天然气脱碳工程的工艺流程和设备优化

来源：核心期刊咨询网时间：2018-06-22 11:1112

摘要：这篇天然气工程论文发表了天然气脱碳工程的工艺流程和设备优化，天然气预脱碳的系统改造, 从破土动工至一次性试车产出合格脱碳气近半年的时间, 各节点工作都按时完成, 整个过程无任何安全事故。论文介绍了多种天然气脱碳工艺。 关键词：天然气工程论文,天然

　　这篇天然气工程论文发表了天然气脱碳工程的工艺流程和设备优化，天然气预脱碳的系统改造, 从破土动工至一次性试车产出合格脱碳气近半年的时间, 各节点工作都按时完成, 整个过程无任何安全事故。论文介绍了多种天然气脱碳工艺。

　　关键词：天然气工程论文,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

　　推荐阅读：《天然气地球科学》(双月刊)属综合性、学术性刊物，其宗旨是评述天然气地球科学的研究进展，报道世界各国开发地壳中常规天然气的新理论、新技术、新方法，介绍我国天然气科技攻关和勘探新成果，促进我国天然气地质学学科的发展，推动我国天然气田的勘探与开发。

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