摘" " " 要： 為分析凈化廠脫硫脫碳裝置的適應(yīng)性，利用HYSYS軟件建立脫硫脫碳工藝流程的穩(wěn)態(tài)模型，研究原料氣氣質(zhì)組分變化對(duì)天然氣凈化度的影響，并對(duì)DEA、MEA、PZ三種溶液的活化性能進(jìn)行了模擬研究。研究結(jié)果表明：原料氣中CO2含量高于5.9%時(shí)，脫硫脫碳裝置原有設(shè)計(jì)參數(shù)不再滿足凈化度的要求；在相同活化劑濃度下，改善脫CO2性能的活化劑順序由高至低依次是PZgt;MEAgt;DEA，H2S凈化度由低至高的活化劑順序依次為PZgt;DEAgt;MEA。CO2含量小于等于5%的天然氣可采用MDEA溶液為吸收溶劑，CO2含量大于5%的天然氣宜采用MDEA/DEA溶液為吸收溶劑。

關(guān)" 鍵" 詞：高含碳天然氣； HYSYS； 脫硫脫碳； 活化MDEA

中圖分類號(hào)：TE64" " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A" " "文章編號(hào)： 1004-0935（2024）04-0559-04

天然氣脫硫脫碳方法按作用方式的不同可分為化學(xué)吸收法、物理吸收法、化學(xué)-物理吸收法等。目前，在天然氣脫硫脫碳工藝中，MDEA溶液在國內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛，具有選擇吸收性、酸氣負(fù)荷較高、腐蝕性小、化學(xué)性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。隨著氣藏的不斷開發(fā)，采出氣的氣質(zhì)組分會(huì)發(fā)生變化，尤其是CO2含量增加時(shí)，實(shí)際運(yùn)行中會(huì)出現(xiàn)天然氣凈化度不達(dá)標(biāo)、凈化裝置不能平穩(wěn)運(yùn)行等問題。為適應(yīng)高含碳天然氣大規(guī)模的開發(fā)生產(chǎn)，需在MDEA溶液中復(fù)配不同的化學(xué)劑來改善其對(duì)CO2的吸收性能，在MDEA溶液中加入DEA、MEA、PZ等活化劑[1-3]。

1" 脫硫脫碳工藝

1.1" 脫硫脫碳工藝流程

天然氣經(jīng)原料氣分離器、聚結(jié)過濾器去除游離水、固體顆粒等雜質(zhì)后進(jìn)入吸收塔底部，與自上而下的MDEA貧液逆流接觸，實(shí)現(xiàn)氣液兩相的傳質(zhì)傳熱。

再生塔塔頂進(jìn)入的富胺液與塔內(nèi)自下而上流動(dòng)的蒸汽逆流接觸，解析出的酸氣由再生塔頂部排至酸氣空冷器冷卻后進(jìn)入回流罐，分離出的液體泵送至再生塔頂，酸氣則送至硫磺回收單元。再生塔塔底半貧液由側(cè)線進(jìn)入重沸器加熱，被汽化的兩相流返回再生塔。再生塔底部出來的貧胺液換熱經(jīng)增壓泵送至胺液空冷器冷卻進(jìn)入吸收塔，實(shí)現(xiàn)胺液循環(huán)。

1.2" 工藝模型

本文脫硫脫碳工藝研究基于天然氣凈化廠運(yùn)行參數(shù)，建設(shè)規(guī)模150×104 m3/d，氣體組分如表1所示，其他主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

脫硫脫碳裝置能否適應(yīng)原料氣氣質(zhì)的變化主要通過以下2個(gè)方面考察：

1）H2S質(zhì)量濃度不大于20 mg/m3，CO2體積分?jǐn)?shù)不大于4%。

2）再生熱負(fù)荷不超過設(shè)計(jì)值。

基于設(shè)計(jì)參數(shù)，利用HYSYS軟件建立脫硫脫碳工藝的穩(wěn)態(tài)模型[4-6]，將再生塔的自由度定義為：重沸器的能耗為4 200 kW，塔頂空冷器能耗為2 180 kW，如圖1所示。

2" 現(xiàn)有裝置適用區(qū)間

經(jīng)模擬分析發(fā)現(xiàn)，脫硫脫碳裝置對(duì)低含碳中度含硫天然氣的適應(yīng)性較好，但不滿足高含碳天然氣的凈化需求[7-8]。原料氣中CO2高于5.9%時(shí)，MDEA很難將CO2有效地脫除。在不改變?cè)O(shè)計(jì)參數(shù)的情況下，當(dāng)原料氣組分發(fā)生變化時(shí)，只需判斷變化后的H2S和CO2的含量是否位于圖2的陰影區(qū)域內(nèi)，即是否在脫硫脫碳裝置的適應(yīng)范圍內(nèi)。

