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        高含碳天然氣脫碳溶劑的研究

        2021-02-26 06:06:58周志斌朱道平余勇楊緒甲陳園園宋麗陳小花
        能源化工 2021年6期
        關(guān)鍵詞:貧液處理量脫碳

        周志斌,朱道平,余勇,楊緒甲,陳園園,宋麗,陳小花

        (中石化南京化工研究院有限公司,江蘇南京 210048)

        天然氣是一種重要的低碳清潔能源,勘探和開發(fā)大型高含碳天然氣氣田具有重要的意義。胺法脫硫技術(shù)在天然氣脫硫脫碳凈化技術(shù)中占據(jù)主要地位[1],我國西部某高含碳天然氣凈化裝置擬選擇胺法進(jìn)行脫碳。考慮到脫碳過程所需再生熱量來自外部供熱,天然氣開采過程中原料氣中CO2含量升高和原料氣壓力降低的可能性,需要通過試驗(yàn)優(yōu)化溶劑及工藝參數(shù),以提高脫碳溶劑的吸收能力,降低溶液循環(huán)量及再生溫度。

        1 試驗(yàn)過程

        1.1 試驗(yàn)流程

        溶劑及工藝參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)裝置的工藝流程見圖1。

        圖1 試驗(yàn)裝置流程示意

        從配氣罐來的原料氣通過緩沖罐進(jìn)入吸收塔下部,與從吸收塔上部進(jìn)入的脫碳液逆流接觸,脫除大部分CO2。從吸收塔底部出來的富液經(jīng)加熱后,進(jìn)入再生塔上部,在再生塔內(nèi)閃蒸并經(jīng)塔底再沸器加熱,再生為貧液。從再生塔底部出來的貧液經(jīng)貧液泵加壓,換熱、調(diào)節(jié)溫度后進(jìn)入吸收塔上部,重新吸收CO2。其中,吸收塔為填料塔,分為4段,每段填料高度300 mm;再生塔也為填料塔,填料高度1 000 mm。通過參數(shù)試驗(yàn)來確認(rèn)和優(yōu)化工業(yè)裝置的設(shè)計(jì)參數(shù),試驗(yàn)中的氣液比為原料氣與脫碳液的體積比。

        1.2 原料氣和脫碳劑

        試驗(yàn)中原料氣由CO2和甲烷組成,其中CO2的體積分?jǐn)?shù)為12.0%或20.0%。試驗(yàn)所用某脫碳劑配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的脫碳液,該脫碳液在40 ℃時(shí)的理化性質(zhì)見表1。

        表1 脫碳液在40 ℃時(shí)的理化性質(zhì)

        1.3 分析方法

        原料氣和凈化氣中CO2采用奧氏儀(南京浩平環(huán)??萍加邢薰?,型號(hào)1903)進(jìn)行分析,原貧液中的CO2發(fā)生法進(jìn)行分析(南京浩平環(huán)保科技有限公司,定制儀器),溶液中的有機(jī)胺采用酸堿滴定法分析。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 貧液溫度對(duì)凈化氣中CO2體積分?jǐn)?shù)的影響

        當(dāng)原料氣CO2的體積分?jǐn)?shù)為12.0%時(shí),在吸收壓力8.6 MPa、再生溫度80 ℃及固定氣液比條件下,調(diào)節(jié)貧液溫度為55,60,65,70 ℃,考察貧液溫度對(duì)凈化氣中CO2體積分?jǐn)?shù)的影響,試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

        圖2 溫度對(duì)凈化氣中CO2體積分?jǐn)?shù)的影響

        由圖2可見:隨著貧液溫度的升高,凈化氣中CO2體積分?jǐn)?shù)呈先降低后升高的趨勢(shì),當(dāng)貧液溫度為65 ℃時(shí),凈化氣中CO2體積分?jǐn)?shù)最低,這是由于較高的貧液溫度會(huì)降低脫碳液的黏度,有利于CO2在液膜中的傳遞;同時(shí),從動(dòng)力學(xué)角度分析,較高的貧液溫度提高了CO2的化學(xué)吸收速率。另外,溫度升高將降低CO2在脫碳溶液中的溶解度,從而不利于脫碳。因此,吸收溫度在CO2脫除過程中存在競(jìng)爭(zhēng)作用,吸收溫度超過65 ℃時(shí)凈化氣中CO2體積分?jǐn)?shù)增加。因此,優(yōu)選65 ℃進(jìn)行后續(xù)的試驗(yàn)研究。

