范 崢劉向迎黃風(fēng)林李穩(wěn)宏喬玉龍閆 昭

(1.西安石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院)

(2.西北大學(xué)化工學(xué)院 3.長慶油田第一采氣廠)

天然氣中酸性組分含量升高的脫硫系統(tǒng)優(yōu)化研究

范 崢1劉向迎1黃風(fēng)林1李穩(wěn)宏2喬玉龍3閆 昭3

(1.西安石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院)

(2.西北大學(xué)化工學(xué)院 3.長慶油田第一采氣廠)

針對(duì)近年來天然氣中酸性組分含量升高導(dǎo)致的產(chǎn)品氣氣質(zhì)下降、設(shè)備故障頻繁等問題,利用Aspen HYSYS軟件對(duì)MDEA溶液循環(huán)量提高后的脫硫系統(tǒng)進(jìn)行了流程模擬。結(jié)果表明,當(dāng)原料氣中酸性組分CO2和H2S的體積分?jǐn)?shù)分別由5.280%和0.028%增至6.280%和0.052%時(shí),為了保證產(chǎn)品氣符合國家標(biāo)準(zhǔn),需將系統(tǒng)中的MDEA溶液循環(huán)量由63.25 m3/h逐漸提高至102.85 m3/h。使用Tray Rating、HTRI Xchanger Suite軟件對(duì)不同MDEA溶液循環(huán)量下的塔器和換熱器等重要設(shè)備進(jìn)行了一系列優(yōu)化。經(jīng)計(jì)算,胺液吸收塔和再生塔的流體力學(xué)性能均符合要求;胺液貧富液換熱器在MDEA溶液循環(huán)量提高時(shí)可串聯(lián)1臺(tái)同型號(hào)換熱器,同時(shí)更換換熱管規(guī)格,以滿足系統(tǒng)需要并緩解堵塞;優(yōu)化后的二級(jí)閃蒸裝置能夠較大程度地緩解裝置頻繁波動(dòng)的情況,而在其入口處加裝高效波紋板除沫器則可有效避免系統(tǒng)發(fā)泡。

天然氣 脫硫 H2S CO2甲基二乙醇胺 流程模擬

天然氣作為一種清潔、高效、安全、便捷、可靠的優(yōu)質(zhì)能源和化工原料,不僅能夠有效改善我國能源結(jié)構(gòu),切實(shí)緩解燃料短缺的嚴(yán)峻現(xiàn)狀,還可以在較大程度上減少由于使用煤炭、石油等傳統(tǒng)化石燃料而導(dǎo)致的碳?xì)浠衔锖土虻衔锱欧?減少環(huán)境污染[1]。由于天然氣中存在CO2、H2S等酸性組分,不僅會(huì)大大降低其熱值,同時(shí),還加速了對(duì)下游金屬設(shè)備管線的腐蝕。因此,在輸送至用戶或進(jìn)行深加工前必須對(duì)天然氣進(jìn)行相應(yīng)的凈化處理[2-4]。隨著靖邊氣田開發(fā)規(guī)模的不斷擴(kuò)大,天然氣中CO2、H2S等酸性組分含量較勘探初期發(fā)生了較大變化,如表1所列。

表1 靖邊氣田天然氣組成與體積分?jǐn)?shù)變化Table 1 Composition and volume fraction change of natural gas in Jingbian Gasfield (φ/%)

天然氣中酸性組分含量的升高不僅會(huì)造成產(chǎn)品氣質(zhì)量下降,而且還會(huì)加速胺液在酸氣脫除過程中的降解,使得溶液品質(zhì)急劇惡化[5-7]。由于胺液降解產(chǎn)物黏度較大,且聚集后容易起泡,從而引起胺液吸收塔和再生塔的發(fā)泡與攔液、閃蒸罐閃蒸氣量與液位大幅度波動(dòng)、富液過濾器濾芯清洗與更換頻繁、貧富液換熱器大面積堵塞且傳熱效果變差、重沸器再生能力不足以及熱煤爐負(fù)荷增大等一系列非正?，F(xiàn)象,嚴(yán)重影響了脫硫系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

