新型高效脫碳劑在某終端節(jié)能改造中的應(yīng)用

李鵬程，唱永磊，李根，顏筱函，韓續(xù)增

新型高效脫碳劑在某終端節(jié)能改造中的應(yīng)用

李鵬程1，唱永磊1，李根1，顏筱函1，韓續(xù)增2

（1. 中海石油（中國）有限公司北京研究中心，北京 100028；2. 青島歐賽斯環(huán)境與安全技術(shù)有限責(zé)任公司，山東 青島 266000）

大型脫碳裝置一般采用活化MDEA法，由于脫碳溶劑循環(huán)量大并需要加熱再生，裝置能耗較高。近年隨著國內(nèi)外對活化MDEA脫碳溶劑的深入研究，研發(fā)的新型高效脫碳溶劑可將裝置能耗有效降低20%。針對某天然氣終端已建三套脫碳裝置實際運行狀況，結(jié)合各年脫碳?xì)饬?，給定不同更換方案條件下各裝置的運行情況，并針對不同更換方案開展經(jīng)濟(jì)性比選。建議對其中兩套脫碳裝置更換新型高效脫碳劑，可有效優(yōu)化已建脫碳裝置的運行，降低脫碳裝置能耗，節(jié)省費用約2 000萬元。

脫碳；高效溶劑；節(jié)能；改造

油氣開采過程中，來自地下儲層的天然氣通常含有一定量的H2S、CO2等酸性組分，這不僅降低天然氣品質(zhì)，而且腐蝕金屬管道、設(shè)備反應(yīng)器等，給生產(chǎn)帶來安全隱患，影響天然氣儲運和利用[1]。因此，必須對其進(jìn)行脫酸處理，以滿足國家天然氣標(biāo)準(zhǔn)，一類氣CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過3%，二類氣CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)不高于4%[2]。目前國內(nèi)外大型天然氣脫硫脫碳裝置均以醇胺溶液吸收法為主，如MDEA法、DEA 法或以MDEA 為基礎(chǔ)的配方溶劑法等，其具有操作連續(xù)、處理量大、凈化度高以及對酸性氣體組分濃度范圍適應(yīng)性寬等優(yōu)點。但此種脫碳工藝要求醇胺吸收溶劑循環(huán)量大、吸收溶液酸氣負(fù)荷高、脫碳裝置能耗高[3]。以中海油位于海南某天然氣處理終端為例，3套脫碳裝置的能耗約占全廠綜合能耗的80%[4-5]。因此，在工藝流程確定的條件下，選擇采用高吸收性、低再生能耗的活化脫碳劑已成為高含CO2天然氣處理中節(jié)能的關(guān)鍵。

1 醇胺法脫碳

醇胺法是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的脫除天然氣中CO2最常用物理化學(xué)吸收法。此種方法是在吸收塔內(nèi)將含CO2的天然氣與貧胺液通過逆流接觸脫除。吸收了CO2的富胺液在再生塔內(nèi)經(jīng)過加熱將CO2脫出，胺液經(jīng)冷卻后再重新使用，從而完成整個吸收-再生-吸收的循環(huán)過程[6]。

用于天然氣脫CO2的醇胺溶劑主要包括一乙醇胺（MEA）、二乙醇胺（DEA）和配方/活化甲基二乙醇胺（MDEA）等。此工藝的發(fā)展過程實質(zhì)上是各種溶劑與胺液復(fù)配的溶劑和添加劑的選擇、改進(jìn)的過程[7]。MDEA與活化MDEA的吸收機理見圖1。

圖1 MDEA吸收機理示意圖

2 活化脫碳溶劑

目前先進(jìn)的高效脫CO2溶劑在以MDEA為基礎(chǔ)，利用特有的活化劑配方可大大提高其吸收CO2的反應(yīng)速率，降低吸收溶劑損失和脫碳裝置綜合能耗。有文獻(xiàn)報道，在保持原有工藝設(shè)備不改造的基礎(chǔ)上，將原裝置胺液更換為新型高效脫碳溶劑后，可將系統(tǒng)處理能力提高20%以上，或?qū)⑾到y(tǒng)能耗降低20%~45%。工業(yè)化使用的活化劑主要包括DEA、MEA、哌嗪以及空間位阻胺等，一些新興活化劑正處于實驗研究階段，如碳酸酐酶、離子溶液等，活化劑的配方大多是保密溶劑[8]。目前應(yīng)用較廣、口碑較好的脫碳溶劑廠商，國外的有美國陶氏化學(xué)、德國巴斯夫、法國赫銻石化等，國內(nèi)的有四川省精細(xì)化工設(shè)計研究院、成都賽普瑞興科技有限公司、南京化學(xué)工業(yè)集團(tuán)研究院等。