        2.2 壓力對(duì)脫碳效果的影響

        當(dāng)原料氣CO2的體積分?jǐn)?shù)為12.0%時(shí),在固定脫碳液循環(huán)量、吸收溫度65 ℃、再生溫度80 ℃、凈化氣中CO2體積分?jǐn)?shù)小于3%的條件下,考察不同吸收壓力對(duì)處理量的影響,試驗(yàn)結(jié)果見表2。

        表2 吸收壓力對(duì)處理量的影響

        由表2可見:在固定脫碳液循環(huán)量及滿足凈化氣指標(biāo)條件下,隨著吸收壓力的降低,滿足指標(biāo)的氣液比呈下降趨勢(shì),即原料氣處理負(fù)荷降低了,吸收壓力5.6 MPa時(shí)的處理量比吸收壓力8.6 MPa時(shí)的降低了13.3%。對(duì)于相同的處理量,在較高的吸收壓力下操作,氣流的壓縮比增加,氣流在吸收塔中的線速度降低,即延長了停留時(shí)間,使得氣液接觸更充分,更有利于CO2的脫除,提高凈化氣質(zhì)量。反之,在滿足相同凈化氣指標(biāo)條件下,較高的吸收壓力比較低的吸收壓力可以提高氣液比,增加處理量。因此,對(duì)于較高含量的脫碳過程,使用較高的吸收壓力可以提高處理量和保證凈化氣質(zhì)量。

        2.3 脫碳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)脫碳效果的影響

        當(dāng)原料氣CO2的體積分?jǐn)?shù)為12.0%時(shí),在固定溶液循環(huán)量,吸收壓力8.6 MPa,貧液溫度65 ℃,再生溫度80 ℃,滿足凈化氣中CO2體積分?jǐn)?shù)小于3.0%的條件下,考察不同脫碳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)處理量的影響,試驗(yàn)結(jié)果見表3。

        表3 脫碳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)處理量的影響

        由表3可見:當(dāng)脫碳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為45%~50%時(shí),隨著脫碳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的降低,凈化氣中CO2體積分?jǐn)?shù)升高,但還在控制指標(biāo)范圍內(nèi)。當(dāng)脫碳液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)降低至40%時(shí),則需要通過降低氣液比即原料氣處理量來保證凈化氣的質(zhì)量,此時(shí)與脫碳液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%時(shí)相比,需要降低約13%的原料氣處理量才能保證凈化氣中CO2體積分?jǐn)?shù)不高于3%。繼續(xù)使脫碳液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低至35%,為了保證凈化氣質(zhì)量,原料氣處理量也隨之降低,脫碳液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由50%降至35%時(shí),處理量降低約20%,這是由于脫碳循環(huán)液中質(zhì)量分?jǐn)?shù)高時(shí),相同循環(huán)量可以吸收更多的CO2。因此,為了維持高處理量和保證凈化氣質(zhì)量,脫碳液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)優(yōu)選45%~50%。

        2.4 再生溫度對(duì)脫碳效果的影響

        當(dāng)原料氣CO2的體積分?jǐn)?shù)為12.0%時(shí),在固定溶液循環(huán)量,吸收壓力8.6 MPa,貧液溫度65 ℃,滿足凈化氣中CO2體積分?jǐn)?shù)小于3%的條件下,通過調(diào)節(jié)再生溫度,考察不同再生溫度對(duì)脫碳效果的影響,試驗(yàn)結(jié)果見表4。

        表4 再生溫度對(duì)脫碳效果的影響

        由表4可見:當(dāng)再生溫度為70 ℃時(shí),即使氣液比為400,凈化氣中CO2的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到3.2%,超過了3%的控制指標(biāo)。當(dāng)再生溫度為80 ℃及以上且氣液比保持518時(shí),凈化氣中CO2的體積分?jǐn)?shù)可控制在2.2%~2.7%,該結(jié)果與不同再生溫度下獲得貧液質(zhì)量不同有關(guān),再生溫度80 ℃及以上時(shí)貧液中CO2的體積為8~14 L,隨再生溫度升高而降低,而再生溫度70 ℃時(shí),每升貧液中CO2的體積約為20 L。再生溫度70 ℃的處理量比再生溫度80 ℃的處理量降低了約27%,因此再生溫度不能選擇過低,否則貧液質(zhì)量較差,影響脫碳系統(tǒng)的處理量和凈化度的提高。同時(shí),當(dāng)再生溫度從80 ℃升高至100 ℃時(shí),凈化氣的質(zhì)量提高幅度較小,不及再生溫度70 ℃提高到80 ℃時(shí)的升高幅度。因此,保持再生溫度80 ℃及稍高即可,不需要過度升高再生溫度,這樣既可降低再生能耗,又可減少后續(xù)降低貧液溫度的能耗。

