基于软件模拟的天然气醇胺法脱硫脱碳工艺研究进展

肖荣鸽，庄 琦，王 栋，靳帅帅，王娟娟

（1.西安石油大学 石油工程学院 陕西省油气田特种增产技术重点实验室，陕西 西安710065；2.陕西省石油化工学校，陕西 西安710061）

国标“GB 17820-2018《天然气》”规定一类天然气总硫含量≤20 mg/m3、H2S含量≤6 mg/m3、CO2的物质的量分数≤3%。随着国家对天然气气质标准不断提高，对于进入长输管道的天然气标准从GB 17820-2012的一类、二类气质变化为GB 17820-2018的一类气质。新标准对天然气中总硫含量和硫化氢含量有了更高的要求，给天然气净化工艺带来了新的挑战。目前，国内天然气处理厂主要采用醇胺法，少部分采用砜胺法[1]。为使脱硫脱碳装置适应原料气气质条件和净化气气质标准的变化，需要对工艺进行优化，包括通过软件模拟进行预测，或通过实验获取数据来指导实际生产过程[2]，其中软件模拟预测因其具有很高的经济性而被广泛应用。

醇胺法的模拟较多基于Aspen Plus、Aspen HYSYS和ProMax等软件。各软件模拟脱硫脱碳过程时的优缺点及常用物性包如表1所示[3]。

表1 各软件模拟脱硫脱碳过程对比

大多数天然气净化厂现有的醇胺法脱硫脱碳工艺无法满足净化要求，急需进行工艺改进。为使各天然气净化厂的天然气产品满足标准“GB 17820-2018《天然气》”的要求，本文从醇胺法脱硫脱碳理论出发，综述基于软件模拟的工艺参数和流程的研究进展；从工艺参数优化出发，分析工艺参数对净化效果和能耗的影响以及研究者如何运用智能算法优化工艺参数；从工艺流程出发，分析三种工艺改进方案及其节能效果。最后从软件模拟角度提出优化工艺的思路和方法并进行展望。

1 醇胺法脱硫脱碳工艺

1.1 理论基础

醇胺化合物中同时包含羟基和胺基，其中羟基可以降低醇胺化合物的蒸汽压、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显碱性，增强其吸收酸性组分的能力。醇胺法脱硫脱碳中常见的吸收剂有：一乙醇胺（MEA）、二乙醇胺（DEA）、三乙醇胺(TEA)、二异丙醇胺（DIPA）、二甘醇胺（DGA）、甲基二乙醇胺（MDEA）和空间位阻胺等。其中MDEA因相对密度小、凝点低、饱和蒸汽压低、比热容小、可选择性脱除H2S且腐蚀性小、能耗低等优点被广泛使用[11]。国内的高含硫天然气净化厂主要采用MDEA溶剂或以MDEA为基础的配方型溶剂[12]。

各醇胺与H2S的反应均可认为是瞬时反应[13]；伯醇胺、仲醇胺因为存在活泼H原子，其与CO2反应的实质是CO2与醇胺中的活泼H原子的快速反应；而叔醇胺与CO2反应的实质是CO2先与醇胺溶液中的H2O反应，生成的酸与叔醇胺发生酸碱反应。在原料气中同时存在H2S和CO2时，MDEA与H2S的反应速率快于与CO2的反应速率，具有选择性脱除H2S的动力学基础[13,14]。各吸收剂与H2S和CO2的反应式如表2所示。

表2 醇胺吸收剂与H2S、CO2的化学反应式

1.2 常规工艺流程

常规的醇胺法脱硫脱碳工艺流程包括吸收、闪蒸、换热和再生四个部分[15]。原料气经入口分离器从吸收塔塔底进入，与自上而下的醇胺溶液反应脱除酸性组分，塔顶净化气经出口分离器进入脱水单元。塔底富液经降压阀到闪蒸罐脱除烃类气体，后经过滤器过滤与再生塔塔底的贫液换热升温后进入再生塔。再生塔内重沸器加热脱除富液中的酸性组分，塔顶酸气进入硫磺回收单元，塔底贫液进入换热器。换热后的贫液经升压泵、冷却器和醇胺溶液泵进入吸收塔顶部完成循环。其中，由于醇胺溶液与H2S、CO2在低温高压下反应向右进行吸收酸性组分，在高温低压下反应向左进行解吸酸性组分，所以吸收部分尽可能在低温高压下进行，再生部分尽可能在高温低压下进行。工艺流程如图1所示。

图1 醇胺法脱硫脱碳工艺流程[16]

