天然气净化中选择性吸收技术研究

天然气净化中选择性吸收技术研究

高志强1李全龙2朱成刚3

1长庆油田分公司第一采气厂生产运行科陕西西安710000；

2长庆油田分公司第一采气厂第四净化厂陕西西安710000；

3长庆油田分公司陇东天然气项目部甘肃庆阳745000

摘要：当前，我国天然气生产中的原料气中含有大量的H2S、CO2等物质，给天然气净化企业的高效、稳定运行带来了不小的挑战。各采气净化企业对天然气净化技术的展开了多层面的探索，选择性吸收技术因此在经济效益、设备能耗等方面的优势，开始在净化企业被广泛应用。本文就天然气净化选择性吸收技术的基本原理作出实践性分析，并提出了天然气净化工艺选择性吸收的优化策略，将为天然气净化系统的高效、安全生产提供参考。

关键词：脱硫系统；模拟；优化

近年来，工业生产和居民生活对天然气为代表的新兴能源的需求进一步加大，天然气开采和储运总量的不足成为制约经济发展的一个重要内因。我国的含硫天然气生产比例攀升较快，对天然气的生产技术控制提出了更好的要求。原料气中的H2S、CO2的含量普遍较高，需通过对原料气的净化处理，来满足工艺生产和居民生活的需要。各采气净化企业对天然气净化技术的展开了多层面的探索，选择性吸收技术因此在经济效益、设备能耗等方面的优势，开始在净化企业被广泛应用。选择性吸收是在对原料气的处理中，吸收全部的H2S而仅吸收部分CO2，从而提高再生酸气的品质，降低净化装置的运行成本。

1.选择性吸收技术的基本原理

1.1选择性吸收的原理

原料气中的H2S、CO2都属于酸性物质，工艺上多选用MDEA及其配方溶液进行常温下的选择性脱硫处理。从这两种酸性物质的属性上而言，H2S属于质子酸，CO2属于受电子酸，这就导致H2S、CO2与MDTA溶液反应时的速率上存在着一定的偏差。原料气中的H2S与MDEA及其配方溶液的反应可视为质子传递反应，在近界面处液膜内极窄的表面即可可瞬间完成反应，并在界面和液相中达到平衡。而原料气中的CO2与MDTA溶液反应较为复杂，需在水的参与下CO2与MDTA溶液才发生液膜反应，这就导致CO2与MDTA溶液反应相对于H2S与MDEA溶液的反应速度较慢。

1.2选择性吸收的影响因素

在H2S、CO2与MDTA溶液反应原理的基础上开发了天然气胺法脱硫脱碳的工艺，其工艺流程是利用胺液来完成在加压和常温条件下对原料气中H2S等酸性气体的吸收，并在低压或升温条件下使被胺液吸收的酸性气体得以逸出。天然气胺法脱硫脱碳工艺再生的胺液可循环使用。天然气胺法脱硫脱碳的工艺装置的设备涵盖了再生塔、吸收塔、胺液闪蒸器、胺液贫富液交换器、胺液重沸器等诸多设备。胺法装置工艺流程中，其运行参数涉及到原料气流量、胺液循环量、吸收温度、吸收压力及吸收塔结构等。对相关运行参数的研究显示，气液比、溶液浓度、吸收塔板数对工艺运行的影响较大。以消泡剂的加注的方式可实现对选择性吸收能力的控制。

2.天然气净化工艺选择性吸收的优化策略

2.1气液比控制优化

根据HYSIS模拟可实现对天然气处理工艺流程的模拟，在正常工况条件设计下，通过对不同级别原料气工况的设定，可得到不同负荷条件下的对应气液比。净化脱硫工艺在气液比的模拟工况下发现（见表1），随着气液比的不断增加，装置吸收塔出口气体的H2S无显著变化，而出口气体中的CO2含量逐步增高。

表1SOR设计工况（正常运行工况设计条件）初始运行条件HYSIS模拟

这一变化表明MDEA及其配方溶液的选择性吸收能力得以增强。在同种工况条件下，工艺中原料气的处理符合越高，MDEA及其配方溶液的选择性吸收能力越强。

2.2溶液浓度控制优化

以C-101塔的溶液浓度控制为例，根据相关的设计参数，可通过改变进入塔内的半富液溶度，来实现对不同温度条件下对H2S、CO2选择性吸收差异的影响研究。MDEA及其配方溶液的浓度范围控制在35%-60%，入塔的半富液溶度控制在40±5℃，并设置不同浓度值的胺液及其入塔温度。分析发现，C-101塔的塔顶气体中的H2S气体含量随MDEA及其配方溶液的浓度变化而出现波动，并呈现反比趋势。C-101塔的塔顶气体中的CO2气体含量随MDEA及其配方溶液的浓度呈现先降后升的趋势，这一曲线的变化拐点出现在MDEA及其配方溶液的浓度41±1℃。MDEA及其配方溶液的浓度为42%时，随着浓度的降低C-101塔的塔顶气体中的CO2气体含量不断升高；MDEA及其配方溶液的浓度为45%时，随着浓度的升高C-101塔的塔顶气体中的CO2气体含量不断升高，

2.3溶液温度优化

在净化工艺的实际运行状况分析的基础上，对贫液的温度进行设置实现对不同工况条件下的模拟计算，实现对塔C-101、C-102塔顶出口气H2S、CO2的模拟。结果表明：贫胺液温度的变化，对C-101、C-102塔顶出口气H2S基本不产生影响；对塔C-101塔顶出口气CO2也基本不产生影响，而对对塔C-102塔顶出口气CO2产生影响，溶液选择吸收的能力越强，塔顶出口气中的CO2含量越低。

2.4吸收塔板数控制优化

在天然气的净化脱硫单元多采用两级脱硫塔，其中C-101为7块吸收塔板；C-102为11块吸收塔板。在优化调整中，C-102的塔板数控制在3层即可满足工艺的生产要求，脱硫后的湿净化气中的CO2含量随着塔板数减少而有所上升。分析结果表明，CO2增长率可在0.31%-0.42%左右。

综上所述，天然气净化企业的安全运行，是国民经济得以快速发展的根基，也是国家能源战略的重要支点。在天然气净化中选择性吸收技术的应用进程中，在对气液比控制、溶液浓度控制、溶液温度控制、吸收塔板数控制的优化中，应从设备、人才、工艺等方面有效整合，实现技术整合下的系统性构建，促进天然气净化企业的高效运行和生产。

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