肖榮鴿，莊 琦，王夢霞，周 鵬，魚紅平

（1. 西安石油大學(xué) 石油工程學(xué)院，陜西 西安 710065；2. 中國石油長慶油田第二采油廠，甘肅 慶陽 745100）

隨著標(biāo)準(zhǔn)GB 17820-2018《天然氣》的發(fā)布與實施，進(jìn)入長輸管道天然氣的總硫質(zhì)量濃度要求由200 mg/m3降低為20 mg/m3，H2S質(zhì)量濃度要求由20 mg/m3降低為6 mg/m3，給天然氣凈化工藝帶來了新的挑戰(zhàn)[1]。 目前國內(nèi)大多數(shù)天然氣凈化廠脫硫裝置凈化氣不能滿足此要求，急需進(jìn)行工藝改進(jìn)[2]。 天然氣凈化工藝改進(jìn)的基本思路是對工藝參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，找出對凈化效果和能耗影響較大的關(guān)鍵參數(shù)并對其進(jìn)行優(yōu)化，且常用的敏感性分析主要包括各參數(shù)的操作條件變化程度對凈化效果的影響和正交試驗兩種方法[3]。

目前對于脫硫工藝的參數(shù)分析更多傾向于對凈化效果的敏感性分析[4]，對于工藝能耗的敏感性分析相對較少。 商劍峰等[5]根據(jù)現(xiàn)場醇胺溶液脫酸裝置滿負(fù)荷運行統(tǒng)計結(jié)果，指出重沸器再生用蒸汽占脫酸氣工藝總能耗的60%～70%；商麗[6]運用黑箱方法計算出再生塔能耗占總能耗的90%以上。 對于天然氣脫硫工藝的能耗研究中，各學(xué)者均認(rèn)為再生塔能耗在脫硫工藝總能耗中占比最大，而再生塔能耗由塔底重沸器能耗和塔頂冷凝器能耗兩部分組成。 常學(xué)煜等[7]指出再生塔進(jìn)口溫度越低，再生塔能耗越高；衛(wèi)浪等[8]基于二次回歸正交試驗得出參數(shù)對重沸器能耗的影響程度從大到小依次為：再生塔進(jìn)塔溫度＞醇胺溶液循環(huán)量＞再生塔回流比；杜廷召等[9]指出閃蒸壓力對重沸器負(fù)荷有一定影響。 綜上可見，閃蒸壓力、再生塔進(jìn)料溫度和再生塔回流比三個參數(shù)通過影響再生塔能耗進(jìn)而影響整個脫硫工藝的能耗。 此外，關(guān)于工藝能耗分析中的研究對象并不統(tǒng)一，文獻(xiàn)[10,11]中考慮的是工藝總輸入能耗，即泵能耗與重沸器能耗之和；而文獻(xiàn)[2,12]中考慮的是工藝總能耗，即機泵裝置能耗、冷卻裝置能耗和加熱裝置能耗之和。

本文基于HYSYS軟件對某天然氣凈化廠二乙醇胺（DEA）法脫硫工藝進(jìn)行模擬。 首先增加DEA循環(huán)量使天然氣凈化效果達(dá)標(biāo)，然后在采用單因素法分析閃蒸壓力（節(jié)流閥出口壓力）、再生塔進(jìn)料溫度和再生塔回流比3個參數(shù)對能耗影響的基礎(chǔ)上，結(jié)合正交試驗多因素分析法，探究參數(shù)對工藝總輸入能耗和工藝總能耗的影響，并優(yōu)選出最佳工藝參數(shù)，以期在滿足凈化氣氣質(zhì)要求的前提下實現(xiàn)節(jié)能降耗。

1 工藝模擬與參數(shù)分析

1.1 DEA法脫硫工藝模擬

醇胺法是目前最常用的脫硫脫碳方法， 其中DEA吸收劑因其蒸氣壓低、蒸發(fā)損失小、腐蝕性弱、所需投資少等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用[13,14]。 某天然氣凈化廠采用DEA法脫硫工藝，原料氣各組分含量（物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)，下同）如表1所示。