針對(duì)上述問題,為了保證產(chǎn)品氣氣質(zhì)符合GB 17820-2012二類氣的要求[8],即CO2體積分?jǐn)?shù)不大于3%、H2S質(zhì)量濃度不大于20 mg/m3,提高脫硫系統(tǒng)MDEA溶液循環(huán)量是簡單、經(jīng)濟(jì)、切實(shí)可行的解決辦法。為了找出提高M(jìn)DEA溶液循環(huán)量后系統(tǒng)中可能存在的瓶頸,利用大型化工流程模擬軟件Aspen HYSYS分別對(duì)不同酸性組分含量下的脫硫系統(tǒng)進(jìn)行了全流程模擬,并在此基礎(chǔ)上通過FRITray Rating、HTRI Xchanger Suite等專業(yè)計(jì)算軟件對(duì)脫硫系統(tǒng)中的一些關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行校核與設(shè)計(jì),最后結(jié)合企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際提出相應(yīng)的設(shè)備優(yōu)化方案。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 流程模擬

系統(tǒng)物性的確定是流程模擬的關(guān)鍵,而物性計(jì)算的準(zhǔn)確性則直接依賴于物性模型的選擇[9-11]。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),利用Aspen HYSYS豐富強(qiáng)大的物性數(shù)據(jù)庫,基于嚴(yán)格的非平衡物性模型,采用Kent-Eisenberg方程對(duì)該非理想系統(tǒng)中液體混合物的逸度系數(shù)和液體焓進(jìn)行了準(zhǔn)確描述。

原料天然氣經(jīng)原料氣分離器和原料氣過濾器脫除其中的游離水和固體雜質(zhì)后進(jìn)入胺液吸收塔(V-201),使得大部分CO2和H2S被胺液吸收。脫硫后的產(chǎn)品氣由吸收塔頂部送出系統(tǒng),塔底出來的富胺液減壓后進(jìn)入胺液閃蒸罐(V-203)進(jìn)行閃蒸,分離出部分烴類氣體。富胺液經(jīng)富液過濾器過濾后在胺液貧富液換熱器(E-210)內(nèi)與胺液重沸器(E-225)底部出來的貧胺液進(jìn)行換熱,加熱后的富胺液由胺液再生塔(V-205)頂部進(jìn)入,與塔內(nèi)自下而上流動(dòng)的蒸汽逆流接觸再生。再生塔頂部解吸出的酸性組分經(jīng)酸氣空冷器(AC-250)冷卻后進(jìn)入酸氣分離器(V-204),分離出的酸性冷凝液經(jīng)酸液回流泵(P-232)送至再生塔頂部回流,而酸氣則送至硫磺回收裝置處理。再生塔底部出來的貧胺液換熱后進(jìn)入胺液緩沖罐(TK-240),與補(bǔ)充水混合均勻后,經(jīng)胺液增壓泵(P-231)送至胺液空冷器(AC-251)冷卻后用胺液供給泵(P-230)打入胺液吸收塔頂部,完成溶液的循環(huán)[12-14]。

模擬的脫硫系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。

1.2 設(shè)備優(yōu)化

隨著MDEA溶液循環(huán)量的不斷提高,脫硫系統(tǒng)中各物流關(guān)鍵點(diǎn)的物性參數(shù),如氣、液相流量、溫度、壓力、組成等均隨之發(fā)生顯著變化,勢(shì)必會(huì)給相應(yīng)設(shè)備帶來一定的影響,因此,為了保證脫硫系統(tǒng)在MDEA溶液循環(huán)量提高后仍能穩(wěn)定運(yùn)行,在流程模擬的基礎(chǔ)上利用FRI-Tray Rating、HTRI Xchanger Suite軟件對(duì)系統(tǒng)中的塔器、換熱器等關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行了必要的優(yōu)化。

2 結(jié)果與討論

2.1 酸性組分含量與MDEA溶液循環(huán)量的關(guān)系

表2 不同酸性組分含量下的MDEA溶液循環(huán)量Table 2 MDEA solution circulation flow rate of different acidic components content