目前研發(fā)出的新型高效脫碳溶劑具有以下優(yōu)點：

①基礎(chǔ)單元需要的投資和運行成本更低；

②工藝節(jié)能、穩(wěn)定、環(huán)保；

③沒有腐蝕性，設(shè)備維修成本低；

④溶劑損失少，補充量??；

⑤可確保高純度酸氣的回收；

⑥可生物降解、無毒性；

⑦通過溶劑配方的調(diào)整可提高釋放潛在產(chǎn)能。

表1為將某終端兩套脫碳裝置在應(yīng)用高效新型活化MDEA后，將處理量提高至原設(shè)計處理能力的1.2倍時，凈化氣中CO2摩爾分?jǐn)?shù)及主要設(shè)備的負(fù)荷。在應(yīng)用新型脫碳劑后，脫碳裝置處理后的凈化氣中CO2摩爾分?jǐn)?shù)低于原設(shè)計值3%，且主要設(shè)備的運行負(fù)荷均有所降低。

表1 已建脫碳裝置應(yīng)用新型活化MDEA后運行狀況

3 終端已建脫碳裝置節(jié)能改造方案

3.1 終端已建脫碳裝置現(xiàn)狀

某天然氣處理終端現(xiàn)已有3套脫碳裝置，均采用活化MDEA濕法脫碳，其中活化MDEA由水、MDEA及活化劑哌嗪組成，3套裝置的設(shè)計及現(xiàn)場檢測實際運行情況如表2所示。裝置一與裝置二的實際脫碳能力目前達(dá)不到原設(shè)計值[9]。

表2 終端已建脫CO2裝置設(shè)計與實際處理能力

3套裝置脫碳工藝均采用“兩段吸收、兩段再生”，貧液循環(huán)量小，主要依靠大循環(huán)量的半貧液吸收CO2，工藝流程如圖2所示[10]。脫碳流程由高壓吸收和低壓再生兩部分組成，原料氣自吸收塔的底部進(jìn)入，首先與吸收塔中部進(jìn)入的半貧液接觸，除去天然氣中的大部分CO2，再與塔頂進(jìn)入的貧液接觸，進(jìn)一步脫除CO2以滿足下游用戶對氣質(zhì)的要求，凈化后的濕氣由塔頂排出。吸收了CO2后的富MDEA由吸收塔底流出，首先進(jìn)閃蒸塔減壓閃蒸，閃蒸后的富MDEA進(jìn)再生塔上段進(jìn)一步低壓再析，溶液在再生塔內(nèi)與上升的蒸汽接觸，大部分CO2被解吸。再生塔的半貧液大部分經(jīng)半貧液泵增壓后進(jìn)入吸收塔中段，少部分經(jīng)溶液泵提升后經(jīng)過溶液換熱器與貧液換熱進(jìn)入再生塔汽提段上部加熱再生。半貧液在重沸器中被加熱，高溫條件下CO2進(jìn)一步解吸，溶液得到完全再生。完成再生后的貧MDEA液由再生塔底流出，經(jīng)換熱溫度降低后經(jīng)貧液冷卻器冷卻、貧液泵增壓后返回到吸收塔頂部，再生塔頂部的酸氣和水蒸氣經(jīng)過冷卻器冷卻后分離，分離的冷卻水再一次返回再生塔，分離出的尾氣放空處理[10]。