2 工艺参数优化

2.1 参数对天然气净化效果的影响

工艺参数可分为两类：原料气参数和操作参数。原料气参数包括原料气温度、压力、组分和处理量；其它参数均为操作参数，主要包括醇胺溶液循环量、浓度、组分、吸收塔和再生塔参数等。两者均会对天然气净化效果产生影响，并且原料气参数会引起操作参数变化。

随着气田的持续开发，实际生产过程中的原料气处理量在设计值的60%~100%的范围内变化，原料气压力逐渐降低，原料气酸性组分含量逐渐升高，且随原料气压力降低、酸性组分含量升高、处理量增大和温度升高，净化气酸性组分含量均增大[17,18]。操作参数主要包括醇胺溶液温度、压力、循环量和浓度、吸收塔塔板数等。当运用单一变量法分析操作参数对净化气酸性组分的影响时可以得出结论：在一定范围内，随着醇胺溶液循环量、醇胺溶液浓度、吸收塔塔板数的升高，净化气中的酸性组分含量均减少；随醇胺溶液温度的升高，净化气中的酸性组分含量增大[10,19,20]。

虽然上述参数都可以影响净化气，但在影响程度上有很大差别，并且各参数受能耗、设备腐蚀、溶液发泡等原因限制使得参数只能在有限范围内调整。目前主要通过敏感性分析得出各参数对净化气中H2S质量浓度（mg/m3）和CO2物质的量分数（%）的影响程度。常用的敏感性分析主要包括各参数的操作条件变化程度对净化效果的影响和正交实验两种方法[10,19]。通过敏感性分析找出影响天然气净化效果的关键参数，为后面运用智能算法优化关键参数做准备。

2.2 参数对能耗的影响

常规醇胺法脱硫脱碳工艺的能耗主要包括泵、溶液冷却器和再生塔的能耗。其中泵的能耗在扬程和传输介质确定后，主要与醇胺溶液循环量有关[18,21]，循环量越多，能耗越高；溶液冷却器能耗主要与原料气温度和循环量有关，原料气温度越高、循环量越多则能耗越高[22]。再生塔能耗包括重沸器和塔顶冷凝器能耗，主要与循环量、进塔温度、回流比和进塔压力有关，循环量越多、进塔温度越低、回流比越大、进塔压力越高能耗越高[21,23]。

由于再生塔能耗占总能耗比重最大，为了减少总能耗，研究者们考察了各参数对再生塔能耗的影响程度。卫浪等[24]基于二次回归正交试验得出各参数对重沸器能耗的影响程度依次为：再生塔进塔温度＞醇胺溶液循环量＞再生塔回流比。常学煜等[21]得出再生塔进塔温度越高，再生塔能耗越低；同时指出再生塔进口温度不能太高，必须满足再生塔收敛且与贫/富液换热器温度不交叉。

研究者通过软件模拟发现，由于原料气组分不同，各参数对总能耗的影响程度存在一定的变化，但大致上主要受醇胺溶液循环量、浓度和再生塔回流比等参数影响。刘瑾等[25]指出再生塔回流比和醇胺溶液浓度对总能耗影响明显。杜廷召等[26]得出醇胺溶液循环量、浓度、再生塔回流比对总能耗影响重大。商剑峰等[18]指出醇胺溶液循环量是影响总能耗的主要因素。

2.3 参数优化算法

以总能耗为目标函数、净化气酸性组分为约束条件，对关键参数进行优化，可以在满足天然气气质标准的前提下，降低流程总能耗，提高经济性。李奇等[27]基于HYSYS软件开发了与MATLAB的接口程序，通过在MATLAB软件中编写遗传算法（GA）优化程序调用HYSYS工艺模型来优化工艺参数。辜小花等[28]基于现场大量数据，建立了能反映实际过程的无迹卡尔曼滤波神经网络动态模型，并通过非支配性排序遗传算法获取了最优操作参数。闫龙[29]运用粒子群优化BP神经网络结合遗传算法优化方法，优化了醇胺溶液循环量和吸收塔塔板数，使得净化气中酸性组分降低，单位能耗降低10.35%。薛勇勇等[30]引入层次分析法考察了净化效果、初始投资费用、操作费用、有效能损失和填料塔高度5个指标，对原9组方案进行多目标综合评价，得出合成权重的最优方案。梁平等[3]利用HYSYS自带的SQP优化算法对醇胺溶液循环量、浓度以及原料气温度、压力进行了优化，得出最优参数方案。

