＊張 伍

（中海石油深海開發(fā)有限公司 廣東 519000）

引言

隨著全球?qū)Νh(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的重視日益加強(qiáng)，天然氣作為一種清潔能源，其處理和利用過程中的脫碳環(huán)節(jié)愈發(fā)重要。脫碳，即從天然氣中去除二氧化碳（CO2），不僅能提升天然氣熱值，也有助于加強(qiáng)管道和設(shè)備的保護(hù)，延長其使用壽命。目前，眾多脫碳技術(shù)中，物理吸收法、化學(xué)吸收法和膜分離技術(shù)等被廣泛應(yīng)用，各自具有特定的優(yōu)缺點(diǎn)。例如，物理吸收法通常用于高壓和低CO2濃度的條件下，而化學(xué)吸收法適用于低壓和高CO2濃度的情況。在這些方法中，使用MDEA溶液作為吸收劑的化學(xué)吸收法因其高效和較低成本而被廣泛應(yīng)用于天然氣處理行業(yè)。MDEA溶液以其對CO2的高選擇性和較低的再生能耗，在脫碳領(lǐng)域的應(yīng)用研究中占據(jù)重要位置。

盡管MDEA溶液脫碳技術(shù)已被廣泛采用，當(dāng)前終端現(xiàn)行脫碳系統(tǒng)的CO2單位脫除率仍未達(dá)到理想水平，這導(dǎo)致了碳排放的增加、能源消耗以及運(yùn)營成本的上升。因此，本文將基于終端項(xiàng)目的實(shí)際狀況，深入探究影響MDEA溶液脫碳效率的關(guān)鍵因素，并提出有效的改進(jìn)措施。

1.脫碳技術(shù)

(1)CO2脫除技術(shù)的發(fā)展

天然氣處理過程中的脫碳是提高天然氣質(zhì)量和環(huán)境保護(hù)的關(guān)鍵步驟。近年來，CO2脫除技術(shù)經(jīng)歷了顯著的發(fā)展，特別是在物理和化學(xué)吸收方法上的創(chuàng)新。在終端項(xiàng)目中，這種技術(shù)的應(yīng)用非常顯著，其中包括配置了大規(guī)模脫碳裝置，有效地處理了大量的天然氣中的CO2。這些進(jìn)步不僅提高了脫碳效率，還減少了環(huán)境污染。

(2)MDEA溶液的脫碳機(jī)制

在眾多脫碳技術(shù)中，使用MDEA溶液的方法因其高效性和成本效益而受到重視。MDEA，即甲基二乙醇胺，是醇胺法中的一種，屬于物理化學(xué)吸收法。在終端項(xiàng)目的應(yīng)用中，MDEA溶液在吸收塔中吸收原料氣中的CO2氣體，有效地從天然氣中去除二氧化碳。這一機(jī)制的核心是MDEA溶液與CO2的高效反應(yīng)，CO2首先在水中溶解形成碳酸（H2CO3），碳酸會電離成碳酸氫根離子（）和氫離子（H+），MEDA作為叔胺，與碳酸氫根離子反應(yīng)，形成相應(yīng)的鹽類和水，反應(yīng)方程式為：→R3NHCO3，其中R3N為MDEA（甲基二乙醇胺）的化學(xué)結(jié)構(gòu)。MDEA的高選擇性、低腐蝕性、較低的能量消耗以及較高的CO2吸收容量的特性，使得脫碳過程更加高效和環(huán)保。

(3)脫碳效率提升策略

提升脫碳效率是當(dāng)前天然氣處理行業(yè)的重要目標(biāo)。高效的脫碳不僅提高天然氣的質(zhì)量，還有助于減少環(huán)境污染。在終端項(xiàng)目的例子中，通過對MDEA發(fā)泡問題的分析，找出了提升脫碳效率的關(guān)鍵策略。通過改進(jìn)密封方式、調(diào)整溫度參數(shù)和優(yōu)化設(shè)備配置，可以有效地控制MDEA溶液的發(fā)泡問題，從而提高脫碳效率。

(4)存在的問題和挑戰(zhàn)