圖2 終端已建脫CO2裝置工藝流程示意圖

3.2 脫碳?xì)饬亢怂?/h3>

根據(jù)終端上游兩條海管進(jìn)站氣量與組分及下游用戶對商品氣氣質(zhì)的要求，終端內(nèi)每年需要脫出的氣量見表3。

表3 各年需脫碳?xì)饬?/p>

3.3 脫碳裝置處理能力核算

基于表2中3套脫碳裝置的實際處理能力，對于新的進(jìn)站原料氣組分，各裝置逐年可處理氣量見表4。

表4 終端已建脫碳裝置處理能力核算 ×108 m3·a-1

由表3與表4可知，終端已建3套脫碳裝置可滿足脫碳處理需要，但已建裝置所用的活化MDEA傳統(tǒng)配方能耗較高，并且裝置運行過程中偶爾存在發(fā)泡等問題。根據(jù)表1中國外活化脫碳劑的研究進(jìn)展，新配方脫碳溶劑的應(yīng)用可大幅降低脫碳裝置熱能消耗。如對終端內(nèi)已建的3套脫碳裝置更換國外研發(fā)的新型高效脫碳溶劑，各裝置的脫碳處理能力提升情況見表5。

表5 更換新型脫碳劑終端已建脫碳裝置處理能力核算 ×108 m3·a-1

3.4 脫碳裝置節(jié)能改造方案優(yōu)選

根據(jù)終端每年需脫碳的氣量和各脫碳裝置更換脫碳劑前后的可處理氣量，篩選出以下4種方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比選。方案一：3套脫碳裝置均不更換脫碳劑；方案二：裝置一與裝置三均更換脫碳劑；方案三：僅裝置一更換脫碳劑；方案四：僅裝置三更換脫碳劑。采用上述各方案后，生產(chǎn)期內(nèi)每套脫碳裝置的運行情況詳見表6。

表6 4種方案中各套脫碳裝置運行情況

注：“√”代表裝置運行；“×”代表裝置停運。

上述各方案中，每年脫碳裝置運行消耗的電量及熱能見表7。

表7 各方案裝置運行能耗

對于改造方案中脫碳溶劑的初始裝填量，方案二共需更換180 t脫碳劑，方案三需更換120 t脫碳劑，方案四需更換60 t脫碳劑。據(jù)市場行情，每噸新型高效脫碳劑的價格約83 000元，各方案在運行全壽命周期內(nèi)經(jīng)濟(jì)性比較見表8。

表8 不同方案經(jīng)濟(jì)性比較結(jié)果

上述評價過程中燃料氣價格為每立方米0.9元，電價為每千瓦時1.6元。

由表8結(jié)果可見，在方案二中同時更換脫碳裝置一與裝置三的脫碳溶劑，雖然初始投資高，但裝置能耗大幅降低，可降低終端處理廠內(nèi)操作費用，整個生產(chǎn)期內(nèi)將節(jié)約2 000萬元費用。

4 結(jié) 論

選用基于天然氣組分及凈化氣氣質(zhì)要求研發(fā)的新型高效活化脫碳劑，可將已建的脫碳裝置處理能力提高20%，同時有效減小脫碳裝置運行能耗。通過對終端不同的脫碳裝置更換新型高效脫碳劑的改造方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比選，推薦對脫碳裝置一與裝置三更換新型脫碳溶劑，可節(jié)省操作費用約2 000萬元。

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Application of New High Efficient Decarburization Solvent in Energy-saving Renovation of Natural Gas Onshore Terminal

1,1,1,1,2

（1. China Offshore Oil Beijing Research Center, Beijing 100028, China 2.Qingdao Oasis Environmental and Safety Technology Co., Ltd., Qingdao Shandong 266000, China)

The activated MDEA process is usually adopted in large-scale decarburization devices, which is characterized by the lower energy efficiency since a large circulation amount of decarburization solvent and its heat regeneration are required. In recent years, with the in-depth study of activated MDEA decarburization solvents at home and abroad, the new and high-efficiency decarburization solvents can effectively reduce the energy consumption of devices by 20%. Based on the on-site operation of three sets of decarburization facility unit (unit 1, 2 and 3) built for a natural gas onshore terminal, and combined with the decarburization gas required in each year, the operation of all unit under different replacement schemes was provided, furthermore, the economic comparison of different replacement schemes was carried out. It was suggested that the high-efficiency decarburization solvent should be replaced for two series decarburization facilities, which could optimize the operation of the built decarburization facility and improve the energy consumption, saving about 20 million Yuan.

Decarburization; High-efficiency solvents; Energy conservation;Renovation

2020-04-21

李鵬程（1988-），男，陜西省渭南市人，工程師，碩士學(xué)位，2013 年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）油氣儲運工程專業(yè)，研究方向：工藝研究設(shè)計及管道完整性管理。

TE08

A

1004-0935（2020）09-1132-04