表1 原料氣組分含量

由于GB 17820-2018《天然氣》標(biāo)準(zhǔn)的實施，導(dǎo)致原工藝凈化氣中H2S質(zhì)量濃度不滿足要求， 需要對其進(jìn)行工藝改進(jìn)。

基于HYSYS軟件模擬該天然氣凈化廠DEA法脫硫工藝流程，物性包選用Amine中的Kent-Eisenberg[7]。原料氣經(jīng)入口分離器后進(jìn)入吸收塔與DEA溶液反應(yīng)，凈化氣從吸收塔塔頂進(jìn)入脫水單元，吸收了酸性組分的塔底富液經(jīng)閃蒸罐、貧/富換熱器后進(jìn)入再生塔，酸氣從塔頂冷凝器進(jìn)入硫磺回收單元，解吸了酸性組分的塔底貧液經(jīng)貧/富換熱器、冷卻器和增壓泵重新進(jìn)入吸收塔。 構(gòu)建的DEA法脫硫工藝流程模型如圖1所示，DEA法脫硫裝置主要運行參數(shù)如表2所示。

圖1 DEA法脫硫工藝流程模型

表2 DEA法脫硫裝置運行參數(shù)

為使天然氣凈化效果達(dá)標(biāo)，保持工藝中DEA的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為28%，逐漸增加DEA循環(huán)量，模擬結(jié)果如圖2所示。

圖2 DEA循環(huán)量對凈化氣中H2S質(zhì)量濃度和CO2含量的影響

由圖2確定了DEA循環(huán)量為37.5 m3/h，此時凈化氣中H2S質(zhì)量濃度為4.81 mg/m3、CO2含量為0.38%，均滿足GB 17820-2018《天然氣》中的一類氣質(zhì)要求。

1.2 參數(shù)對工藝能耗的影響分析

通過將DEA循環(huán)量增加至37.5 m3/h， 凈化氣氣質(zhì)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。 為了進(jìn)一步降低能耗，還需優(yōu)化部分工藝參數(shù)完成工藝改進(jìn)。 由于DEA循環(huán)量、濃度等參數(shù)已固定，所以主要考慮閃蒸壓力、再生塔進(jìn)料溫度和再生塔回流比對工藝能耗的影響。 由于各學(xué)者對工藝能耗分析中的研究對象并不統(tǒng)一，為此本文深入分析上述各參數(shù)對工藝各部分能耗的影響，進(jìn)而為下文探究各參數(shù)對工藝總輸入能耗 （Q1和Q4之和）和總能耗（Q1、Q2、Q3和Q4之和）的影響是否一致提供支撐。

1.2.1 閃蒸壓力

保持其它參數(shù)不變，設(shè)定閃蒸壓力范圍為200～800 kPa，以50 kPa的步長增長，觀察并分析閃蒸壓力對Q1、Q2、Q3和Q4的影響，結(jié)果如圖3所示。 由圖3可知，閃蒸壓力對Q1和Q3的影響顯著，變化值分別為1380 kW和1308.6 kW；對Q2和Q4幾乎沒有影響。 增大閃蒸壓力抑制了富液中的氣體逸出，導(dǎo)致更多的酸氣在再生塔分離，因此重沸器能耗Q1增大[9]；且引起貧/富換熱器出口物流9的溫度升高， 冷卻器溫差增大即冷卻器能耗Q3增大。

