基于軟件模擬的天然氣醇胺法脫硫脫碳工藝研究進(jìn)展

　　摘要：為了滿(mǎn)足國(guó)標(biāo)“GB17820鄄2018《天然氣》”對(duì)天然氣凈化的要求，各天然氣處理廠從醇胺法脫硫脫碳工藝出發(fā)，結(jié)合理論基礎(chǔ)和常規(guī)工藝流程，基于軟件模擬分別從工藝參數(shù)和工藝流程兩方面進(jìn)行分析與優(yōu)化。綜述了基于軟件模擬的天然氣醇胺法脫硫脫碳工藝研究進(jìn)展;分析了工藝參數(shù)對(duì)凈化效果和能耗的影響，以及如何運(yùn)用智能算法通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)來(lái)平衡凈化效果與能耗的關(guān)系;歸納總結(jié)了目前常用的三種工藝改進(jìn)方案——熱泵方案、半貧液方案和壓能回收方案，并分析對(duì)比了三種方案的節(jié)能效果;提出了基于軟件模擬研究醇胺法脫硫脫碳工藝的建議。

　　關(guān)鍵詞：酸性天然氣;醇胺法;脫硫脫碳;軟件模擬;工藝優(yōu)化

　　國(guó)標(biāo)“GB17820鄄2018《天然氣》”規(guī)定一類(lèi)天然氣總硫含量≤20mg/m3、H2S含量≤6mg/m3、CO2的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)≤3%。隨著國(guó)家對(duì)天然氣氣質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)不斷提高，對(duì)于進(jìn)入長(zhǎng)輸管道的天然氣標(biāo)準(zhǔn)從GB17820鄄2012的一類(lèi)、二類(lèi)氣質(zhì)變化為GB17820鄄2018的一類(lèi)氣質(zhì)。新標(biāo)準(zhǔn)對(duì)天然氣中總硫含量和硫化氫含量有了更高的要求，給天然氣凈化工藝帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。

　　目前，國(guó)內(nèi)天然氣處理廠主要采用醇胺法，少部分采用砜胺法[1]。為使脫硫脫碳裝置適應(yīng)原料氣氣質(zhì)條件和凈化氣氣質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的變化，需要對(duì)工藝進(jìn)行優(yōu)化，包括通過(guò)軟件模擬進(jìn)行預(yù)測(cè)，或通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲取數(shù)據(jù)來(lái)指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程[2]，其中軟件模擬預(yù)測(cè)因其具有很高的經(jīng)濟(jì)性而被廣泛應(yīng)用。醇胺法的模擬較多基于AspenPlus、AspenHYSYS和ProMax等軟件。

　　大多數(shù)天然氣凈化廠現(xiàn)有的醇胺法脫硫脫碳工藝無(wú)法滿(mǎn)足凈化要求，急需進(jìn)行工藝改進(jìn)。為使各天然氣凈化廠的天然氣產(chǎn)品滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)“GB17820鄄2018《天然氣》”的要求，本文從醇胺法脫硫脫碳理論出發(fā)，綜述基于軟件模擬的工藝參數(shù)和流程的研究進(jìn)展;從工藝參數(shù)優(yōu)化出發(fā)，分析工藝參數(shù)對(duì)凈化效果和能耗的影響以及研究者如何運(yùn)用智能算法優(yōu)化工藝參數(shù);從工藝流程出發(fā)，分析三種工藝改進(jìn)方案及其節(jié)能效果。最后從軟件模擬角度提出優(yōu)化工藝的思路和方法并進(jìn)行展望。

　　1醇胺法脫硫脫碳工藝

　　1.1理論基礎(chǔ)

　　醇胺化合物中同時(shí)包含羥基和胺基，其中羥基可以降低醇胺化合物的蒸汽壓、增加醇胺化合物在水中的溶解度;而胺基可以使醇胺水溶液顯堿性，增強(qiáng)其吸收酸性組分的能力。醇胺法脫硫脫碳中常見(jiàn)的吸收劑有：一乙醇胺(MEA)、二乙醇胺(DEA)、三乙醇胺(TEA)、二異丙醇胺(DIPA)、二甘醇胺(DGA)、甲基二乙醇胺(MDEA)和空間位阻胺等。其中MDEA因相對(duì)密度小、凝點(diǎn)低、飽和蒸汽壓低、比熱容小、可選擇性脫除H2S且腐蝕性小、能耗低等優(yōu)點(diǎn)被廣泛使用[11]。

