Selexol脫碳工藝的參數(shù)優(yōu)化及適應(yīng)性研究

張 哲 皮艷慧 陳思錠

1.中國(guó)石油規(guī)劃總院，北京 100083；

2.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610500

0 前言

Selexol脫碳工藝因其吸碳率高、處理量大、環(huán)保、能耗低及可基本實(shí)現(xiàn)100%CO2的回收利用等優(yōu)點(diǎn)被認(rèn)為是天然氣凈化工業(yè)中最有前途的物理溶劑脫碳法。國(guó)外很早就開始研究Selexol脫碳工藝，已有多套成熟的工業(yè)應(yīng)用裝置。目前，國(guó)內(nèi)有報(bào)道的Selexol脫碳工藝裝置全部應(yīng)用于合成氣的凈化處理，天然氣脫碳處理方面的應(yīng)用研究尚處起步階段，還沒有成功應(yīng)用的工業(yè)化裝置。

研究Selexol脫碳工藝用于天然氣脫碳的參數(shù)優(yōu)化與適應(yīng)性，對(duì)降低脫碳處理裝置的能耗和成本，實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)高含碳?xì)獠氐母咝А⒐?jié)能開發(fā)，保證生產(chǎn)及運(yùn)行的穩(wěn)定性有重要意義。

1 Selexol脫碳工藝特性

Selexol脫碳工藝是一種物理溶劑脫碳法，所用溶劑為非極性物質(zhì)聚乙二醇二甲醚，分子式為CH3O-（C2H4O）n-CH3（n=3～8）。 聚乙二醇二甲醚的主要性質(zhì)指標(biāo)[1]見表 1。

表1 聚乙二醇二甲醚的主要性質(zhì)指標(biāo)

聚乙二醇二甲醚是一種高效的物理吸收脫碳溶劑，易溶于水，無臭味、無毒，容易被其它生物降解[2-3]，因此即使發(fā)生“跑液”事故，也不會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。溶劑本身分子端羥基減少了，所以在低溫下（-5～5℃）黏度很小，溶液消泡快，操作方便；蒸汽壓低，溶劑損失量很少；氯化物含量低，對(duì)設(shè)備的腐蝕性較??；裝置材料可全部采用碳鋼，成本低，易國(guó)產(chǎn)化[4]。

Selexol脫碳工藝包括吸收及溶劑再生兩個(gè)過程。從物理溶劑脫碳原理可知，高壓、低溫有利于吸收過程；反之，低壓、高溫利于溶液再生。典型的閃蒸再生流程見圖1。

圖1 Selexol 脫碳工藝閃蒸再生

2 Selexol脫碳工藝參數(shù)優(yōu)化

選用美國(guó)德克薩斯州北方天然氣公司Mitchell工廠的典型高含碳原料氣，對(duì)Selexol脫碳工藝關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。該廠原料氣處理量300×104m3/d，氣質(zhì)組成見表2。

表2 原料氣組成

2.1 吸收塔操作參數(shù)

與其它物理溶劑脫碳法相似，在Selexol脫碳工藝的吸收脫碳環(huán)節(jié)，原料氣的進(jìn)塔溫度越低，壓力越高，脫碳效果越佳。通常，在入塔前設(shè)置氣-氣換熱器，用外輸凈化氣冷卻原料氣，降低工藝能耗的同時(shí)保證商品天然氣的要求。

原料氣壓力對(duì)脫碳效果影響很小，保持高于吸收塔塔底壓力即可。當(dāng)原料氣進(jìn)料壓力增加幅度較大（10 MPa）時(shí)，再生貧液壓力會(huì)相應(yīng)升高，因此能完全保證再生貧液進(jìn)塔。

一般來說，貧液循環(huán)量和貧液注入溫度是影響吸收器原料氣凈化程度的關(guān)鍵參數(shù)。

2.1.1 貧液循環(huán)量

貧液循環(huán)量是決定工藝裝置運(yùn)行費(fèi)用的主要因素，圖2曲線表明，在較廣的CO2組分含量范圍內(nèi)，Selexol溶劑的適應(yīng)能力很強(qiáng)；而基于化學(xué)當(dāng)量關(guān)系的醇胺溶劑則需要成比例增大循環(huán)量，這必然會(huì)大大增加能耗。

圖2 CO2氣體濃度與溶劑循環(huán)量的關(guān)系

設(shè)原料氣入塔溫度5℃，壓力6 200 kPa；Selexol溶劑入塔溫度-5℃，壓力6 000 kPa；吸收塔理論塔板數(shù)取16。Selexol溶劑不同流量對(duì)應(yīng)的凈化氣中CO2含量見圖3。

