天然氣中酸性組分含量升高的脫硫系統(tǒng)優(yōu)化研究

范 崢劉向迎黃風林李穩(wěn)宏喬玉龍閆 昭

(1.西安石油大學化學化工學院)

(2.西北大學化工學院 3.長慶油田第一采氣廠)

天然氣中酸性組分含量升高的脫硫系統(tǒng)優(yōu)化研究

范 崢1劉向迎1黃風林1李穩(wěn)宏2喬玉龍3閆 昭3

(1.西安石油大學化學化工學院)

(2.西北大學化工學院 3.長慶油田第一采氣廠)

針對近年來天然氣中酸性組分含量升高導致的產品氣氣質下降、設備故障頻繁等問題,利用Aspen HYSYS軟件對MDEA溶液循環(huán)量提高后的脫硫系統(tǒng)進行了流程模擬。結果表明,當原料氣中酸性組分CO2和H2S的體積分數(shù)分別由5.280%和0.028%增至6.280%和0.052%時,為了保證產品氣符合國家標準,需將系統(tǒng)中的MDEA溶液循環(huán)量由63.25 m3/h逐漸提高至102.85 m3/h。使用Tray Rating、HTRI Xchanger Suite軟件對不同MDEA溶液循環(huán)量下的塔器和換熱器等重要設備進行了一系列優(yōu)化。經計算,胺液吸收塔和再生塔的流體力學性能均符合要求;胺液貧富液換熱器在MDEA溶液循環(huán)量提高時可串聯(lián)1臺同型號換熱器,同時更換換熱管規(guī)格,以滿足系統(tǒng)需要并緩解堵塞;優(yōu)化后的二級閃蒸裝置能夠較大程度地緩解裝置頻繁波動的情況,而在其入口處加裝高效波紋板除沫器則可有效避免系統(tǒng)發(fā)泡。

天然氣 脫硫 H2S CO2甲基二乙醇胺 流程模擬

天然氣作為一種清潔、高效、安全、便捷、可靠的優(yōu)質能源和化工原料,不僅能夠有效改善我國能源結構,切實緩解燃料短缺的嚴峻現(xiàn)狀,還可以在較大程度上減少由于使用煤炭、石油等傳統(tǒng)化石燃料而導致的碳氫化合物和硫氮化合物排放,減少環(huán)境污染[1]。由于天然氣中存在CO2、H2S等酸性組分,不僅會大大降低其熱值,同時,還加速了對下游金屬設備管線的腐蝕。因此,在輸送至用戶或進行深加工前必須對天然氣進行相應的凈化處理[2-4]。隨著靖邊氣田開發(fā)規(guī)模的不斷擴大,天然氣中CO2、H2S等酸性組分含量較勘探初期發(fā)生了較大變化,如表1所列。

表1 靖邊氣田天然氣組成與體積分數(shù)變化Table 1 Composition and volume fraction change of natural gas in Jingbian Gasfield (φ/%)

天然氣中酸性組分含量的升高不僅會造成產品氣質量下降,而且還會加速胺液在酸氣脫除過程中的降解,使得溶液品質急劇惡化[5-7]。由于胺液降解產物黏度較大,且聚集后容易起泡,從而引起胺液吸收塔和再生塔的發(fā)泡與攔液、閃蒸罐閃蒸氣量與液位大幅度波動、富液過濾器濾芯清洗與更換頻繁、貧富液換熱器大面積堵塞且傳熱效果變差、重沸器再生能力不足以及熱煤爐負荷增大等一系列非正常現(xiàn)象,嚴重影響了脫硫系統(tǒng)的正常運行。

針對上述問題,為了保證產品氣氣質符合GB 17820-2012二類氣的要求[8],即CO2體積分數(shù)不大于3%、H2S質量濃度不大于20 mg/m3,提高脫硫系統(tǒng)MDEA溶液循環(huán)量是簡單、經濟、切實可行的解決辦法。為了找出提高MDEA溶液循環(huán)量后系統(tǒng)中可能存在的瓶頸,利用大型化工流程模擬軟件Aspen HYSYS分別對不同酸性組分含量下的脫硫系統(tǒng)進行了全流程模擬,并在此基礎上通過FRITray Rating、HTRI Xchanger Suite等專業(yè)計算軟件對脫硫系統(tǒng)中的一些關鍵設備進行校核與設計,最后結合企業(yè)生產實際提出相應的設備優(yōu)化方案。