圖3 閃蒸壓力對Q1、Q2、Q3和Q4的影響

1.2.2 再生塔進(jìn)料溫度

保持其它參數(shù)不變，設(shè)定再生塔進(jìn)料溫度范圍為80～110 °C，以2 °C的步長增長，觀察并分析閃蒸壓力對Q1、Q2、Q3和Q4的影響，結(jié)果如圖4所示。 由圖4可知，再生塔進(jìn)料溫度對Q1和Q3的影響顯著，變化值分別為1814 kW和1802 kW； 對Q2和Q4幾乎沒有影響。 當(dāng)再生塔進(jìn)料溫度處于80～110 °C之間，Q1和Q3隨再生塔進(jìn)料溫度的升高近似線性下降。 重沸器能耗Q1隨進(jìn)料溫度升高而降低[15]；且由于再生塔塔底溫度固定，再生塔進(jìn)料溫度越高，貧/富換熱器出口的物流9溫度越低， 冷卻器的溫差越小即冷卻器能耗Q3越低。

圖4 再生塔進(jìn)料溫度對Q1、Q2、Q3和Q4的影響

1.2.3 再生塔回流比

保持其它參數(shù)不變，設(shè)定再生塔回流比范圍為1～2，以0.1的步長增長，觀察并分析再生塔回流比對Q1、Q2、Q3和Q4的影響，結(jié)果如圖5所示。 由圖5可知，再生塔回流比對Q1和Q2的影響顯著， 變化值分別為934 kW和923 kW；對Q3和Q4幾乎沒有影響。 當(dāng)再生塔回流比處于1～2之間，Q1和Q2隨再生塔回流比的升高近似線性上升。 增大再生塔回流比，再生塔內(nèi)氣液傳質(zhì)推力上升促進(jìn)酸氣解析，提高了貧液再生度，導(dǎo)致重沸器和冷凝器能耗均增大[9]。

圖5 再生塔回流比對Q1、Q2、Q3和Q4的影響

2 工藝參數(shù)優(yōu)化

正交試驗設(shè)計是一種研究多因素多水平的設(shè)計方法，通過選擇一部分有代表性水平組合來代替全面試驗可顯著減少試驗次數(shù)，被廣泛用于多個領(lǐng)域[16]。 在天然氣凈化領(lǐng)域，梁平等[17]基于ProMax軟件進(jìn)行原料氣處理量、胺液循環(huán)量等九因素三水平的正交試驗；衛(wèi)浪等[8]基于HYSYS軟件進(jìn)行MDEA富液進(jìn)塔溫度、MDEA循環(huán)量和再生塔回流比三因素三水平的正交試驗，進(jìn)而對脫硫工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。本文基于HYSYS軟件進(jìn)行正交試驗， 分析前文3個參數(shù)對工藝總輸入能耗和總能耗的影響，探究參數(shù)對工藝總輸入能耗和總能耗的影響是否一致，并優(yōu)選出最佳工藝參數(shù)，使脫硫工藝在滿足凈化氣氣質(zhì)要求的前提下降低能耗。

2.1 正交試驗方案

選擇閃蒸壓力、再生塔進(jìn)料溫度和再生塔回流比3個因素為自變量， 分析其對總輸入能耗和總能耗的影響，正交試驗編碼水平如表3所示。 因SPSS軟件在正交試驗設(shè)計、結(jié)果分析中的獨特優(yōu)勢使其應(yīng)用廣泛，故采用SPSS軟件進(jìn)行正交試驗方案設(shè)計和試驗結(jié)果方差分析[18]。 通過HYSYS軟件進(jìn)行正交試驗，試驗結(jié)果如表4所示。

表3 編碼水平

表4 正交試驗結(jié)果

2.2 正交試驗結(jié)果分析

通過SPSS軟件對試驗結(jié)果擬合后進(jìn)行方差分析，分析結(jié)果見表5和表6。 其中，方差分析中均方差等于第Ⅲ類平方和除以相對應(yīng)的自由度，F(xiàn)值等于因素均方差除以誤差均方差[19]。 F值越大，表示該因素對試驗結(jié)果的影響程度越高；P值代表各因素的顯著性水平，當(dāng)P ＜0.05，表明該因素對試驗結(jié)果影響顯著，具有統(tǒng)計學(xué)意義；模型的相關(guān)系數(shù)R2越大，表示該模型擬合效果越好，試驗誤差越低[17]。

