠滿足深度脫除天然氣中H2S的要求。

3.2" 活化劑對裝置適用區間的影響

選擇45%MDEA+2%DEA體系為高含碳天然氣的脫硫脫碳溶劑時，從圖5中可知，當原料氣中H2S和CO2的含量位于曲線下方時，該脫硫脫碳裝置均能正常運行。

選擇45%MDEA+2%MEA體系為高含碳天然氣的脫硫脫碳溶劑時，從圖6中可知，當原料氣中H2S和CO2的含量位于曲線下方時，該脫硫脫碳裝置均能正常運行。

加入活化劑后，脫硫脫碳裝置可以適應高含碳天然氣的凈化需求。對比圖5和圖6可知，相對于MDEA/DEA體系，MDEA/MEA體系脫硫脫碳裝置的適應范圍更為廣泛。但是MEA溶液與CO2反應會發生不可逆的副反應，生成難以再生的降解產物，長時間運行會降低溶劑脫硫脫碳的能力，并且溶液體系易發泡、高溫下易腐蝕。從凈化廠的能耗和運行方面考慮，選用MDEA/DEA體系為高含碳天然氣的脫硫脫碳溶劑。

在溶劑中加入2%DEA下，脫硫脫碳裝置所能適應原料氣酸氣組分范圍如圖7所示。原料氣中CO2含量小于等于5%時，宜采用MDEA溶液為吸收溶劑；原料氣中CO2含量大于5%時，宜采用MDEA/ DEA溶液為吸收溶劑。

4" 結論

本文通過研究得出以下結論：

1）脫硫脫碳裝置對低含碳中度含硫天然氣的適應性非常好，但原料氣中CO2高于5.9%時，MDEA溶劑不能滿足凈化度的要求。

2）三種活化劑均能提高MDEA溶液的脫碳性能，改善效果依次是：PZgt;MEAgt;DEA；增加活化劑的配比有利于提高CO2的凈化度，同時降低了H2S的凈化度。

3）MDEA溶液適用于CO2含量小于等于5%的天然氣；MDEA/DEA溶液適應于CO2質量分數大于5%的天然氣。

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Adaptability Analysis of Desulfurization and

Decarbonization Unit in Natural Gas Purification Plant

WANG Jing

（PipeChina Engineering Technology Innovation Co.， Ltd.， Tianjin 300450， China）

Abstract：" In order to analyze the adaptability of the desulfurization and decarbonization unit in the purification plant， the steady-state model of the desulfurization and decarbonization process was established by using HYSYS software， and the influence of the change of raw gas components on the purification degree of natural gas was studied. Moreover， the activation properties of DEA， MEA and PZ solutions were simulated. The results showed that when the CO₂ content of raw gas was higher than 5.9%， the original design parameters of desulfurization and decarbonization unit could no longer meet the requirements of purification degree. Under the same concentration of activators， the sequence from high to low of activators to improve the performance of CO₂ removal was as follows：PZ， MEA，DEA. H₂S purification degree from low to high in the order of the activator was as follows： PZ，DEA， MEA. MDEA solution could be used as the absorption solvent for natural gas with CO₂ content less than or equal to 5%， and MDEA/DEA solution should be used as the absorption solvent for natural gas with CO₂ content greater than 5%.

Key words： High carbon gas; HYSYS; Desulfurization and decarbonization; Activating MDEA