1 實驗部分

1.1 流程模擬

系統(tǒng)物性的確定是流程模擬的關鍵,而物性計算的準確性則直接依賴于物性模型的選擇[9-11]。根據(jù)經驗,利用Aspen HYSYS豐富強大的物性數(shù)據(jù)庫,基于嚴格的非平衡物性模型,采用Kent-Eisenberg方程對該非理想系統(tǒng)中液體混合物的逸度系數(shù)和液體焓進行了準確描述。

原料天然氣經原料氣分離器和原料氣過濾器脫除其中的游離水和固體雜質后進入胺液吸收塔(V-201),使得大部分CO2和H2S被胺液吸收。脫硫后的產品氣由吸收塔頂部送出系統(tǒng),塔底出來的富胺液減壓后進入胺液閃蒸罐(V-203)進行閃蒸,分離出部分烴類氣體。富胺液經富液過濾器過濾后在胺液貧富液換熱器(E-210)內與胺液重沸器(E-225)底部出來的貧胺液進行換熱,加熱后的富胺液由胺液再生塔(V-205)頂部進入,與塔內自下而上流動的蒸汽逆流接觸再生。再生塔頂部解吸出的酸性組分經酸氣空冷器(AC-250)冷卻后進入酸氣分離器(V-204),分離出的酸性冷凝液經酸液回流泵(P-232)送至再生塔頂部回流,而酸氣則送至硫磺回收裝置處理。再生塔底部出來的貧胺液換熱后進入胺液緩沖罐(TK-240),與補充水混合均勻后,經胺液增壓泵(P-231)送至胺液空冷器(AC-251)冷卻后用胺液供給泵(P-230)打入胺液吸收塔頂部,完成溶液的循環(huán)[12-14]。

模擬的脫硫系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。

1.2 設備優(yōu)化

隨著MDEA溶液循環(huán)量的不斷提高,脫硫系統(tǒng)中各物流關鍵點的物性參數(shù),如氣、液相流量、溫度、壓力、組成等均隨之發(fā)生顯著變化,勢必會給相應設備帶來一定的影響,因此,為了保證脫硫系統(tǒng)在MDEA溶液循環(huán)量提高后仍能穩(wěn)定運行,在流程模擬的基礎上利用FRI-Tray Rating、HTRI Xchanger Suite軟件對系統(tǒng)中的塔器、換熱器等關鍵設備進行了必要的優(yōu)化。

2 結果與討論

2.1 酸性組分含量與MDEA溶液循環(huán)量的關系

表2 不同酸性組分含量下的MDEA溶液循環(huán)量Table 2 MDEA solution circulation flow rate of different acidic components content

在日處理天然氣300×104m3(20℃,101.325 k Pa,下同)的滿負荷生產條件下,隨著酸性組分含量的不斷增加,為了保證產品氣氣質符合國家標準的相關要求,需不斷提高脫硫系統(tǒng)中的MDEA溶液循環(huán)量,具體模擬結果見表2。

2.2 胺液吸收塔

胺液吸收塔V-201現(xiàn)為膜噴無返混高效板式塔,共20層塔板,其主要結構參數(shù)見表3。該塔板通過富液導出、液膜噴射和V型分離等技術,使得塔板的傳質效率、壓降、通量與抗堵塞性能等均有明顯的提高[15]。

表3 胺液吸收塔的主要結構參數(shù)Table 3 Main structural parameters of amine absorber

當系統(tǒng)中的MDEA溶液循環(huán)量提高后,在進塔氣量為300×104m3/d、壓力為5.4 MPa的正常操作條件下,采用FRI-Tray Rating軟件對V-201的塔板流體力學性能進行核算[16],計算結果列于表4。

由表4可知,現(xiàn)有胺液吸收塔(V-201)即使在MDEA溶液循環(huán)量達到102.85 m3/h時仍能正常運行,其塔板壓降、淹塔、霧沫夾帶和液體在降液管中的停留時間等塔板流體力學性能均符合相應的工藝設計要求。

2.3 胺液貧富液換熱器

目前,在役的胺液貧富液換熱由兩臺BEU型浮頭式換熱器(E-210/A、B)串聯(lián)而成,其換熱管規(guī)格為19 mm×2 mm×6 000 mm并按45°排列,折流板為單弓形,折流板間距為450 mm,其總換熱面積約為650.42 m2。利用HTRI Xchanger Suite軟件分別對不同MDEA溶液循環(huán)量下的胺液貧富液換熱器進行校核[17-18],其計算結果列于表5。