在日處理天然氣300×104m3(20℃,101.325 k Pa,下同)的滿負(fù)荷生產(chǎn)條件下,隨著酸性組分含量的不斷增加,為了保證產(chǎn)品氣氣質(zhì)符合國家標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求,需不斷提高脫硫系統(tǒng)中的MDEA溶液循環(huán)量,具體模擬結(jié)果見表2。

2.2 胺液吸收塔

胺液吸收塔V-201現(xiàn)為膜噴無返混高效板式塔,共20層塔板,其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見表3。該塔板通過富液導(dǎo)出、液膜噴射和V型分離等技術(shù),使得塔板的傳質(zhì)效率、壓降、通量與抗堵塞性能等均有明顯的提高[15]。

表3 胺液吸收塔的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 3 Main structural parameters of amine absorber

當(dāng)系統(tǒng)中的MDEA溶液循環(huán)量提高后,在進(jìn)塔氣量為300×104m3/d、壓力為5.4 MPa的正常操作條件下,采用FRI-Tray Rating軟件對(duì)V-201的塔板流體力學(xué)性能進(jìn)行核算[16],計(jì)算結(jié)果列于表4。

由表4可知,現(xiàn)有胺液吸收塔(V-201)即使在MDEA溶液循環(huán)量達(dá)到102.85 m3/h時(shí)仍能正常運(yùn)行,其塔板壓降、淹塔、霧沫夾帶和液體在降液管中的停留時(shí)間等塔板流體力學(xué)性能均符合相應(yīng)的工藝設(shè)計(jì)要求。

2.3 胺液貧富液換熱器

目前,在役的胺液貧富液換熱由兩臺(tái)BEU型浮頭式換熱器(E-210/A、B)串聯(lián)而成,其換熱管規(guī)格為19 mm×2 mm×6 000 mm并按45°排列,折流板為單弓形,折流板間距為450 mm,其總換熱面積約為650.42 m2。利用HTRI Xchanger Suite軟件分別對(duì)不同MDEA溶液循環(huán)量下的胺液貧富液換熱器進(jìn)行校核[17-18],其計(jì)算結(jié)果列于表5。

表5 胺液貧富液換熱器校核結(jié)果一覽表Table 5 Rating result of lean/rich amine heat exchanger

由表5可知,當(dāng)MDEA溶液循環(huán)量分別為63.25 m3/h、83.24 m3/h和95.12 m3/h時(shí),在役胺液貧富液換熱器的富余度均為正值并依次減小,表明該換熱器完全能達(dá)到以上3種工況下系統(tǒng)指定的換熱要求,但其生產(chǎn)負(fù)荷逐漸趨于飽和。若MDEA溶液循環(huán)量繼續(xù)增大至102.85 m3/h,則貧富液換熱器的富余度變?yōu)?18.22%,已不能滿足生產(chǎn)需要,亟需進(jìn)行優(yōu)化。

針對(duì)上述問題,在充分利用現(xiàn)有設(shè)備、有效降低優(yōu)化成本的指導(dǎo)原則下,研究認(rèn)為通過在現(xiàn)有兩臺(tái)胺液貧富液換熱器(E-210/A、E-210/B)的基礎(chǔ)上串聯(lián)增加1臺(tái)同型號(hào)換熱器E-210/C,并將這3臺(tái)換熱器的管束規(guī)格均更換為25 mm×2.5 mm×6 000 mm可實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。計(jì)算結(jié)果列于表6。

由表6可知,該設(shè)備經(jīng)優(yōu)化后,其冷、熱流體給熱系數(shù)和實(shí)際傳熱系數(shù)均顯著增大,富余度也提高至24.31%。優(yōu)化后的貧富液換熱器不僅完全能夠滿足MDEA溶液循環(huán)量為102.85 m3/h時(shí)的換熱要求,同時(shí),換熱管徑的增大還徹底解決了此前由于貧、富胺液黏度過大而導(dǎo)致的換熱器管束大面積堵塞問題。

表6 胺液貧富液換熱器優(yōu)化結(jié)果一覽表Table 6 Optimization result of lean/rich amine heat exchanger