　　國(guó)內(nèi)的高含硫天然氣凈化廠主要采用MDEA溶劑或以MDEA為基礎(chǔ)的配方型溶劑[12]。各醇胺與H2S的反應(yīng)均可認(rèn)為是瞬時(shí)反應(yīng)[13];伯醇胺、仲醇胺因?yàn)榇嬖诨顫奌原子，其與CO2反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是CO2與醇胺中的活潑H原子的快速反應(yīng);而仲醇胺與CO2反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是CO2先與醇胺溶液中的H2O反應(yīng)，生成的酸與仲醇胺發(fā)生酸堿反應(yīng)。在原料氣中同時(shí)存在H2S和CO2時(shí)，MDEA與H2S的反應(yīng)速率快于與CO2的反應(yīng)速率，具有選擇性脫除H2S的動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)[13,14]。

　　1.2常規(guī)工藝流程

　　常規(guī)的醇胺法脫硫脫碳工藝流程包括吸收、閃蒸、換熱和再生四個(gè)部分[15]。原料氣經(jīng)入口分離器從吸收塔塔底進(jìn)入，與自上而下的醇胺溶液反應(yīng)脫除酸性組分，塔頂凈化氣經(jīng)出口分離器進(jìn)入脫水單元。塔底富液經(jīng)降壓閥到閃蒸罐脫除烴類(lèi)氣體，后經(jīng)過(guò)濾器過(guò)濾與再生塔塔底的貧液換熱升溫后進(jìn)入再生塔。再生塔內(nèi)重沸器加熱脫除富液中的酸性組分，塔頂酸氣進(jìn)入硫磺回收單元，塔底貧液進(jìn)入換熱器。換熱后的貧液經(jīng)升壓泵、冷卻器和醇胺溶液泵進(jìn)入吸收塔頂部完成循環(huán)。其中，由于醇胺溶液與H2S、CO2在低溫高壓下反應(yīng)向右進(jìn)行吸收酸性組分，在高溫低壓下反應(yīng)向左進(jìn)行解吸酸性組分，所以吸收部分盡可能在低溫高壓下進(jìn)行，再生部分盡可能在高溫低壓下進(jìn)行。

　　2工藝參數(shù)優(yōu)化

　　2.1參數(shù)對(duì)天然氣凈化效果的影響

　　工藝參數(shù)可分為兩類(lèi)：原料氣參數(shù)和操作參數(shù)。原料氣參數(shù)包括原料氣溫度、壓力、組分和處理量;其它參數(shù)均為操作參數(shù)，主要包括醇胺溶液循環(huán)量、濃度、組分、吸收塔和再生塔參數(shù)等。兩者均會(huì)對(duì)天然氣凈化效果產(chǎn)生影響，并且原料氣參數(shù)會(huì)引起操作參數(shù)變化。

　　隨著氣田的持續(xù)開(kāi)發(fā)，實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的原料氣處理量在設(shè)計(jì)值的60%~100%的范圍內(nèi)變化，原料氣壓力逐漸降低，原料氣酸性組分含量逐漸升高，且隨原料氣壓力降低、酸性組分含量升高、處理量增大和溫度升高，凈化氣酸性組分含量均增大[17,18]。操作參數(shù)主要包括醇胺溶液溫度、壓力、循環(huán)量和濃度、吸收塔塔板數(shù)等。