        2.5 貧液溫度和吸收壓力對(duì)原料氣CO2體積分?jǐn)?shù)升高后的脫碳影響

        考慮到氣井開發(fā)過程中,原料氣CO2體積分?jǐn)?shù)可能高于當(dāng)前的12.0%,氣井壓力可能會(huì)衰減,因此需要考察脫碳溶劑在原料氣CO2體積分?jǐn)?shù)升高和原料氣壓力衰減時(shí)脫碳效果的變化情況。依據(jù)該凈化廠可能升高后的CO2體積分?jǐn)?shù)為20.0%的條件進(jìn)行試驗(yàn)研究,在氣液比320,脫碳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%,吸收壓力為8.6 MPa,再生溫度為80 ℃時(shí),考察了貧液溫度對(duì)凈化氣中CO2體積分?jǐn)?shù)的影響,試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

        圖3 貧液溫度對(duì)凈化氣中CO2體積分?jǐn)?shù)的影響

        由圖3可見:隨著貧液溫度的升高,凈化氣中CO2體積分?jǐn)?shù)總體變化不大,但在保證凈化氣中CO2體積分?jǐn)?shù)指標(biāo)合格時(shí),貧液溫度操作范圍變小,貧液溫度65 ℃時(shí),凈化氣中CO2體積分?jǐn)?shù)最低,后續(xù)的吸收壓力條件試驗(yàn)中貧液溫度優(yōu)選65 ℃。

        當(dāng)原料氣CO2的體積分?jǐn)?shù)為20.0%時(shí),在脫碳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%,貧液溫度為65 ℃,再生溫度為80 ℃的條件下,考察吸收壓力對(duì)脫碳效果的影響,試驗(yàn)結(jié)果見表5。

        表5 吸收壓力對(duì)脫碳效果的影響

        由表5可見:當(dāng)原料氣CO2的體積分?jǐn)?shù)為20.0%時(shí),吸收壓力對(duì)凈化氣流量和凈化氣中CO2體積分?jǐn)?shù)的影響較大,該結(jié)果與原料氣中CO2體積分?jǐn)?shù)為12.0%時(shí)的結(jié)果相似,當(dāng)吸收壓力從8.6 MPa降至5.6 MPa時(shí),原料氣處理量下降了12.5%。經(jīng)對(duì)比,隨著原料氣中CO2體積分?jǐn)?shù)升高,在保證凈化氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)情況下,當(dāng)吸收壓力為8.6 MPa時(shí),CO2體積分?jǐn)?shù)為20.0%時(shí)的處理量約為CO2體積分?jǐn)?shù)為12.0%的62%左右。

        3 結(jié)論

        1)對(duì)于CO2體積分?jǐn)?shù)為12.0%的原料氣,在保證凈化氣中CO2體積分?jǐn)?shù)小于3.0%的指標(biāo)條件下,可操作的貧液溫度較大,較優(yōu)的溫度為65 ℃。當(dāng)吸收壓力下降時(shí),滿足凈化氣指標(biāo)的原料氣處理量下降,吸收壓力為5.6 MPa時(shí)的處理量比吸收壓力為8.6 MPa時(shí)的處理量降低了13.3%。脫碳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)優(yōu)選為45%~50%。相同條件下,再生溫度越高,凈化氣中CO2體積分?jǐn)?shù)越低,再生溫度保持80 ℃以上時(shí),可以降低綜合能耗。較優(yōu)的工藝參數(shù)為吸收壓力8.6 MPa,貧液溫度65 ℃,脫碳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為45%~50%,再生溫度80 ℃。

        2)對(duì)于CO2體積分?jǐn)?shù)為20.0%的原料氣,當(dāng)吸收壓力8.6 MPa,貧液溫度65 ℃,脫碳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%,再生溫度為80 ℃時(shí),其處理量約為CO2體積分?jǐn)?shù)為12.0%的原料氣處理量的54%。貧液溫度對(duì)脫碳性能的影響不大,但滿足凈化氣中CO2體積分?jǐn)?shù)小于3.0%的貧液溫度的可操作范圍變小。

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