楊仁杰 曹潔 李紹元 余中 羅強

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天然氣常規(guī)深度脫碳(凈化氣中CO2體積分數(shù)≤50×10-6)工藝目前在天然氣脫碳工藝設(shè)計中應(yīng)用最為廣泛[1]，天然氣深度脫碳工藝流程分為吸收和再生兩個重要部分，吸收分為一段吸收和二段吸收(半貧液)，再生包括閃蒸、氣提、半貧液分流等方法[2]。根據(jù)設(shè)計需要及凈化要求，組合成不同的工藝形式，常規(guī)工藝由一段吸收和再生(加熱再生)兩部分組成，該工藝技術(shù)成熟，適應(yīng)性強，但用于天然氣深度脫碳能耗較高[3-4]。因此，以下研究一種新的分流解吸工藝。

1 分流解吸工藝

參考半貧液利用兩股貧液分流吸收的思路，提出兩股富液解吸節(jié)能工藝，經(jīng)過閃蒸后的富液分成兩股：①一股流量較小的富液與再生塔頂部氣相換熱后進入再生塔上部；②另一股流量較大的富液保持原來的工藝流程路徑與再生塔底部的高溫貧液換熱后進入再生塔上部[5]。分流解吸工藝流程如圖1所示。

該工藝將增設(shè)換熱器與分流技術(shù)相結(jié)合，回收了再生塔塔頂?shù)臍庀酂崃?，減少了塔頂冷卻用量，防止熱量流失浪費[6-7]。由于塔頂蒸汽含量的降低，使得分流解吸流程最優(yōu)的貧液中CO2值偏高，增加了循環(huán)溶液的用量[8]。整個工藝有效利用了再生塔塔頂蒸汽的熱量，減少了回流冷卻器的負荷，降低了整個流程內(nèi)部的熱量消耗[9-10]。通過HYSYS模擬，該工藝的部分關(guān)鍵參數(shù)見表1。

表1 分流解吸工藝部分關(guān)鍵參數(shù)物流溫度/℃壓力/kPa質(zhì)量流量/(kg·h-1)原料氣25.004 601.0032 940.00入塔貧液40.644 560.0047 340.00第1股物料進塔80.15280.0015 030.00第2股物料進塔103.80280.0035 080.00閃蒸罐60.06600.0050 150.00再生塔塔頂85.11150.004.18再生塔塔頂回流68.48200.00395.80再生塔塔底113.00170.0046 970.00

1.1 分流比的影響

分流比(富液第1股與第2股物質(zhì)的量之比)是一個極其重要的參數(shù)，第1股富液與氣相換熱，氣相顯熱相對于液相而言更小，所以第1股富液的流量不能太大，否則會導致?lián)Q熱后的液相溫度偏低，再生效果變差[11]。利用HYSYS軟件進行模擬，模擬結(jié)果見表2，根據(jù)模擬結(jié)果繪制凈化效果、能耗的變化曲線，如圖2、圖3所示。

表2 不同分流比模擬結(jié)果氣質(zhì)分流比凈化氣中φ(CO2)/10-6裝置總能耗/(105 MJ·d-1)氣質(zhì)1(y(CO2)=3.63%)0.10242.501.640.15182.001.640.20119.001.640.2597.931.640.3049.501.640.35127.601.640.40619.001.64氣質(zhì)2(y(CO2)=20%)0.10114.507.860.1586.197.860.2067.057.840.2551.687.870.3046.857.850.3545.197.850.4041.217.850.4556.227.85 注:原料氣氣質(zhì)1、2的處理量、溫度、壓力均一致。

從圖2、圖3可以看出，當原料氣中CO2摩爾分數(shù)為3.63%時，最佳分流比為0.3，此時凈化效果最好。當原料氣中CO2摩爾分數(shù)為20%時，最佳分流比為0.4，此時凈化效果最好，且能耗基本保持不變。第1股富液作為液相與再生塔塔頂換熱時，氣相的焓值相對較小，因此，液相的分流比(流量)必須要小，過大反而換熱效果差，不利于再生。