2.4 胺液閃蒸罐

由于胺液大量發(fā)泡是造成胺液閃蒸罐(V-203)閃蒸氣量和液位波動(dòng)大的主要原因,因此,如何有效減少進(jìn)入閃蒸罐的胺液泡沫是解決該問題的核心與關(guān)鍵。

研究認(rèn)為,除了在其進(jìn)口位置加裝必要的高效波紋板除沫器外[19-20],還可借助高度差在V-203后串聯(lián)增加1個(gè)胺液閃蒸罐,即采用二級(jí)閃蒸進(jìn)行緩沖,使閃蒸氣量和液位更為平穩(wěn)。這樣不僅能保證設(shè)備的正常運(yùn)行,同時(shí),還可以最大程度地減少溶解在胺液中的烴類氣體,從而有效降低脫硫系統(tǒng)的發(fā)泡現(xiàn)象。

2.5 其他設(shè)備

隨著MDEA溶液循環(huán)量的增大,脫硫系統(tǒng)中其他關(guān)鍵設(shè)備的優(yōu)化方案如下:

胺液再生塔(V-205)的流體力學(xué)性能指標(biāo)均符合相關(guān)工藝要求,酸氣空冷器(AC-250)和胺液空冷器(AC-251)經(jīng)核算后可以滿足系統(tǒng)需要。

對(duì)于胺液重沸器(E-225)來說,通過增加換熱管管束、翅化換熱管表面、提高熱媒流率與進(jìn)口溫度等優(yōu)化手段均可使E-225滿足不同MDEA溶液循環(huán)量下的胺液再生要求。

胺液供給泵(P-230)、胺液增壓泵(P-231)和酸液回流泵(P-232)等動(dòng)設(shè)備及其進(jìn)出口管線也能適應(yīng)不同MDEA溶液循環(huán)量下的工況。

2.6 優(yōu)化后的實(shí)際運(yùn)行效果

為了驗(yàn)證裝置優(yōu)化后的實(shí)際運(yùn)行效果,凈化廠按照上述方案于2013年5月進(jìn)行了系統(tǒng)升級(jí)與現(xiàn)場標(biāo)定。方案實(shí)施后,胺液吸收塔和胺液再生塔的發(fā)泡與攔液現(xiàn)象明顯緩解,胺液貧富液換熱器的堵塞現(xiàn)象基本消失,胺液閃蒸罐的閃蒸氣量和液位波動(dòng)大等問題得到有效解決,各控制點(diǎn)參數(shù)與流程模擬結(jié)果基本吻合,產(chǎn)品氣中的CO2體積分?jǐn)?shù)為2.96%,H2S質(zhì)量濃度為18 mg/m3,均滿足國家標(biāo)準(zhǔn)GB 17820-2012《天然氣》的要求,達(dá)到了預(yù)期的改造效果。

3 結(jié)論

(1)針對(duì)靖邊氣田天然氣中酸性組分含量升高的實(shí)際問題,在天然氣處理量為300×104m3/d的滿負(fù)荷生產(chǎn)條件下,提高脫硫系統(tǒng)的MDEA溶液循環(huán)量是目前較為簡單、經(jīng)濟(jì)、切實(shí)可行的優(yōu)化方案之一。

(2)利用Aspen HYSYS對(duì)不同MDEA溶液循環(huán)量下的脫硫系統(tǒng)進(jìn)行了全流程模擬。模擬結(jié)果表明,在CO2體積分?jǐn)?shù)分別為5.280%、5.68%、6.080%和6.280%,H2S質(zhì)量濃度分別為403.2 mg/m3、590.4 mg/m3、676.8 mg/m3以及748.8 mg/m3的條件下,為了保證產(chǎn)品氣氣質(zhì)符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),需要將MDEA溶液循環(huán)量分別提高至63.25 m3/h、83.24 m3/h、95.12 m3/h和102.85 m3/h。

(3)利用FRI-Tray Rating對(duì)胺液吸收塔和胺液再生塔進(jìn)行核算后可知,在不同MDEA溶液循環(huán)量下,其塔板壓降、淹塔、霧沫夾帶和液體在降液管中的停留時(shí)間等塔板流體力學(xué)性能均符合相應(yīng)的工藝設(shè)計(jì)要求。