3 工艺流程优化

通过“三环节”[31]、“三箱”[32]或“三环节”-“三箱”组合[33]等用能分析方法，可以分析天然气脱硫脱碳工艺流程中各个单元的用能状况，对常规的工艺流程进行优化。商丽[20]运用黑箱方法得出流程中再生塔能耗占总能耗的90%以上；常学煜等[21]得出在醇胺溶液循环量小的情况下，再生塔能耗占总能耗的98.48%。可知再生塔能耗在整个脱硫脱碳工艺中占比很大。为此，国内外科研人员提出采用热泵方案和半贫液方案降低再生塔能耗以及压能回收方案等改进措施来降低总能耗。

3.1 热泵方案

常规工艺流程中再生塔塔顶的酸气含有大量热量，但无法直接利用，通过直接压缩式热泵方案提高其流动温度，将塔顶酸气经压缩机升温至140°C后进入塔底的再沸器充当部分热源[34,35]，经空冷器降温、节流阀降压后进入回流罐分离，罐底的冷凝水回流至再生塔，罐顶的酸气进入硫磺回收单元。热泵方案不仅回收了再生塔塔顶酸气的潜热来减少再沸器蒸汽含量，还节省了冷却水[36,37]。直接压缩式热泵方案的工艺流程如图2所示。

图2 直接压缩式热泵方案的工艺流程[38]

3.2 半贫液方案

在原料气酸气分压较高时，将再生塔中富液解析部分酸气但未经重沸器深度解析的半贫液通过侧线送至吸收塔。该方案减少了再生塔塔底再沸器加热的醇胺溶液量，有效地降低了再沸器的热负荷。郭枭驰等[39]通过Aspen Plus软件模拟半贫液方案，相比常规脱硫脱碳工艺循环量减少了49%以上。若将75%的醇胺溶液采用半贫液方案，则再沸器能耗可减少25%[40]。尤其在净化高酸性原料气时半贫液方案被广泛应用。半贫液方案的工艺流程如图3所示。

图3 半贫液方案工艺流程[20]

3.3 压能回收方案

将吸收塔塔底富液出口的调压阀替换成液力透平泵，用富液压力驱动贫液循环泵旋转将压能转化为机械能，回收了塔底富液的压能，有效减少了贫液循环泵的输入功率。压能回收方案的工艺流程如图4所示。

图4 压能回收方案的工艺流程[38]

研究者基于软件对常规天然气脱硫脱碳工艺进行了模拟，指出再生部分是能耗的主要单元，也是节能的重点单元[38,41]。王正权等[41]基于PRO/II软件对热泵+压能回收方案、半贫液+压能回收方案两种组合节能方案进行模拟，热力学效率分别提升了5.23%和6.39%。李景辉等[38]基于HYSYS软件对热泵方案、半贫液和压能回收方案进行模拟，总能耗分别降低了4.80%、6.02%、2.04%。商丽[20]基于HYSYS软件分别对以上三种方案进行模拟，有效能分别提高了6.27%、9.99%、1.09%。可以看出以上各方案的节能效果依次为：半贫液方案＞热泵方案＞压能回收方案。

4 结语与展望

本文从醇胺法脱硫脱碳理论出发，综述了基于软件模拟的工艺参数和流程优化的研究进展；分析了工艺参数对净化效果和能耗的影响以及运用智能算法对工艺参数的优化；总结出工艺流程优化的三种方案的节能效果依次为：半贫液方案＞热泵方案＞压能回收方案。

在优化工艺参数时，由于各天然气处理厂原料气组成差异较大，需要脱除H2S和CO2的程度不同，故各天然气处理厂工艺参数有很大差异，且各参数对净化气和总能耗影响程度也有一定差异。在模拟酸性天然气脱硫脱碳时，需针对现场实际的原料气组分选择合适的醇胺吸收剂；运用现场数据，建立与之相适应的模型，并与现场数据对比验证模型的可靠性；进而对参数进行敏感性分析，找出对净化效果和能耗影响较大的关键参数并对其进行多目标优化，在满足净化气气质要求的前提下求出最优操作参数，减少总能耗，提高经济性。

在优化工艺流程时，通过用能分析方法对主要能耗单元进行改进，结合实际情况选择热泵方案、半贫液方案、压能回收方案或组合方案对工艺流程进行优化。除此以外，可运用先进的节能设备代替传统设备（如利用板翅式换热器代替贫富液常用的管壳式换热器或蛇管换热器）以及运用先进技术对现有设备进行优化（如利用夹点技术对换热网络进行优化）均可以有效地减少总能耗。

运用软件模拟醇胺法脱硫脱碳时还可从以下方面进行探索：（1）应用智能优化算法对现有醇胺法脱硫脱碳工艺进行多目标优化，获取最优操作参数；（2）对现有工艺进行参数优化后，需分析工艺参数与原料气处理量、酸性组分、压力等参数的适应性，以达到参数之间的最佳匹配。