　　當(dāng)運(yùn)用單一變量法分析操作參數(shù)對(duì)凈化氣酸性組分的影響時(shí)可以得出結(jié)論：在一定范圍內(nèi)，隨著醇胺溶液循環(huán)量、醇胺溶液濃度、吸收塔塔板數(shù)的升高，凈化氣中的酸性組分含量均減少;隨醇胺溶液溫度的升高，凈化氣中的酸性組分含量增大[10,19,20]。雖然上述參數(shù)都可以影響凈化氣，但在影響程度上有很大差別，并且各參數(shù)受能耗、設(shè)備腐蝕、溶液發(fā)泡等原因限制使得參數(shù)只能在有限范圍內(nèi)調(diào)整。目前主要通過(guò)敏感性分析得出各參數(shù)對(duì)凈化氣中H2S質(zhì)量濃度(mg·m鄄3)和CO2物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)(%)的影響程度。常用的敏感性分析主要包括各參數(shù)的操作條件變化程度對(duì)凈化效果的影響和正交實(shí)驗(yàn)兩種方法[10,19]。通過(guò)敏感性分析找出影響天然氣凈化效果的關(guān)鍵參數(shù)，為后面運(yùn)用智能算法優(yōu)化關(guān)鍵參數(shù)做準(zhǔn)備。

　　2.2參數(shù)對(duì)能耗的影響

　　常規(guī)醇胺法脫硫脫碳工藝的能耗主要包括泵、溶液冷卻器和再生塔的能耗。其中泵的能耗在揚(yáng)程和傳輸介質(zhì)確定后，主要與醇胺溶液循環(huán)量有關(guān)[18,21]，循環(huán)量越多，能耗越高;溶液冷卻器能耗主要與原料氣溫度和循環(huán)量有關(guān)，原料氣溫度越高、循環(huán)量越多則能耗越高[22]。再生塔能耗包括重沸器和塔頂冷凝器能耗，主要與循環(huán)量、進(jìn)塔溫度、回流比和進(jìn)塔壓力有關(guān)，循環(huán)量越多、進(jìn)塔溫度越低、回流比越大、進(jìn)塔壓力越高能耗越高[21,23]。

　　由于再生塔能耗占總能耗比重最大，為了減少總能耗，研究者們考察了各參數(shù)對(duì)再生塔能耗的影響程度。衛(wèi)浪等[24]基于二次回歸正交試驗(yàn)得出各參數(shù)對(duì)重沸器能耗的影響程度依次為：再生塔進(jìn)塔溫度>醇胺溶液循環(huán)量>再生塔回流比。常學(xué)煜等[21]得出再生塔進(jìn)塔溫度越高，再生塔能耗越低;同時(shí)指出再生塔進(jìn)口溫度不能太高，必須滿(mǎn)足再生塔收斂且與貧/富液換熱器溫度不交叉。

　　研究者通過(guò)軟件模擬發(fā)現(xiàn)，由于原料氣組分不同，各參數(shù)對(duì)總能耗的影響程度存在一定的變化，但大致上主要受醇胺溶液循環(huán)量、濃度和再生塔回流比等參數(shù)影響。劉瑾等[25]指出再生塔回流比和醇胺溶液濃度對(duì)總能耗影響明顯。杜廷召等[26]得出醇胺溶液循環(huán)量、濃度、再生塔回流比對(duì)總能耗影響重大。商劍峰等[18]指出醇胺溶液循環(huán)量是影響總能耗的主要因素。

　　2.3參數(shù)優(yōu)化算法

　　以總能耗為目標(biāo)函數(shù)、凈化氣酸性組分為約束條件，對(duì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，可以在滿(mǎn)足天然氣氣質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的前提下，降低流程總能耗，提高經(jīng)濟(jì)性。李奇等[27]基于HYSYS軟件開(kāi)發(fā)了與MATLAB的接口程序，通過(guò)在MATLAB軟件中編寫(xiě)遺傳算法(GA)優(yōu)化程序調(diào)用HYSYS工藝模型來(lái)優(yōu)化工藝參數(shù)。辜小花等[28]基于現(xiàn)場(chǎng)大量數(shù)據(jù)，建立了能反映實(shí)際過(guò)程的無(wú)跡卡爾曼濾波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)模型，并通過(guò)非支配性排序遺傳算法獲取了最優(yōu)操作參數(shù)。

　　閆龍[29]運(yùn)用粒子群優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合遺傳算法優(yōu)化方法，優(yōu)化了醇胺溶液循環(huán)量和吸收塔塔板數(shù)，使得凈化氣中酸性組分降低，單位能耗降低10.35%。薛勇勇等[30]引入層次分析法考察了凈化效果、初始投資費(fèi)用、操作費(fèi)用、有效能損失和填料塔高度5個(gè)指標(biāo)，對(duì)原9組方案進(jìn)行多目標(biāo)綜合評(píng)價(jià)，得出合成權(quán)重的最優(yōu)方案。梁平等[3]利用HYSYS自帶的SQP優(yōu)化算法對(duì)醇胺溶液循環(huán)量、濃度以及原料氣溫度、壓力進(jìn)行了優(yōu)化，得出最優(yōu)參數(shù)方案。

