天然氣凈化裝置的能耗分析及優(yōu)化

薛 歡

（山西煤層氣（天然氣）集輸有限公司，山西 太原 030000）

天然氣為當(dāng)前生產(chǎn)和生活必不可少的能源，而且其在未來也是主要的能源。目前，我國所開發(fā)天然氣中的含硫成分較大，為保證其在使用過程中減少對環(huán)境的污染，需對天然氣進(jìn)行脫硫處理，具體通過脫硫裝置將天然氣中的二氧化碳和硫化氫氣體進(jìn)行消除處理。但是，當(dāng)天然氣中的硫化氫含量較高時對應(yīng)凈化裝置的能耗較高、工藝流程復(fù)雜，而且還會加劇對設(shè)備的腐蝕，間接增加了凈化成本[1]。本文重點對天然氣凈化裝置的能耗進(jìn)行分析，并針對性地提出降低能耗的措施。

1 天然氣凈化裝置能耗分析

1.1 工程概述

本文以某天然氣凈化廠為例開展研究，該凈化裝置所處理天然氣的含硫比例較高。經(jīng)測量，該天然氣中硫化氫的比例可達(dá)13%～18%，二氧化碳的占比可達(dá)8%～10%。目前，該天然氣凈化廠共包含有6 個聯(lián)合、12 個系列的天然氣凈化裝置，每年可凈化處理天然氣的總量可達(dá)120×108 m3。天然氣凈化裝置在實際工作中，2 個系列天然氣凈化裝置與1 個聯(lián)合天然氣凈化裝置相配合，主要工藝包括有兩列硫磺回收工藝、天然氣脫硫工藝、尾氣處理工藝、酸水汽提工藝和天然氣脫水工藝[2]。

該廠采用脫硫工藝基于兩級吸收的醇胺脫硫方法。該脫硫方法中所采用的級間冷卻技術(shù)可對二氧化硫進(jìn)行強(qiáng)化控制；采用固定床反應(yīng)水解工藝可增強(qiáng)對有機(jī)硫的脫除處理，從而在很大程度上降低天然氣中的含硫量。

1.2 凈化裝置脫硫工藝的能耗分析

在國家大力號召“節(jié)能減排”的理念下，節(jié)能降耗成為當(dāng)前企業(yè)降低生產(chǎn)成本從而間接提高經(jīng)濟(jì)效益的重要手段。對于天然氣凈化廠而言，可從凈化設(shè)備和凈化工藝兩個方面進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化處理。對于天然氣凈化廠而言，當(dāng)天然氣中的含硫量較高時對應(yīng)的工藝流程也相對復(fù)雜，對應(yīng)的凈化能耗也增加[3]。

相關(guān)數(shù)據(jù)表明，脫硫工藝單元為天然氣凈化廠整體能耗比例較高的單元。因此，最大程度地降低脫硫工藝單元的能耗可有效降低天然氣凈化廠的整體能耗。近兩年，本凈化廠中脫硫單元的工藝能耗如表1所示。

表1 凈化廠脫硫標(biāo)煤單元能耗分布kg/萬m3

如表1 所示，低壓蒸汽和機(jī)泵為凈化廠脫硫單元的主要能耗，該兩項能耗占比為整個脫硫工藝的92%。因此，主要從低壓蒸汽和機(jī)泵兩個方面著手降低整個脫硫工藝的能耗，具體從再生塔重沸器的蒸汽消耗量和胺液循環(huán)泵的能耗兩方面著手。

2 天然氣凈化裝置能耗優(yōu)化

影響天然氣脫硫單元能耗的因素眾多。因此，需通過實際狀況對可調(diào)變量進(jìn)行優(yōu)化控制，并以能耗為目標(biāo)函數(shù)得出能耗最低的工藝[4]。具體涉及到的可調(diào)變量包括有吸收塔的壓力、溫度，中間胺液泵流量、再生塔低貧胺液泵流量、貧胺液泵流量和重沸器蒸汽流量等。