由表5和表6可知，各因素的P值均為0.000，表明各因素對總輸入能耗和總能耗的影響極其顯著，且通過比較F值大小， 得出參數(shù)對工藝能耗的影響程度從大到小依次為： 再生塔進(jìn)料溫度＞再生塔回流比＞閃蒸壓力。

表5 總輸入能耗方差分析

表6 總能耗方差分析

2.3 參數(shù)優(yōu)化

將各因素水平上的試驗結(jié)果進(jìn)行平均化處理，計算出閃蒸壓力、再生塔進(jìn)料溫度和再生塔回流比對總輸入能耗的極差分別為143.20、1222.05和364.62；對總能耗的極差分別為285.60、2443.06和723.42。極差反映了各因素水平對試驗結(jié)果影響權(quán)重大小，極差越大，表明該因素對試驗結(jié)果的影響權(quán)重越大[20]。通過極差分析，得出各參數(shù)對總輸入能耗和總能耗的影響趨勢，如圖6所示。 由圖6可知，參數(shù)對工藝總輸入能耗和總能耗的影響是一致的，表明工藝總輸入能耗和總能耗均可用于天然氣脫硫工藝的能耗分析；工藝能耗隨閃蒸壓力的增大而增大、隨再生塔進(jìn)料溫度的升高而減少、隨再生塔回流比的增大而增大； 各因素對能耗的影響程度從大到小依次為：再生塔進(jìn)料溫度＞再生塔回流比＞閃蒸壓力。

圖6 參數(shù)對總輸入能耗和總能耗的影響趨勢

通過極差分析， 優(yōu)選出最低能耗水平組合方案，即最佳工藝優(yōu)化方案：閃蒸壓力為500 kPa、再生塔進(jìn)料溫度為105 °C、再生塔回流比為1.3。 其中，工藝參數(shù)優(yōu)化前后的對照如表7所示。 由表7可知，相較于未優(yōu)化之前， 工藝總能耗由7262.3 kW降低至5362.2 kW，能耗降低了約26%；凈化氣H2S質(zhì)量濃度由4.81 mg/m3上升為5.82 mg/m3，仍滿足新標(biāo)準(zhǔn)下一類凈化氣的氣質(zhì)要求。

表7 參數(shù)優(yōu)化效果對比

3 結(jié)論

（1）通過HYSY軟件分析了閃蒸壓力、再生塔進(jìn)料溫度和再生塔回流比對脫硫工藝各部分能耗的影響，結(jié)果表明：閃蒸壓力和再生塔進(jìn)料溫度對重沸器和冷卻器的能耗影響較大，且能耗隨閃蒸壓力的增大而增大， 隨再生塔進(jìn)料溫度的增大而減小；再生塔回流比對重沸器和冷凝器的能耗影響較大，且能耗隨再生塔回流比的增大而增大。

（2）通過分析參數(shù)對總輸入能耗和總能耗的影響，證明了工藝參數(shù)對總輸入能耗和總能耗的影響具有一致性， 均可用于天然氣脫硫工藝的能耗分析。 通過方差、極差分析，得出3個參數(shù)對工藝能耗的影響程度從大到小依次為： 再生塔進(jìn)料溫度＞再生塔回流比＞閃蒸壓力。

（3）通過正交試驗得出最佳工藝參數(shù)，即：閃蒸壓力500 kPa、再生塔進(jìn)料溫度105 °C、再生塔回流比1.3。相較于原工藝，優(yōu)化后工藝總能耗由7262.3 kW降低至5362.2 kW，降低了約26%。 表明在凈化氣達(dá)標(biāo)的基礎(chǔ)上，優(yōu)化閃蒸壓力、再生塔進(jìn)料溫度和再生塔回流比三個參數(shù)對降低工藝能耗有較好效果。