表5 胺液貧富液換熱器校核結果一覽表Table 5 Rating result of lean/rich amine heat exchanger

由表5可知,當MDEA溶液循環(huán)量分別為63.25 m3/h、83.24 m3/h和95.12 m3/h時,在役胺液貧富液換熱器的富余度均為正值并依次減小,表明該換熱器完全能達到以上3種工況下系統(tǒng)指定的換熱要求,但其生產負荷逐漸趨于飽和。若MDEA溶液循環(huán)量繼續(xù)增大至102.85 m3/h,則貧富液換熱器的富余度變?yōu)?18.22%,已不能滿足生產需要,亟需進行優(yōu)化。

針對上述問題,在充分利用現(xiàn)有設備、有效降低優(yōu)化成本的指導原則下,研究認為通過在現(xiàn)有兩臺胺液貧富液換熱器(E-210/A、E-210/B)的基礎上串聯(lián)增加1臺同型號換熱器E-210/C,并將這3臺換熱器的管束規(guī)格均更換為25 mm×2.5 mm×6 000 mm可實現(xiàn)優(yōu)化。計算結果列于表6。

由表6可知,該設備經優(yōu)化后,其冷、熱流體給熱系數(shù)和實際傳熱系數(shù)均顯著增大,富余度也提高至24.31%。優(yōu)化后的貧富液換熱器不僅完全能夠滿足MDEA溶液循環(huán)量為102.85 m3/h時的換熱要求,同時,換熱管徑的增大還徹底解決了此前由于貧、富胺液黏度過大而導致的換熱器管束大面積堵塞問題。

表6 胺液貧富液換熱器優(yōu)化結果一覽表Table 6 Optimization result of lean/rich amine heat exchanger

2.4 胺液閃蒸罐

由于胺液大量發(fā)泡是造成胺液閃蒸罐(V-203)閃蒸氣量和液位波動大的主要原因,因此,如何有效減少進入閃蒸罐的胺液泡沫是解決該問題的核心與關鍵。

研究認為,除了在其進口位置加裝必要的高效波紋板除沫器外[19-20],還可借助高度差在V-203后串聯(lián)增加1個胺液閃蒸罐,即采用二級閃蒸進行緩沖,使閃蒸氣量和液位更為平穩(wěn)。這樣不僅能保證設備的正常運行,同時,還可以最大程度地減少溶解在胺液中的烴類氣體,從而有效降低脫硫系統(tǒng)的發(fā)泡現(xiàn)象。

2.5 其他設備

隨著MDEA溶液循環(huán)量的增大,脫硫系統(tǒng)中其他關鍵設備的優(yōu)化方案如下:

胺液再生塔(V-205)的流體力學性能指標均符合相關工藝要求,酸氣空冷器(AC-250)和胺液空冷器(AC-251)經核算后可以滿足系統(tǒng)需要。

對于胺液重沸器(E-225)來說,通過增加換熱管管束、翅化換熱管表面、提高熱媒流率與進口溫度等優(yōu)化手段均可使E-225滿足不同MDEA溶液循環(huán)量下的胺液再生要求。

胺液供給泵(P-230)、胺液增壓泵(P-231)和酸液回流泵(P-232)等動設備及其進出口管線也能適應不同MDEA溶液循環(huán)量下的工況。

2.6 優(yōu)化后的實際運行效果

為了驗證裝置優(yōu)化后的實際運行效果,凈化廠按照上述方案于2013年5月進行了系統(tǒng)升級與現(xiàn)場標定。方案實施后,胺液吸收塔和胺液再生塔的發(fā)泡與攔液現(xiàn)象明顯緩解,胺液貧富液換熱器的堵塞現(xiàn)象基本消失,胺液閃蒸罐的閃蒸氣量和液位波動大等問題得到有效解決,各控制點參數(shù)與流程模擬結果基本吻合,產品氣中的CO2體積分數(shù)為2.96%,H2S質量濃度為18 mg/m3,均滿足國家標準GB 17820-2012《天然氣》的要求,達到了預期的改造效果。

3 結論

(1)針對靖邊氣田天然氣中酸性組分含量升高的實際問題,在天然氣處理量為300×104m3/d的滿負荷生產條件下,提高脫硫系統(tǒng)的MDEA溶液循環(huán)量是目前較為簡單、經濟、切實可行的優(yōu)化方案之一。

