花亦懷,劉倩玉,丁 御,唐建峰,尹全森,付生洪,周 凱
(1.中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司 技術(shù)研發(fā)中心,北京 100027;2.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院,山東 青島 266580;3.中海石油(中國(guó))有限公司 湛江分公司,廣東 湛江 524057;4.山東省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院有限公司,山東 濟(jì)南 250101)
哌嗪(PZ)活化N-甲基二乙醇胺(MDEA)法因具有吸收速率快、吸收容量大以及腐蝕性小等特點(diǎn)成為目前應(yīng)用最為廣泛的天然氣脫碳(CO2)方法[1]。隨著中國(guó)天然氣進(jìn)程的推進(jìn),越來(lái)越多的高含碳天然氣(CO2體積分?jǐn)?shù)大于10%)氣田[2]被探明。傳統(tǒng)的全貧液胺法脫碳工藝多用于要求深度脫碳的場(chǎng)合[3-4]。對(duì)于高含碳天然氣凈化處理,若采用傳統(tǒng)的全貧液胺法脫碳工藝,勢(shì)必會(huì)依靠增加吸收劑循環(huán)量來(lái)確保其凈化效果,其系統(tǒng)胺液再生熱量全由再沸器提供,因而脫碳裝置能耗大大增加[5],導(dǎo)致實(shí)際操作費(fèi)用顯著增加。近年來(lái),兩段吸收-兩段再生半貧液脫碳工藝[6]的提出及成功應(yīng)用成為解決裝置能耗大、運(yùn)行費(fèi)用高問(wèn)題的重要手段。半貧液脫碳工藝犧牲了貧液的脫碳效果,對(duì)再生塔余熱進(jìn)行充分利用,與傳統(tǒng)胺法脫碳工藝相比大大降低了再生能耗[7],節(jié)約了生產(chǎn)成本。
目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于半貧液脫碳工藝的研究多通過(guò)模擬手段對(duì)半貧液工藝的操作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化[8-10],對(duì)于胺液配方的研究?jī)H針對(duì)系統(tǒng)中的貧液部分進(jìn)行篩選[11-14],尚未有研究人員對(duì)半貧液工藝的半貧液對(duì)CO2的吸收性能展開(kāi)研究。而對(duì)系統(tǒng)中貧液、半貧液、富液進(jìn)行綜合分析,才能從根本上把握半貧液工藝下的胺液特性,開(kāi)發(fā)出適合半貧液脫碳工藝的高效節(jié)能的胺液配方,實(shí)現(xiàn)裝置的優(yōu)化運(yùn)行。因此,筆者針對(duì)某工廠半貧液脫碳工藝,采用吸收再生實(shí)驗(yàn)方法對(duì)系統(tǒng)中的貧液、半貧液吸收CO2性能及富液解吸CO2性能進(jìn)行綜合分析,優(yōu)選適用于半貧液工藝的PZ活化MDEA胺液配方,同時(shí)對(duì)優(yōu)選出的配方通過(guò)模擬進(jìn)行運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化,優(yōu)化脫碳裝置運(yùn)行,為工廠應(yīng)用提供依據(jù)。
半貧液脫碳工藝流程[15]中原料天然氣經(jīng)過(guò)氣-氣換熱器后進(jìn)入吸收塔,在吸收塔中首先與半貧液逆流接觸進(jìn)行CO2粗脫,再與貧液接觸反應(yīng)進(jìn)一步脫除其中的CO2,將CO2脫除至合格水平(體積分?jǐn)?shù)小于3%);吸收塔底部流出的富液經(jīng)過(guò)節(jié)流降壓進(jìn)入閃蒸分離器,閃蒸出富液中溶解的烴及少量的CO2后進(jìn)入再生塔上塔,再生塔上塔的熱源來(lái)自于再生塔下塔的蒸汽,塔頂分離器中的液體通過(guò)回流泵返回至再生塔,酸性氣體進(jìn)入排放處理系統(tǒng);再生塔上塔底部出來(lái)的半貧液分成兩股,其中一股通過(guò)半貧液循環(huán)泵加壓后進(jìn)入吸收塔中部與原料天然氣進(jìn)行反應(yīng),另一股半貧液進(jìn)入貧-富液換熱器,與再生塔下塔底部出來(lái)的貧液進(jìn)行熱量交換后進(jìn)入再生塔下塔,再次進(jìn)行再生,塔底出來(lái)的貧液經(jīng)冷卻增壓后返回吸收塔頂部循環(huán)使用。