　　3工藝流程優(yōu)化

　　通過(guò)“三環(huán)節(jié)”[31]、“三箱”[32]或“三環(huán)節(jié)”鄄“三箱”組合[33]等用能分析方法，可以分析天然氣脫硫脫碳工藝流程中各個(gè)單元的用能狀況，對(duì)常規(guī)的工藝流程進(jìn)行優(yōu)化。商麗[20]運(yùn)用黑箱方法得出流程中再生塔能耗占總能耗的90%以上;常學(xué)煜等[21]得出在醇胺溶液循環(huán)量小的情況下，再生塔能耗占總能耗的98.48%�？芍�再生塔能耗在整個(gè)脫硫脫碳工藝中占比很大。為此，國(guó)內(nèi)外科研人員提出采用熱泵方案和半貧液方案降低再生塔能耗以及壓能回收方案等改進(jìn)措施來(lái)降低總能耗。

　　4結(jié)語(yǔ)與展望

　　本文從醇胺法脫硫脫碳理論出發(fā)，綜述了基于軟件模擬的工藝參數(shù)和流程優(yōu)化的研究進(jìn)展;分析了工藝參數(shù)對(duì)凈化效果和能耗的影響以及運(yùn)用智能算法對(duì)工藝參數(shù)的優(yōu)化;總結(jié)出工藝流程優(yōu)化的三種方案的節(jié)能效果依次為：半貧液方案>熱泵方案>壓能回收方案。在優(yōu)化工藝參數(shù)時(shí)，由于各天然氣處理廠原料氣組成差異較大，需要脫除H2S和CO2的程度不同，故各天然氣處理廠工藝參數(shù)有很大差異，且各參數(shù)對(duì)凈化氣和總能耗影響程度也有一定差異。

　　在模擬酸性天然氣脫硫脫碳時(shí)，需針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的原料氣組分選擇合適的醇胺吸收劑;運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，建立與之相適應(yīng)的模型，并與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證模型的可靠性;進(jìn)而對(duì)參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，找出對(duì)凈化效果和能耗影響較大的關(guān)鍵參數(shù)并對(duì)其進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，在滿(mǎn)足凈化氣氣質(zhì)要求的前提下求出最優(yōu)操作參數(shù)，減少總能耗，提高經(jīng)濟(jì)性。在優(yōu)化工藝流程時(shí)，通過(guò)用能分析方法對(duì)主要能耗單元進(jìn)行改進(jìn)，結(jié)合實(shí)際情況選擇熱泵方案、半貧液方案、壓能回收方案或組合方案對(duì)工藝流程進(jìn)行優(yōu)化。

　　石油化工論文范例：論石油化工建筑的通風(fēng)空調(diào)節(jié)能措施

　　除此以外，可運(yùn)用先進(jìn)的節(jié)能設(shè)備代替?zhèn)鹘y(tǒng)設(shè)備(如利用板翅式換熱器代替貧富液常用的管殼式換熱器或蛇管換熱器)以及運(yùn)用先進(jìn)技術(shù)對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化(如利用夾點(diǎn)技術(shù)對(duì)換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化)均可以有效地減少總能耗。運(yùn)用軟件模擬醇胺法脫硫脫碳時(shí)還可從以下方面進(jìn)行探索：(1)應(yīng)用智能優(yōu)化算法對(duì)現(xiàn)有醇胺法脫硫脫碳工藝進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，獲取最優(yōu)操作參數(shù);(2)對(duì)現(xiàn)有工藝進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化后，需分析工藝參數(shù)與原料氣處理量、酸性組分、壓力等參數(shù)的適應(yīng)性，以達(dá)到參數(shù)之間的最佳匹配。

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　　作者：肖榮鴿1，莊琦1，王棟1，靳帥帥1，王娟娟2

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