從圖3可以看出，Selexol溶劑流量從500 m3/h增加到950 m3/h時(shí)，凈化氣中CO2含量從3.79%降低到0.15%。以流量750 m3/h為分界點(diǎn)，其后曲線斜率逐漸減小，變化趨勢(shì)越來越平緩，建議注入Selexol溶劑流量為750 m3/h左右。

2.1.2 貧液注入溫度

原料氣入塔溫度5℃，壓力6 200 kPa；Selexol溶劑流量750 m3/h，壓力6 000 kPa；吸收塔理論塔板數(shù)取16。不同入塔溫度對(duì)應(yīng)的凈化氣中的CO2含量見表3。

圖3 吸收劑流量對(duì)凈化氣中CO2含量的影響

表3 不同入塔溫度對(duì)應(yīng)的凈化氣中CO2含量

從表3可以看出，Selexol溶劑入塔溫度從-10℃升高到-4℃時(shí)，凈化氣中CO2含量從0.43%增加到2.37%。因此，再生貧液注入溫度越低，凈化氣中CO2含量越低，考慮到溶劑本身的凝固點(diǎn)特性，理論上不能低于-22℃，實(shí)際運(yùn)行中建議最低注入溫度為-18℃[5]。

2.1.3 參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

Selexol溶劑吸收脫碳規(guī)律為：凈化氣中CO2體積分?jǐn)?shù)隨裝置進(jìn)料氣溫度的升高、壓力的降低、貧液注入量的減少以及貧液注入溫度的升高而增大，其中貧液注入溫度對(duì)脫碳效果影響最大。得出結(jié)論：入塔前氣-氣換熱后溫度最佳為-5～5℃；貧液注入量選750 m3/h較佳，注入溫度越低越佳，實(shí)際運(yùn)行中最低注入溫度為-18℃。

2.2 閃蒸再生操作參數(shù)

Selexol脫碳工藝通過不同壓力等級(jí)的閃蒸罐來實(shí)現(xiàn)貧液再生。壓力越低，CO2從富液解析的效果越好，低壓值對(duì)Selexol工藝脫碳效果的影響最大。

美國(guó)德克薩斯州北方天然氣公司Mitchell工廠、Lone Star天然氣公司Pikes Peak工廠以及Exxon Mobil公司的三級(jí)閃蒸壓力見表4。

綜合國(guó)外成熟的Selexol脫碳工藝，初定高壓2 000 kPa、中壓500kPa來研究低（負(fù)）壓值，研究結(jié)果見圖4。

表4 閃蒸再生高、中、低壓力

圖4 低（負(fù)）壓值對(duì)脫碳效果的影響

壓力從30 kPa變化到100 kPa時(shí)，再生后貧液濃度差距不大，但對(duì)凈化氣中CO2含量影響很大。當(dāng)壓力＜60 kPa時(shí)，凈化氣中CO2才能滿足商品氣質(zhì)要求，因此，推薦低（負(fù)）壓閃蒸壓力取50 kPa以下。表5～7分別是低壓為30、40、50 kPa時(shí)的工藝參數(shù)指標(biāo)。

表5 30 kPa時(shí)的參數(shù)指標(biāo)

表6 40 kPa時(shí)的參數(shù)指標(biāo)

表7 50 kPa時(shí)的參數(shù)指標(biāo)

綜合比較表5～7中的指標(biāo)可以看出：

a）不同低壓值下，高壓2 400 kPa時(shí)，能耗最低；中壓為500 kPa時(shí)，貧液回注壓力最高，脫碳效果最好。

b）滿足商品天然氣要求的前提下，表7中低壓50 kPa時(shí)的能耗低于另外兩組。

3 Selexol脫碳工藝適應(yīng)性研究

Selexol脫碳工藝用于天然氣脫碳處理時(shí)，CO2含量、貧液含水量以及烴組分含量對(duì)脫碳效果以及所需能耗影響很大。

3.1 適用的CO2含量范圍

理論上，原料氣中CO2含量的增加，可以通過增大貧液循環(huán)量來保證脫碳效果，但相應(yīng)的工藝能耗也要增加。如果能耗巨幅增加，即使保證了產(chǎn)品天然氣的氣質(zhì)要求，也無法體現(xiàn)Selexol脫碳工藝的低能耗優(yōu)勢(shì)，無疑會(huì)影響到工藝的經(jīng)濟(jì)性與選用原則。表8為CO2含量分別為 20%、30%、40%、50%、60%及 65%的原料氣采用Selexol脫碳工藝的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)。

表8 不同CO2含量下的技術(shù)指標(biāo)