(4)經(jīng)HTRI Xchanger Suite核算后可知,當(dāng)MDEA溶液循環(huán)量分別為63.25 m3/h、83.24 m3/h和95.12 m3/h時(shí),在役胺液貧富液換熱器尚能滿足系統(tǒng)要求;當(dāng)MDEA溶液循環(huán)量增至102.85 m3/h時(shí),則需在現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上串聯(lián)增加1臺(tái)同型號(hào)換熱器并將換熱管束全部更換為25 mm×2.5 mm×6 000 mm的規(guī)格,該換熱器經(jīng)優(yōu)化后不僅能達(dá)到相應(yīng)的換熱要求,同時(shí)還可以解決頻繁出現(xiàn)的管束堵塞問題。

(5)通過采取在現(xiàn)有胺液閃蒸罐后新增1臺(tái)胺液閃蒸罐并在其進(jìn)口位置加裝高效波紋板除沫器等手段,不僅能夠有效緩解閃蒸氣量和液位波動(dòng)大的問題,還可以最大程度地減少溶解在胺液中的烴類氣體,避免系統(tǒng)發(fā)泡。

(6)系統(tǒng)優(yōu)化后,凈化裝置運(yùn)行平穩(wěn),各控制點(diǎn)參數(shù)與流程模擬結(jié)果基本吻合,產(chǎn)品氣氣質(zhì)符合國家標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)要求,達(dá)到了預(yù)期的改造效果。

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Optimization of desulphurization system for increased acidic components content in natural gas

Fan zheng1,Liu Xiangying1,Huang Fenglin1,Li Wenhong2,Qiao Yulong3,Yan Zhao3
(1.College of Chemistry&Chemical Engineering,Xi’an Shiyou University,Xi’an 710065, Shaanxi,China;2.College of Chemical Engineering,Northwest University,Xi’an 710069, Shaanxi,China;3.The First Gas Plant,Changqing Oilfield,Yulin 718500,Shaanxi,China)

Aiming at the inferior product gas quality and frequent equipment troubles due to the increase of acidic components content in natural gas in recent years,the process of desulphurization system after the increase of MDEA solution circulation flow rate was simulated by Aspen HYSYS software.The simulation result demonstrated that it was necessary to increase MDEA solution volume flow rate gradually from 63.25 m3/h to 102.85 m3/h to satisfy national standards when the volume fraction of CO2and H2S was increased from 5.280%and 0.028%to 6. 280%and 0.052%respectively.Key facilities were implemented a series of optimization by theprofessional softwares of FRI-Tray Rating,and HTRI Xchanger Suite,etc.The fluid mechanics performance of amine absorber and regenerator were qualified for different volume flow rates of MDEA solution after calculation.When the volume flow rates increased,it was feasible schemes to add the same model of lean/rich amine heat exchanger in series and simultaneously change the specification of heat exchange tube to meet the demand and resolve block.Optimized two-level flash device could greatly relieve frequent fluctuation and fixing the high-efficiency corrugated plate demister at inlet could avoid system foaming.

natural gas,desulphurization,H2S,CO2,MDEA,flowsheet simulation

TE644

A

10.3969/j.issn.1007-3426.2014.05.001

2014-03-11;編輯:溫冬云

西安市科技計(jì)劃項(xiàng)目“智能數(shù)字管理技術(shù)開發(fā)”(CXY1345(6));西安石油大學(xué)青年科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目“靖邊氣田天然氣凈化裝置模擬與優(yōu)化研究”(2012BS003)。

范崢(1982-),男,陜西西安人,2012年7月畢業(yè)于西北大學(xué)化學(xué)工藝專業(yè),博士,講師,現(xiàn)任職于西安石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,主要從事天然氣凈化系統(tǒng)優(yōu)化、改造等方面的科研工作。地址:(710065)陜西省西安市電子二路東段18號(hào)。E-mail:fanzheng@xsyu.edu.cn