提高MDEA溶液脱碳的单位脱除率

＊张 伍

（中海石油深海开发有限公司 广东 519000）

引言

随着全球对环境保护和可持续发展的重视日益加强，天然气作为一种清洁能源，其处理和利用过程中的脱碳环节愈发重要。脱碳，即从天然气中去除二氧化碳（CO2），不仅能提升天然气热值，也有助于加强管道和设备的保护，延长其使用寿命。目前，众多脱碳技术中，物理吸收法、化学吸收法和膜分离技术等被广泛应用，各自具有特定的优缺点。例如，物理吸收法通常用于高压和低CO2浓度的条件下，而化学吸收法适用于低压和高CO2浓度的情况。在这些方法中，使用MDEA溶液作为吸收剂的化学吸收法因其高效和较低成本而被广泛应用于天然气处理行业。MDEA溶液以其对CO2的高选择性和较低的再生能耗，在脱碳领域的应用研究中占据重要位置。

尽管MDEA溶液脱碳技术已被广泛采用，当前终端现行脱碳系统的CO2单位脱除率仍未达到理想水平，这导致了碳排放的增加、能源消耗以及运营成本的上升。因此，本文将基于终端项目的实际状况，深入探究影响MDEA溶液脱碳效率的关键因素，并提出有效的改进措施。

1.脱碳技术

(1)CO2脱除技术的发展

天然气处理过程中的脱碳是提高天然气质量和环境保护的关键步骤。近年来，CO2脱除技术经历了显著的发展，特别是在物理和化学吸收方法上的创新。在终端项目中，这种技术的应用非常显著，其中包括配置了大规模脱碳装置，有效地处理了大量的天然气中的CO2。这些进步不仅提高了脱碳效率，还减少了环境污染。

(2)MDEA溶液的脱碳机制

在众多脱碳技术中，使用MDEA溶液的方法因其高效性和成本效益而受到重视。MDEA，即甲基二乙醇胺，是醇胺法中的一种，属于物理化学吸收法。在终端项目的应用中，MDEA溶液在吸收塔中吸收原料气中的CO2气体，有效地从天然气中去除二氧化碳。这一机制的核心是MDEA溶液与CO2的高效反应，CO2首先在水中溶解形成碳酸（H2CO3），碳酸会电离成碳酸氢根离子（）和氢离子（H+），MEDA作为叔胺，与碳酸氢根离子反应，形成相应的盐类和水，反应方程式为：→R3NHCO3，其中R3N为MDEA（甲基二乙醇胺）的化学结构。MDEA的高选择性、低腐蚀性、较低的能量消耗以及较高的CO2吸收容量的特性，使得脱碳过程更加高效和环保。

(3)脱碳效率提升策略

提升脱碳效率是当前天然气处理行业的重要目标。高效的脱碳不仅提高天然气的质量，还有助于减少环境污染。在终端项目的例子中，通过对MDEA发泡问题的分析，找出了提升脱碳效率的关键策略。通过改进密封方式、调整温度参数和优化设备配置，可以有效地控制MDEA溶液的发泡问题，从而提高脱碳效率。

(4)存在的问题和挑战

脱碳技术的应用中，特别是在使用MDEA溶液进行CO2吸收时，面临着多项技术壁垒。这些挑战涵盖了MDEA溶液的化学选择性、效率、稳定性及其环境和经济影响。在脱碳过程中，若地下槽的密封性不足以导致外界空气渗透，或MDEA溶液的再生温度未得到适宜调控以维持其再生效率，以及换热器入口处滤器的选择精度不符合要求，这些情况均将导致MDEA溶液出现发泡现象，极大程度影响其脱碳效能。MDEA溶液的发泡问题不仅降低了脱碳效率，还可能导致操作上的困难，如溶液溢出和设备损坏。MDEA脱碳过程尤其在溶液再生阶段需要大量能源，这不仅增加了运营成本，还可能增加整个过程的碳足迹。优化能源消耗与经济性之间的平衡，处理使用后溶液中的化学物质和潜在的环境释放问题，是脱碳技术应用的关键。因此，为解决这一问题，本文深入分析MDEA溶液的化学性质，并在工艺设计上做出相应调整。

2.实验设计

(1)要因分析

为了识别和解决影响MDEA溶液脱碳效果的核心问题，首先对脱碳系统CO2脱除率问题进行调查、统计分析。该调查评估共涵盖500个数据，涵盖MDEA溶液脱除效果差、脱碳单元流程不稳定、设计与实际运行组分偏差、CO2含量测定色谱仪不准及其他监测项目。其中，通过对92次不合格点的统计分析，发现MDEA溶液脱除效果差的问题占比高达87%，是导致脱碳系统CO2脱除率低的主要问题。