從表8可以看出，原料氣中CO2含量從60%變化到65%時(shí)，產(chǎn)品氣中CO2（5.33%）不再滿足商品氣質(zhì)要求，同時(shí)能耗劇增（超過3 000 kW）。為了滿足氣質(zhì)要求，可以進(jìn)一步增加貧液注入量，但又必然大幅增加工藝能耗。因此，對(duì)于CO2含量超過60%的原料氣脫碳處理，Selexol脫碳工藝雖可以使用，但不具有適用性，無法體現(xiàn)低能耗的優(yōu)勢(shì)。

3.2 烴組分含量限值

Selexol溶劑對(duì)重?zé)N的溶解能力很強(qiáng)，使得一部分烴類溶解在貧液中，小部分隨放空氣流失，剩余一部分隨產(chǎn)品氣進(jìn)入外輸管道，造成較嚴(yán)重的烴損失。研究表明，Selexol脫碳工藝應(yīng)用于低含量重?zé)N組分的天然氣脫碳處理，效果更好[6]。

高含 CO2（40%～70%）的天然氣，當(dāng) C2+含量大于 4%時(shí)，尤其是C5+含量較高時(shí)，物理溶劑吸收CO2的同時(shí)也會(huì)吸附大量烴組分，增加了烴組分回收和溶劑再生的難度。一般認(rèn)為，Selexol脫碳工藝非常適用于不含烴組分的合成氣脫碳，用于天然氣脫碳時(shí)，要求C4+重?zé)N≤1%（φ）。

3.3 含水量影響與限值

在常見的天然氣組分中，Selexol溶劑對(duì)H2O的吸收能力比對(duì) CO2的吸收能力高 3個(gè)數(shù)量級(jí)（800多倍）[7]。因此，H2O對(duì)Selexol脫碳工藝的脫碳效果有很大影響。

3.3.1 含水量影響

貧液中含水量的增多會(huì)加大貧液循環(huán)量，導(dǎo)致工藝的運(yùn)行費(fèi)用大幅增加；含水量過高會(huì)大量溶解酸性氣體，使溶液呈酸性，加大對(duì)碳鋼質(zhì)管道及設(shè)備的腐蝕，同時(shí)酸性氣體不易從溶劑中解析出來，造成溶劑污染；含水量過高容易引起溶劑發(fā)泡；含水量越高，需要開啟脫水的次數(shù)越頻繁，才能維持系統(tǒng)水平衡，增加了工藝運(yùn)行成本和溶液的損失。

3.3.2 含水量限值

一般來說，當(dāng)天然氣氣質(zhì)很貧、含水量非常少，尤其在聯(lián)合前置貧液冷卻器的條件下，完全不需要對(duì)天然氣進(jìn)行預(yù)脫水處理。否則，多數(shù)情況下，Selexol脫碳工藝進(jìn)行脫碳處理都要求先進(jìn)行預(yù)脫水處理，即天然氣采取后置脫碳。

工程實(shí)際中，高壓含碳天然氣通常利用其本身高壓，采用低溫分離工藝進(jìn)行脫水脫烴，脫水脫烴后的天然氣飽和含水量很低，遠(yuǎn)低于5%～6%（w）的行業(yè)推薦值，完全符合工藝要求[8-10]。若需提高脫碳效果和溶劑利用率，則可以在閃蒸再生的中壓罐富液后設(shè)置小型的富液脫水裝置，通過加熱蒸汽就可進(jìn)一步脫水。

4 結(jié)論

a）Selexol脫碳工藝用于高含碳天然氣脫碳處理時(shí)，貧液注入溫度對(duì)脫碳效果影響最大。工藝關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化結(jié)果：原料氣入塔溫度應(yīng)控制在-5～5℃最佳，貧液注入量推薦750 m3/h，注入溫度越低越佳，實(shí)際運(yùn)行中應(yīng)高于-18℃；閃蒸再生時(shí)，最佳三級(jí)閃蒸再生的組合壓力條件為 2 400 kPa（高壓）、500 kPa（中壓）、50 kPa（低壓）。

b）Selexol脫碳工藝適用于原料氣中CO2含量在60%以下的高含碳天然氣脫碳處理。當(dāng)原料氣中CO2含量高于60%時(shí)，管輸天然氣無法滿足產(chǎn)品氣質(zhì)要求，同時(shí)工藝能耗顯著增加。

c）Selexol脫碳工藝要求原料氣中C4+重?zé)N小于1%（φ），同時(shí)C2～C4組分含量越低越好。實(shí)際運(yùn)行中，還應(yīng)控制貧液含水量在5%～6%（w）以下。

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