總的來講，目標(biāo)函數(shù)的確定對于凈化裝置的能耗優(yōu)化尤為重要。如果簡單的通過脫硫單元進(jìn)行優(yōu)化，直接手段為降低溶液的循環(huán)量、減少低壓蒸汽和機(jī)泵的用電量，其帶來的直接影響為降低操作成本，但是對應(yīng)的可能導(dǎo)致脫硫效果不佳、天然氣產(chǎn)品質(zhì)量較差。因此，要綜合各方面的因素建立目標(biāo)函數(shù)[5]。最終通過判斷單位天然氣的能耗為目標(biāo)函數(shù)，重點決策變量如第103 頁表2 所示?；谶z傳算法得出上述5 個變量對應(yīng)處理單位天然氣能耗結(jié)果如表2所示。

表2 天然氣凈化工藝參數(shù)優(yōu)化方案及結(jié)果

如表2 所示，上述5 種相對較優(yōu)的方案中重沸器蒸汽流量和原料氣流量的差異較小。而且，1#方案對應(yīng)的處理單位天然氣的能耗最小。因此，在現(xiàn)場各方面條件允許的情況下，可以采用1#方案中各個關(guān)鍵參數(shù)的指標(biāo)對系統(tǒng)的控制，從而達(dá)到工藝參數(shù)優(yōu)化的目的，最終實現(xiàn)在保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時，消耗最低的能量。

在當(dāng)前生產(chǎn)任務(wù)的前提下，最終確定天然氣凈化裝置的最小能耗工藝如下：重沸器蒸汽流量為35.1 t/h；中間胺液泵流量為192.2 t/h；再生塔底貧胺液泵流量為433.9 t/h；貧胺液泵流量為184.0 t/h；原料氣體流量為12.5 t/h。

3 天然氣凈化裝置能耗驗證

將上述凈化工藝應(yīng)用于實際生產(chǎn)，對近一個月的能耗與采用原始凈化工藝對應(yīng)的能耗進(jìn)行對比。對比結(jié)果如下：

在近一個月的凈化生產(chǎn)中，采用原始凈化工藝平均每天處理單位天然氣的標(biāo)煤能耗為670.7 kg/萬m3原料氣；而采用優(yōu)化后的凈化工藝平均每天處理單位天然氣的標(biāo)煤能耗為631.5 kg/萬m3原料?？偟膩碇v，對天然氣凈化工藝優(yōu)化后，平均能耗降低約3.2%。

4 結(jié)論

天然氣為當(dāng)前生產(chǎn)和生活中主要的動力能源之一，但是天然氣中包含有二氧化碳和硫化氫等雜質(zhì)。其中，二氧化碳作為廢料會降低天然氣的質(zhì)量，而硫化氫會導(dǎo)致環(huán)境污染。因此，對天然氣脫硫操作是必不可少的。目前，針對天然氣脫硫裝置的主要問題在于能耗過大，本文重點對能耗進(jìn)行分析，并針對性地提出優(yōu)化工藝。

1）天然氣凈化裝置的主要能耗為低壓蒸汽的循環(huán)量和機(jī)泵的能耗，占脫硫單元能耗的92%以上。

2）以處理單元天然氣能耗為函數(shù)，以重沸器蒸汽流量、中間胺液泵流量、再生塔底貧胺液泵流量、貧胺液泵流量、原料氣體流量為變量，并基于遺產(chǎn)算法得出最佳工藝參數(shù)為：重沸器蒸汽流量為35.1 t/h；中間胺液泵流量為192.2 t/h；再生塔底貧胺液泵流量為433.9 t/h；貧胺液泵流量為184.0 t/h；原料氣體流量為12.5 t/h。

3）經(jīng)實踐驗證，采用優(yōu)化后的凈化工藝，平均能耗降低約3.2%。