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天然气脱碳与工艺流程优化分析

 论文栏目:天然气论文     更新时间:2018/6/14 8:54:12   

摘要:天然气脱碳工艺有多种,主导工艺为胺法和砜胺法;本文对现存胺法脱碳工艺及吸收液进行了优化,采用独有的高效吸收剂(活性MDEA)和优化的脱碳工艺流程,使高CO2含量的天然气脱碳过程具有能耗低、投资省、变工况适应能力强的特点。脱碳工艺能耗较传统流程降低30%左右,胺液循环量较传统流程可降低30%左右,填料高度较传统吸收剂可降低20%左右,胺液中消泡剂的浓度小于万分之一。

关键词:天然气脱碳节能高效吸收剂;天然气脱碳流程

优化天然气作为现代化的清洁能源,越来越受到人们的青睐。对于油气田生产的天然气进行必要的净化处理,去除其中的有毒有害的成分,达到净化技术的指标。天然气净化处理包括脱碳、脱水、脱烃等[1]。天然气中的CO2含量过高造成天然气的热值下降,也会导致设备和管道的腐蚀,目前脱除CO2的主导工艺为胺法和砜胺法,对于胺法,处理高CO2含量的天然气,能耗高,设备尺寸大。因此,本文主要讲述选用高效吸收剂和优化脱除CO2的工艺来解决上述问题,并提高胺液利用效率。

1MDEA法脱碳工艺原理

MDEA(N-甲基二乙醇胺)为化学脱除剂,一段吸收,一段再生,MDEA溶液循环使用;使进入装置的天然气达到脱CO2指标要求。胺溶液吸收的反应原理如下:纯MDEA溶液与CO2不发生反应,但其水溶液与CO2可按下式反应:CO2+H2O=H++HCO3-(1)H++R2NCH3=R2NCH3H+(2)式(1)受液膜控制,反应速率极慢,式(2)则为瞬间可逆反应,因此式(1)为MDEA吸收CO2的控制步骤,为加快吸收速率,在MDEA溶液中加入1%~5%的活化剂DEA(R2/NH)后,反应按下式进行:R2/NH+CO2=R2/NCOOH(3)R2/NCOOH+R2NCH3+H2O=R2/NH+R2CH3NH+HCO3-(4)(3)+(4):R2NCH3+CO2+H2O=R2CH3NH+HCO3-(5)由式(3)~(5)可知,活化剂吸收了CO2,向液相传递CO2,大大加快了反应速度,而MDEA又被再生。MDEA分子含有一个叔胺基团,吸收CO2后生成碳酸氢盐,加热再生时远比伯仲胺生成的氨基甲酸盐所需的热量低得多。MDEA溶液在与CO2发生化学反应的同时,也有部份CO2溶解于溶液中,该部分CO2在再生时也随之释放出来。

2传统工艺流程及存在问题

天然气进入吸收塔的底部,自下而上流动;胺液自吸收塔上部淋入,自上而下,二者在塔内逆流接触,进行热质交换;净化气从塔顶进入净化气冷却器冷却,并经净化气液分离器分液后,气相送出,液相经泵增压后返回吸收塔顶部。逆向流动的胺液和天然气在塔内充分接触传热传质后,天然气中的二氧化碳气体被胺液吸收,然后胺液从吸收塔底部排出;充分吸收了二氧化碳的胺液称为富胺溶液,富胺溶液从吸收塔底部离开吸收塔,然后降压后进入富胺闪蒸罐闪蒸、再次降压后经贫/富胺液换热器升温后进入再生塔顶部,自上而下流动,经塔底上升蒸汽汽提后,解析出富胺溶液中的二氧化碳气体,再生塔底部得到的即为贫胺溶液。而后,贫胺溶液经贫液冷却器冷却后经胺液增压泵加压送至吸收塔。再生塔塔顶气相经二氧化碳冷却器和二氧化碳气液分离器分液,分出的气相气体经高点排空,分出的液相经凝液回收泵返回再生塔顶部。此种工艺存在问题:适应范围存在较大的局限性,再生塔贫液再生后为贫液(贫度较高,可控范围小),导致高含量CO2脱酸能耗较高,另常规脱碳采用的MDEA溶液与CO2量的液气比较低,导致胺液循环量较大,且换热器基本采用管壳式换热器,换热系数较低,导致换热面积较大,设备重、占地大、成本高。