1.2 第2股進料位置影響

基于再生塔溫度分布由上至下依次升高的規(guī)律和節(jié)能原則，第1股富液設(shè)置在第2塊塔板進料，以改變第2股富液的進料位置。通過上述研究，原料氣中CO2摩爾分數(shù)為3.63%時的最佳分流比為0.3，在此分流比下，研究第2股富液進料位置對凈化效果、能耗的影響，根據(jù)模擬結(jié)果繪制凈化效果、能耗的變化曲線及塔內(nèi)溫度分布情況，如圖4和圖5所示。

從圖4可以看出，隨著第2股進料位置的下移，凈化氣中CO2體積分數(shù)迅速下降，第9塊塔板以后逐漸平緩，裝置總能耗基本保持不變。從圖5也可以看出，隨著進料位置的下移，整個塔內(nèi)的溫度也略微升高，有利于再生。在模擬過程中發(fā)現(xiàn)第1股的進料溫度在逐漸下降，反映出換熱效果變差，再生塔的回流量逐漸減小，以至于逐漸趨于0，回流泵無法正常運行。也可以增加酸氣冷凝器，用于冷卻塔頂氣，從而增加回流量，但由于CO2含量的降低已經(jīng)趨于平緩，增加冷卻器反而不經(jīng)濟。因此，在選擇進料位置時，建議選取中部偏上兩塊塔板(即第8塊，總塔板數(shù)為20塊)作為最佳進料位置。

1.3 節(jié)能分析

分流解吸兩股物料溫度不一樣，但合流后的溫度與常規(guī)工藝一股物流溫度差不多，從分流(無溫差)和分流(有溫差)兩方面研究，將常規(guī)工藝的單股物料按分流解吸的分流比進行分流，且不與再生塔塔頂氣相換熱，命名為無換熱分流解吸工藝。3種工藝進塔物料見表3，進再生塔示意圖如圖6～圖8所示，并根據(jù)3種進塔工藝繪制塔內(nèi)溫度及液相CO2摩爾流量變化曲線，如圖9、圖10所示。

從圖9可以看出，常規(guī)、無換熱分流解吸工藝第1塊塔板溫度較高，說明蒸汽量大，沒有充分利用，無換熱分流解吸工藝、分流解吸工藝(換熱)第2股高溫物流從第3塊塔板進料，整體提高了整個塔的溫度分布。從圖10可以看出，塔內(nèi)的高溫環(huán)境使富液中的CO2摩爾流量逐漸降低，尤其以分流解吸(換熱)再生程度最高。

表3 分流解吸工藝、常規(guī)工藝、無換熱分流解吸工藝進料物料表工藝物流溫度/℃壓力/kPa摩爾流量/(mol·h-1)組分,y/%CO2CH4C2H6MDEAPZH2O總能耗/(105 MJ·h-1)分流解吸工藝第1股80.14280483.504.460.020.0111.091.0283.40第2股103.782801 128.174.460.020.0111.091.0283.401.64合流98.052801 611.684.460.020.0111.091.0283.40常規(guī)工藝單股97.702801 611.674.460.020.0111.091.0283.401.79無換熱分流解吸工藝第1股97.70280483.504.460.020.0111.091.0283.40第2股97.702801 128.174.460.020.0111.091.0283.401.77

綜合分析圖9和圖10，可得出以下結(jié)論：

(1) 將換熱后的單股物流分流成兩股，可以起到一定的節(jié)能作用，但分流換熱節(jié)能效果更明顯。

(2) 在分流解吸工藝中，一方面由于第1股富液與塔頂換熱獲取熱量提升自身溫度，減少了塔頂氣相的熱量損失。另一方面，從富液抽出一股物料，相應(yīng)地減少了貧富液換熱器的換熱負荷，使第2股富液的溫度提升更多，從而提高了整個再生塔的溫度，使再生效果更佳。