图1 MDEA溶液脱除效果差问题排列图

基于以上的分析结果，进一步对“MDEA溶液脱除效果差”进行第二层分析，深入剖析MDEA溶液的哪一性质导致CO2脱除率低。第二层分析包含了80个数据点，涵盖MDEA溶液发泡、MDEA酸气负荷高、MDEA浓度配比低、MDEA损失量大以及其他项目，从调查结果发现，MDEA溶液发泡占导致脱除效果差的比例高达85%。因此，造成MDEA溶液脱除效果差的问题症结是“MDEA溶液发泡”。

(2)可行性论证

通过查阅终端脱碳系统历史运行数据（2019年7月至2020年3月）得知，在脱碳系统运行状况最佳状态下，系统运行稳定，CO2的脱除率能够达到70%以上，表明在理想条件下系统有着更高的性能潜力。在同类设施设备的对比分析中，通过与中海油同类设施设备对比，证实了终端MDEA脱碳系统在理论上具有达到或超过69%脱除率的潜能。

进一步为论证解决MDEA发泡问题的可行性，采用了预测分析方法。通过对MDEA溶液发泡问题解决程度的预测模型分析可得，当解决98%的MDEA溶液发泡问题时，脱碳系统的CO2单位脱除率可达到95%左右。同时，结合QHSE制度与风险矩阵，风险等级可控制在4以下，即风险可控。

3.原因剖析

(1)MDEA发泡问题分析

MDEA溶液发泡问题在脱碳系统中尤为关键，根据MDEA发泡影响因素关联图，有助于识别可能的原因和它们之间的相互关系。关联图表明，有七项末端因素可能导致MDEA溶液发泡，包括地下槽密封方式、生成软水设备流量参数、MDEA再生温度、MDEA选型、活性炭过滤器中活性炭更换周期、预冷器温度参数以及MDEA溶液换热器入口滤器精度。

图2 MDEA发泡影响因素关联图

(2)确认关键影响因素

PDCA管理方法，也称为德明环，是一种用于持续改进流程和产品的迭代管理技术。本文基于PDCA管理法的系统化方法来对7项末端因素进行逐项确认与验证。通过综合分析，实验最终确认了三个主要原因：地下槽密封方式的不适用可能导致外部空气进入，从而引发MDEA溶液发泡；MDEA再生温度的不适宜设置可能影响溶液的再生效率，进而影响CO2的吸收效果；MDEA溶液换热器入口滤器的精度选择不当可能导致杂质积累，进而影响整个脱碳过程。

4.改进措施及结果分析

(1)针对识别问题的改进策略

对于地下槽密封方式的不适用性，可以选择优化地下槽的密封方式，对地下槽密封方式进行了改造，通过连接仪表管使用氮气对地下槽进行小气量氮封，并增加了胺液净化装置，以消除系统中的稳态盐。对于MDEA再生温度参数不适用的问题，提高MDEA再生温度至100℃，同时保证了产生的热负荷能耗较低。针对MDEA溶液换热器入口滤器精度选择问题，可以从两个方面入手，一是避免溶液换热器再堆积杂质，二是清理溶液换热器中已堆积的杂质。

(2)改进措施的效果分析

改进方案实施后，对实施效果进行了跟踪检查，特别是测试了脱碳系统CO2单位脱除率，以评估每项措施的有效性。从图3方案实施前后目标值对比柱状图可以看出，改进方案实施后脱碳系统CO2单位脱除率为72.1%，高于目标值69%。

图3 改进措施实施前后目标值对比柱状示意图

为证实CO2单位脱除率提高结果的可信度，对改进方案实施后问题占比做二次分析，做出措施后MDEA溶液脱除效果差问题频数统计表，并绘制排列图，以明确主要症结是否得到解决。从图4的数据分析可见，MDEA溶液的发泡问题解决程度已达98.5%，不再构成主要症结。这一显著成果表明，采取的措施效果卓越，成功地解决了此前的主要问题。

图4 措施实施后MDEA溶液脱除效果差问题排列图

5.结语

本文围绕提高终端项目脱碳单元的CO2单位脱除率，通过对MDEA溶液脱碳效果的核心问题要因的一一排查，以解决MDEA发泡问题的可行性作为辅论，深入剖析了MDEA的发泡问题。通过实验最终确认了三个主要原因：地下槽密封方式的不适用可能导致外部空气进入，从而引发MDEA溶液发泡；MDEA再生温度的不适宜设置可能影响溶液的再生效率，进而影响CO2的吸收效果；MDEA溶液换热器入口滤器的精度选择不当可能导致杂质积累，进而影响整个脱碳过程。基于以上三个关键原因，提出对应的改进措施，并在措施实施后进行效果分析。结果表明，改进措施实施后，在对MDEA溶液发泡问题的处理上，其解决程度达到了98.5%。

随着文中提出的各项改进措施的逐步落实，终端脱碳系统将更加高效地降低二氧化碳排放量。未来，相关研究应继续关注脱碳技术的优化与创新，在提高脱碳效率的同时，降低能源消耗和运营成本，以确保可持续性发展。