3工艺流程、胺液及设备选型的优化

3.1流程的优化

在现存工艺的基础上,优化了胺液再生流程,将贫/富液换热器移至富液闪蒸槽之前,并在后串联一个富液加热器,富胺液经此两换热器后再进闪蒸槽,这样闪蒸槽的液体温度高,再生塔再沸器可省去,二氧化碳闪蒸槽出来的液体不再回流至再生塔,而是送至吸收塔,如上流程所示。优化工艺流程后胺液二级闪蒸罐闪蒸后为半贫液,半贫液的贫度即可满足高含量CO2脱除至国标二类气指标,而现有工艺流程再生塔解吸后为贫液。

3.2流程优化前后对比

基于上述两种工艺流程,应用HYSYS流程模拟软件建立模型,对各工艺参数进行匹配优化,净化气出口指标均优于GB17820-2012《天然气》二类气,在指标相同的前提下进行优化对比。以天然气处理规模为20×104Nm3/d为例,天然气进气CO2含量为18.7%mole、净化气出口CO2含量<3%mole,天然气进气压力2.0MPaG、进气温度40℃。

3.3胺液系统的优化

(1)采用活性MDEA,吸收剂与CO2量的液气比降低,从而使胺液的循环量下降30%,相应设备不同程度的减小。(2)吸收剂(活性MDEA)及消泡剂为一次投料,其中消泡剂的浓度小于万分之一。正常运行过程中,MDEA消耗极少。

3.4设备选型的优化

(1)富液加热器、贫液冷却器、二氧化碳冷却器均采用板式换热器,现有流程中此3种设备均为管壳式换热器。①板式换热器优点:换热效率高,结构紧凑、重量轻,适应性强,热损失小,拆装维修方便[3];②板式换热器可通过流程组合,获得较好换热吸收及压降,满足工艺要求。同种板片经过不同的流程组合会产生完全不同的换热效果[3];(2)富液加热器替代再生塔再沸器。再生塔再沸器设计时须考虑与再生塔液位的匹配,胺液解吸二氧化碳为瞬间过程,这导致了再沸器的设计除考虑换热外还须考虑相对标高,以至于再生塔再沸器选取不能只优化换热系数,导致选型会偏大;富液加热器不需要考虑相对标高,选型只优化换热即可,所以换热器选型会更加合理。

4优化后的指标

4.1冷热电消耗下降

(1)脱碳工艺流程优化后,加热负荷可降低30%左右,即节约燃料气~30%;再生塔再沸器加热方式可采用蒸汽锅炉供低压饱和蒸汽,或导热油炉供低温导热油,热源系统相应减小;传统工艺流程加热负荷为3020kW,优化工艺流程后加热负荷为2210kW。(2)循环水循环量可降低25%左右,传统工艺流程循环水循环量550t/h,优化工艺流程后循环水循环量409t/h;按闭式循环水系统考虑,循环水消耗可节约35t/d,循环水系统相应减小。(3)可降低电耗25kW;传统工艺流程电耗160kW,优化工艺流程后电耗135kW。

4.2降低投资,便于撬块化

(1)富液加热器、贫液冷却器、二氧化碳冷却器均采用板式换热器替代原有管壳换热器,除设备本身降低投资外,还可节约占地、降低框架费用,且3台换热器能整体考虑布置,便于撬块化,优化后适应性更加广泛。(2)胺液循环量降低,设备费用相应降低。流程中除净化气冷却器、净化气气液分离罐、吸收塔清洗泵以外,其余设备费用约能降低15%;设备尺寸的减小更有利于撬块化,除吸收塔、胺液二级罐以外,其余设备均能整体撬装。

5结论

综述分析可以,高效吸收剂与工艺流程优化合理匹配才能达到更好的应用效果。优化后工艺流程适用范围为天然气CO2含量5%~35%,净化气CO2含量<3%(天然气净化工艺);传统流程适用范围为天然气CO2含量<5%,净化气CO2含量<50ppm(天然气净化后用于至液化天然气);当天然气中CO2含量>5%,且净化气CO2含量<50ppm时,需两种流程平衡匹配才能更节能、更优化。

参考文献:

[1]张昆,王娜,贾腾,黄雪萍,徐东.天然气处理厂天然气净化工艺技术优化.化学工程与装备,2017.2(1).

[2]孔祥森,高含CO2天然气净化流程模拟及用能优化研究

[3]董其武,张垚,等.换热器.化学工业出版社,2008.12,269~270.

作者:郑忠英 单位:新地能源工程技术有限公司

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