2 分流解吸工藝與常規(guī)工藝對比研究

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

由于天然氣深度脫碳工藝能耗較高，研究常規(guī)工藝的適應(yīng)性就顯得尤為重要，根據(jù)不同的CO2含量選擇不同的工藝。本節(jié)選用CO2摩爾分數(shù)范圍為2.00%～60.00%，基本覆蓋現(xiàn)有含CO2氣源范圍。不同CO2含量的原料氣組成見表4。

2.2 模擬結(jié)果對比

選取多種氣質(zhì)，研究兩種工藝的適應(yīng)性，并對比能耗的變化規(guī)律，模擬結(jié)果見表5，并根據(jù)模擬結(jié)果繪制能耗、節(jié)能效果(節(jié)能百分比)曲線，見圖11、圖12。

從圖11中可以看出，隨著CO2摩爾分數(shù)的增加，總能耗也逐漸增加。當原料氣中CO2摩爾分數(shù)小于8.08%時，兩種工藝的能耗區(qū)別并不大；當原料氣中CO2摩爾分數(shù)≥8.08%時，能耗急劇增加，可以看出明顯的節(jié)能效果。

相比常規(guī)工藝，圖12統(tǒng)計了分流解吸工藝在不同氣質(zhì)下的節(jié)能百分比，分流解吸工藝從數(shù)據(jù)上顯示可節(jié)能10%～20%左右，可見該工藝是一種值得推廣的節(jié)能工藝。

表4 不同CO2含量的原料氣組成氣質(zhì)處理量①/(104 m3·d-1)溫度/℃壓力/MPa組分,y/%CO2C1C2C3i-C4n-C4i-C5n-C5C6N2H2SHeA100205.502.0096.001.200.650.000.000.000.000.000.150.000.00B100254.503.6385.0110.610.200.010.010.000.000.000.540.000.00C100256.008.0887.293.730.410.010.000.000.000.000.480.000.00D100302.3020.0072.220.230.040.020.020.000.000.007.470.000.00E100205.7030.0061.941.110.900.020.030.000.000.006.000.000.00F100253.8043.0055.700.600.100.000.000.000.000.000.600.000.00G100264.4060.0039.070.420.020.000.000.000.000.000.490.000.00 注:① 0 ℃,101.325 kPa下。

表5 分流解吸工藝模擬結(jié)果氣質(zhì)y(CO2)常規(guī)工藝分流解吸工藝貧液循環(huán)量/(m3·h-1)凈化氣中CO2體積分數(shù)/10-6軸功率/kW重沸器負荷/kW裝置總能耗/(106 MJ·d-1)貧液循環(huán)量/(m3·h-1)凈化氣中CO2體積分數(shù)/10-6軸功率/kW重沸器負荷/kW裝置總能耗/(106 MJ·d-1)節(jié)能/%A2.001648.4832.441 0500.091644.5332.668940.0713.48B3.634545.9574.502 0450.184542.0875.011 6820.1517.22C8.088049.84172.003 9250.348045.96178.403 5570.319.05D20.0018048.84150.909 8700.8718047.17151.508 3070.7315.33E30.0040046.17845.2017 2001.5040047.68846.9014 4101.2915.79F43.0050045.28700.4023 7002.1045048.27632.1020 1701.7914.70G60.0080044.141 300.0035 5003.1680048.841 304.0030 0502.6815.00

3 結(jié)論

對于不同含碳量下的天然氣深度脫碳工藝設(shè)計，分流解吸工藝比常規(guī)工藝節(jié)能。當原料氣中CO2摩爾分數(shù)為3.63%時，最佳分流比為0.3，此時凈化效果最好；當原料氣中CO2摩爾分數(shù)為20%時，最佳分流比為0.4，此時凈化效果最好。選擇第2股進料位置時，建議選取中部偏上兩塊(即第8塊)塔板作為最佳進料位置。