脫碳技術(shù)的應(yīng)用中，特別是在使用MDEA溶液進(jìn)行CO2吸收時，面臨著多項(xiàng)技術(shù)壁壘。這些挑戰(zhàn)涵蓋了MDEA溶液的化學(xué)選擇性、效率、穩(wěn)定性及其環(huán)境和經(jīng)濟(jì)影響。在脫碳過程中，若地下槽的密封性不足以導(dǎo)致外界空氣滲透，或MDEA溶液的再生溫度未得到適宜調(diào)控以維持其再生效率，以及換熱器入口處濾器的選擇精度不符合要求，這些情況均將導(dǎo)致MDEA溶液出現(xiàn)發(fā)泡現(xiàn)象，極大程度影響其脫碳效能。MDEA溶液的發(fā)泡問題不僅降低了脫碳效率，還可能導(dǎo)致操作上的困難，如溶液溢出和設(shè)備損壞。MDEA脫碳過程尤其在溶液再生階段需要大量能源，這不僅增加了運(yùn)營成本，還可能增加整個過程的碳足跡。優(yōu)化能源消耗與經(jīng)濟(jì)性之間的平衡，處理使用后溶液中的化學(xué)物質(zhì)和潛在的環(huán)境釋放問題，是脫碳技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵。因此，為解決這一問題，本文深入分析MDEA溶液的化學(xué)性質(zhì)，并在工藝設(shè)計(jì)上做出相應(yīng)調(diào)整。

2.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

(1)要因分析

為了識別和解決影響MDEA溶液脫碳效果的核心問題，首先對脫碳系統(tǒng)CO2脫除率問題進(jìn)行調(diào)查、統(tǒng)計(jì)分析。該調(diào)查評估共涵蓋500個數(shù)據(jù)，涵蓋MDEA溶液脫除效果差、脫碳單元流程不穩(wěn)定、設(shè)計(jì)與實(shí)際運(yùn)行組分偏差、CO2含量測定色譜儀不準(zhǔn)及其他監(jiān)測項(xiàng)目。其中，通過對92次不合格點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)MDEA溶液脫除效果差的問題占比高達(dá)87%，是導(dǎo)致脫碳系統(tǒng)CO2脫除率低的主要問題。

圖1 MDEA溶液脫除效果差問題排列圖

基于以上的分析結(jié)果，進(jìn)一步對“MDEA溶液脫除效果差”進(jìn)行第二層分析，深入剖析MDEA溶液的哪一性質(zhì)導(dǎo)致CO2脫除率低。第二層分析包含了80個數(shù)據(jù)點(diǎn)，涵蓋MDEA溶液發(fā)泡、MDEA酸氣負(fù)荷高、MDEA濃度配比低、MDEA損失量大以及其他項(xiàng)目，從調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn)，MDEA溶液發(fā)泡占導(dǎo)致脫除效果差的比例高達(dá)85%。因此，造成MDEA溶液脫除效果差的問題癥結(jié)是“MDEA溶液發(fā)泡”。

(2)可行性論證

通過查閱終端脫碳系統(tǒng)歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)（2019年7月至2020年3月）得知，在脫碳系統(tǒng)運(yùn)行狀況最佳狀態(tài)下，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，CO2的脫除率能夠達(dá)到70%以上，表明在理想條件下系統(tǒng)有著更高的性能潛力。在同類設(shè)施設(shè)備的對比分析中，通過與中海油同類設(shè)施設(shè)備對比，證實(shí)了終端MDEA脫碳系統(tǒng)在理論上具有達(dá)到或超過69%脫除率的潛能。

進(jìn)一步為論證解決MDEA發(fā)泡問題的可行性，采用了預(yù)測分析方法。通過對MDEA溶液發(fā)泡問題解決程度的預(yù)測模型分析可得，當(dāng)解決98%的MDEA溶液發(fā)泡問題時，脫碳系統(tǒng)的CO2單位脫除率可達(dá)到95%左右。同時，結(jié)合QHSE制度與風(fēng)險矩陣，風(fēng)險等級可控制在4以下，即風(fēng)險可控。

3.原因剖析

(1)MDEA發(fā)泡問題分析

MDEA溶液發(fā)泡問題在脫碳系統(tǒng)中尤為關(guān)鍵，根據(jù)MDEA發(fā)泡影響因素關(guān)聯(lián)圖，有助于識別可能的原因和它們之間的相互關(guān)系。關(guān)聯(lián)圖表明，有七項(xiàng)末端因素可能導(dǎo)致MDEA溶液發(fā)泡，包括地下槽密封方式、生成軟水設(shè)備流量參數(shù)、MDEA再生溫度、MDEA選型、活性炭過濾器中活性炭更換周期、預(yù)冷器溫度參數(shù)以及MDEA溶液換熱器入口濾器精度。