3" 不同活化劑下脫硫脫碳研究

為增加脫硫脫碳裝置的適應(yīng)范圍，改善高含碳原料氣的凈化度，需對(duì)活化劑的脫硫脫碳性能進(jìn)行研究。在原設(shè)計(jì)45%MDEA溶液中，加入DEA、MEA、PZ三種常見活化劑研究其對(duì)天然氣凈化度的影響[9-10]。

3.1" 活化劑對(duì)凈化度的影響

由圖3可知，隨活化劑濃度的增加，凈化氣中CO2含量先減小后趨于穩(wěn)定，而凈化氣中H2S含量逐漸增加。

由圖4可知，隨活化劑濃度的增加，凈化氣中CO2含量逐漸減小，而凈化氣中H2S含量逐漸增加。

與45%MDEA溶液相比，三種復(fù)合胺液脫除CO2的能力均逐漸增強(qiáng)，脫除H2S的能力均逐漸減弱。在相同的活化劑濃度下，改善脫CO2性能的活化劑順序由高至低依次為PZgt;MEAgt;DEA。H2S凈化度由低至高的活化劑順序依次為PZgt;DEAgt;MEA。在MDEA溶液中加入活化劑提高了CO2的凈化度，但同時(shí)降低了H2S的凈化度。采用MEA、DEA為活化劑時(shí)，均能達(dá)到深度脫除天然氣中CO2的要求，同時(shí)又能夠滿足深度脫除天然氣中H2S的要求。

3.2" 活化劑對(duì)裝置適用區(qū)間的影響

選擇45%MDEA+2%DEA體系為高含碳天然氣的脫硫脫碳溶劑時(shí)，從圖5中可知，當(dāng)原料氣中H2S和CO2的含量位于曲線下方時(shí)，該脫硫脫碳裝置均能正常運(yùn)行。

選擇45%MDEA+2%MEA體系為高含碳天然氣的脫硫脫碳溶劑時(shí)，從圖6中可知，當(dāng)原料氣中H2S和CO2的含量位于曲線下方時(shí)，該脫硫脫碳裝置均能正常運(yùn)行。

加入活化劑后，脫硫脫碳裝置可以適應(yīng)高含碳天然氣的凈化需求。對(duì)比圖5和圖6可知，相對(duì)于MDEA/DEA體系，MDEA/MEA體系脫硫脫碳裝置的適應(yīng)范圍更為廣泛。但是MEA溶液與CO2反應(yīng)會(huì)發(fā)生不可逆的副反應(yīng)，生成難以再生的降解產(chǎn)物，長時(shí)間運(yùn)行會(huì)降低溶劑脫硫脫碳的能力，并且溶液體系易發(fā)泡、高溫下易腐蝕。從凈化廠的能耗和運(yùn)行方面考慮，選用MDEA/DEA體系為高含碳天然氣的脫硫脫碳溶劑。

在溶劑中加入2%DEA下，脫硫脫碳裝置所能適應(yīng)原料氣酸氣組分范圍如圖7所示。原料氣中CO2含量小于等于5%時(shí)，宜采用MDEA溶液為吸收溶劑；原料氣中CO2含量大于5%時(shí)，宜采用MDEA/ DEA溶液為吸收溶劑。

4" 結(jié)論

本文通過研究得出以下結(jié)論：

1）脫硫脫碳裝置對(duì)低含碳中度含硫天然氣的適應(yīng)性非常好，但原料氣中CO2高于5.9%時(shí)，MDEA溶劑不能滿足凈化度的要求。

2）三種活化劑均能提高M(jìn)DEA溶液的脫碳性能，改善效果依次是：PZgt;MEAgt;DEA；增加活化劑的配比有利于提高CO2的凈化度，同時(shí)降低了H2S的凈化度。

3）MDEA溶液適用于CO2含量小于等于5%的天然氣；MDEA/DEA溶液適應(yīng)于CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于5%的天然氣。

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Adaptability Analysis of Desulfurization and

Decarbonization Unit in Natural Gas Purification Plant

WANG Jing

（PipeChina Engineering Technology Innovation Co.， Ltd.， Tianjin 300450， China）

Abstract：" In order to analyze the adaptability of the desulfurization and decarbonization unit in the purification plant， the steady-state model of the desulfurization and decarbonization process was established by using HYSYS software， and the influence of the change of raw gas components on the purification degree of natural gas was studied. Moreover， the activation properties of DEA， MEA and PZ solutions were simulated. The results showed that when the CO₂ content of raw gas was higher than 5.9%， the original design parameters of desulfurization and decarbonization unit could no longer meet the requirements of purification degree. Under the same concentration of activators， the sequence from high to low of activators to improve the performance of CO₂ removal was as follows：PZ， MEA，DEA. H₂S purification degree from low to high in the order of the activator was as follows： PZ，DEA， MEA. MDEA solution could be used as the absorption solvent for natural gas with CO₂ content less than or equal to 5%， and MDEA/DEA solution should be used as the absorption solvent for natural gas with CO₂ content greater than 5%.

Key words： High carbon gas; HYSYS; Desulfurization and decarbonization; Activating MDEA