(2)利用Aspen HYSYS對不同MDEA溶液循環(huán)量下的脫硫系統(tǒng)進行了全流程模擬。模擬結果表明,在CO2體積分數(shù)分別為5.280%、5.68%、6.080%和6.280%,H2S質量濃度分別為403.2 mg/m3、590.4 mg/m3、676.8 mg/m3以及748.8 mg/m3的條件下,為了保證產品氣氣質符合國家相關標準,需要將MDEA溶液循環(huán)量分別提高至63.25 m3/h、83.24 m3/h、95.12 m3/h和102.85 m3/h。

(3)利用FRI-Tray Rating對胺液吸收塔和胺液再生塔進行核算后可知,在不同MDEA溶液循環(huán)量下,其塔板壓降、淹塔、霧沫夾帶和液體在降液管中的停留時間等塔板流體力學性能均符合相應的工藝設計要求。

(4)經HTRI Xchanger Suite核算后可知,當MDEA溶液循環(huán)量分別為63.25 m3/h、83.24 m3/h和95.12 m3/h時,在役胺液貧富液換熱器尚能滿足系統(tǒng)要求;當MDEA溶液循環(huán)量增至102.85 m3/h時,則需在現(xiàn)有設備的基礎上串聯(lián)增加1臺同型號換熱器并將換熱管束全部更換為25 mm×2.5 mm×6 000 mm的規(guī)格,該換熱器經優(yōu)化后不僅能達到相應的換熱要求,同時還可以解決頻繁出現(xiàn)的管束堵塞問題。

(5)通過采取在現(xiàn)有胺液閃蒸罐后新增1臺胺液閃蒸罐并在其進口位置加裝高效波紋板除沫器等手段,不僅能夠有效緩解閃蒸氣量和液位波動大的問題,還可以最大程度地減少溶解在胺液中的烴類氣體,避免系統(tǒng)發(fā)泡。

(6)系統(tǒng)優(yōu)化后,凈化裝置運行平穩(wěn),各控制點參數(shù)與流程模擬結果基本吻合,產品氣氣質符合國家標準相關要求,達到了預期的改造效果。

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Optimization of desulphurization system for increased acidic components content in natural gas

Fan zheng1,Liu Xiangying1,Huang Fenglin1,Li Wenhong2,Qiao Yulong3,Yan Zhao3
(1.College of Chemistry&Chemical Engineering,Xi’an Shiyou University,Xi’an 710065, Shaanxi,China;2.College of Chemical Engineering,Northwest University,Xi’an 710069, Shaanxi,China;3.The First Gas Plant,Changqing Oilfield,Yulin 718500,Shaanxi,China)

Aiming at the inferior product gas quality and frequent equipment troubles due to the increase of acidic components content in natural gas in recent years,the process of desulphurization system after the increase of MDEA solution circulation flow rate was simulated by Aspen HYSYS software.The simulation result demonstrated that it was necessary to increase MDEA solution volume flow rate gradually from 63.25 m3/h to 102.85 m3/h to satisfy national standards when the volume fraction of CO2and H2S was increased from 5.280%and 0.028%to 6. 280%and 0.052%respectively.Key facilities were implemented a series of optimization by theprofessional softwares of FRI-Tray Rating,and HTRI Xchanger Suite,etc.The fluid mechanics performance of amine absorber and regenerator were qualified for different volume flow rates of MDEA solution after calculation.When the volume flow rates increased,it was feasible schemes to add the same model of lean/rich amine heat exchanger in series and simultaneously change the specification of heat exchange tube to meet the demand and resolve block.Optimized two-level flash device could greatly relieve frequent fluctuation and fixing the high-efficiency corrugated plate demister at inlet could avoid system foaming.

natural gas,desulphurization,H2S,CO2,MDEA,flowsheet simulation

TE644

A

10.3969/j.issn.1007-3426.2014.05.001

2014-03-11;編輯:溫冬云

西安市科技計劃項目“智能數(shù)字管理技術開發(fā)”(CXY1345(6));西安石油大學青年科技創(chuàng)新基金項目“靖邊氣田天然氣凈化裝置模擬與優(yōu)化研究”(2012BS003)。

范崢(1982-),男,陜西西安人,2012年7月畢業(yè)于西北大學化學工藝專業(yè),博士,講師,現(xiàn)任職于西安石油大學化學化工學院,主要從事天然氣凈化系統(tǒng)優(yōu)化、改造等方面的科研工作。地址:(710065)陜西省西安市電子二路東段18號。E-mail:fanzheng@xsyu.edu.cn