圖2 MDEA發(fā)泡影響因素關(guān)聯(lián)圖

(2)確認(rèn)關(guān)鍵影響因素

PDCA管理方法，也稱為德明環(huán)，是一種用于持續(xù)改進(jìn)流程和產(chǎn)品的迭代管理技術(shù)。本文基于PDCA管理法的系統(tǒng)化方法來對7項(xiàng)末端因素進(jìn)行逐項(xiàng)確認(rèn)與驗(yàn)證。通過綜合分析，實(shí)驗(yàn)最終確認(rèn)了三個主要原因：地下槽密封方式的不適用可能導(dǎo)致外部空氣進(jìn)入，從而引發(fā)MDEA溶液發(fā)泡；MDEA再生溫度的不適宜設(shè)置可能影響溶液的再生效率，進(jìn)而影響CO2的吸收效果；MDEA溶液換熱器入口濾器的精度選擇不當(dāng)可能導(dǎo)致雜質(zhì)積累，進(jìn)而影響整個脫碳過程。

4.改進(jìn)措施及結(jié)果分析

(1)針對識別問題的改進(jìn)策略

對于地下槽密封方式的不適用性，可以選擇優(yōu)化地下槽的密封方式，對地下槽密封方式進(jìn)行了改造，通過連接儀表管使用氮?dú)鈱Φ叵虏圻M(jìn)行小氣量氮封，并增加了胺液凈化裝置，以消除系統(tǒng)中的穩(wěn)態(tài)鹽。對于MDEA再生溫度參數(shù)不適用的問題，提高M(jìn)DEA再生溫度至100℃，同時保證了產(chǎn)生的熱負(fù)荷能耗較低。針對MDEA溶液換熱器入口濾器精度選擇問題，可以從兩個方面入手，一是避免溶液換熱器再堆積雜質(zhì)，二是清理溶液換熱器中已堆積的雜質(zhì)。

(2)改進(jìn)措施的效果分析

改進(jìn)方案實(shí)施后，對實(shí)施效果進(jìn)行了跟蹤檢查，特別是測試了脫碳系統(tǒng)CO2單位脫除率，以評估每項(xiàng)措施的有效性。從圖3方案實(shí)施前后目標(biāo)值對比柱狀圖可以看出，改進(jìn)方案實(shí)施后脫碳系統(tǒng)CO2單位脫除率為72.1%，高于目標(biāo)值69%。

圖3 改進(jìn)措施實(shí)施前后目標(biāo)值對比柱狀示意圖

為證實(shí)CO2單位脫除率提高結(jié)果的可信度，對改進(jìn)方案實(shí)施后問題占比做二次分析，做出措施后MDEA溶液脫除效果差問題頻數(shù)統(tǒng)計(jì)表，并繪制排列圖，以明確主要癥結(jié)是否得到解決。從圖4的數(shù)據(jù)分析可見，MDEA溶液的發(fā)泡問題解決程度已達(dá)98.5%，不再構(gòu)成主要癥結(jié)。這一顯著成果表明，采取的措施效果卓越，成功地解決了此前的主要問題。

圖4 措施實(shí)施后MDEA溶液脫除效果差問題排列圖

5.結(jié)語

本文圍繞提高終端項(xiàng)目脫碳單元的CO2單位脫除率，通過對MDEA溶液脫碳效果的核心問題要因的一一排查，以解決MDEA發(fā)泡問題的可行性作為輔論，深入剖析了MDEA的發(fā)泡問題。通過實(shí)驗(yàn)最終確認(rèn)了三個主要原因：地下槽密封方式的不適用可能導(dǎo)致外部空氣進(jìn)入，從而引發(fā)MDEA溶液發(fā)泡；MDEA再生溫度的不適宜設(shè)置可能影響溶液的再生效率，進(jìn)而影響CO2的吸收效果；MDEA溶液換熱器入口濾器的精度選擇不當(dāng)可能導(dǎo)致雜質(zhì)積累，進(jìn)而影響整個脫碳過程?；谝陨先齻€關(guān)鍵原因，提出對應(yīng)的改進(jìn)措施，并在措施實(shí)施后進(jìn)行效果分析。結(jié)果表明，改進(jìn)措施實(shí)施后，在對MDEA溶液發(fā)泡問題的處理上，其解決程度達(dá)到了98.5%。

隨著文中提出的各項(xiàng)改進(jìn)措施的逐步落實(shí)，終端脫碳系統(tǒng)將更加高效地降低二氧化碳排放量。未來，相關(guān)研究應(yīng)繼續(xù)關(guān)注脫碳技術(shù)的優(yōu)化與創(chuàng)新，在提高脫碳效率的同時，降低能源消耗和運(yùn)營成本，以確?？沙掷m(xù)性發(fā)展。