本研究中所需的氣體與試劑如表1所示。
表1 實(shí)驗(yàn)氣體與試劑
2.2.1 吸收實(shí)驗(yàn)
貧液、半貧液吸收性能研究所用實(shí)驗(yàn)裝置、流程以及吸收性能分析指標(biāo)(吸收負(fù)荷L、吸收速率c)參見(jiàn)文獻(xiàn)[16]。
2.2.2 再生實(shí)驗(yàn)
對(duì)前期已有再生實(shí)驗(yàn)裝置及流程(見(jiàn)文獻(xiàn)[16])進(jìn)行改造,在原有超級(jí)油浴恒溫槽周?chē)吧戏桨?5%CO2+65%N2—The volume fractions of CO2and nitrogen in the mixture
多層B1級(jí)橡塑板,進(jìn)行絕熱保溫,并利用電能表(±0.001 kW·h)記錄整個(gè)再生過(guò)程中的電能消耗。
采用解吸率γ(%)(見(jiàn)文獻(xiàn)[17])和CO2相對(duì)再生能耗(Ed,kJ/kg)表征富液的解吸再生性能,其中CO2相對(duì)再生能耗(Ed)是指解吸過(guò)程中解吸能量消耗(即消耗的電能)與解吸出的CO2的質(zhì)量比,其計(jì)算公式如式(1)和式(2)所示。
(1)
(2)
式中,Qf為單位時(shí)間內(nèi)富液解吸所需的能耗,kJ/h;mCO2為單位時(shí)間富液解吸出的CO2質(zhì)量,kg/h;E為單位時(shí)間內(nèi)富液解吸所需的電能消耗,kJ/h;M為CO2的摩爾質(zhì)量,0.044 kg/mol;nCO2為單位時(shí)間富液解吸出的CO2的物質(zhì)的量,mol/h;Vf為單位時(shí)間富液解吸出的CO2體積,L/h;VSTP為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的1 mol氣體的體積,22.4 L;Tf為富液解吸溫度,K;TSTP為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的溫度,273.15 K。
2.2.3 酸解實(shí)驗(yàn)
取3 mL胺液樣品,利用強(qiáng)酸制弱酸的原理置換出貧液、半貧液以及富液中的CO2,并利用排水法將CO2收集,測(cè)出CO2體積,利用測(cè)得的CO2體積計(jì)算胺液的酸氣負(fù)荷,其實(shí)驗(yàn)裝置及流程詳見(jiàn)文獻(xiàn)[16]。
半貧液是指吸收了一定量CO2的胺液,其CO2吸收負(fù)荷約為富液的50%~70%。實(shí)驗(yàn)室通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法探究吸收性能時(shí),配置的胺液均為貧液,無(wú)法直接配置半貧液,因此,實(shí)驗(yàn)室模擬配置半貧液是通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法研究半貧液脫碳工藝需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。
針對(duì)某一特定操作參數(shù)下的半貧液脫碳工藝,其吸收溫度與再生溫度一定。無(wú)論哪種胺液,在吸收塔內(nèi)與原料氣的接觸時(shí)間一定,且在再生塔內(nèi)富液的停留再生時(shí)間也一定,因此筆者采取時(shí)間作為制備半貧液的指標(biāo)。為提高實(shí)驗(yàn)室模擬配置半貧液的速率,適當(dāng)對(duì)半貧液制備過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)化,因吸收過(guò)程與再生過(guò)程互為逆反應(yīng),因此將貧液吸收為富液后再生為半貧液的過(guò)程簡(jiǎn)化為貧液直接吸收至半貧液狀態(tài),同時(shí)為提高吸收速率,依據(jù)前期的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn),利用貧液在323.15 K下進(jìn)行吸收,并將原料氣換為純CO2。
為制備出貼合某工廠半貧液狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)室半貧液,筆者展開(kāi)了大量實(shí)驗(yàn)探究。首先對(duì)工廠半貧液進(jìn)行酸解實(shí)驗(yàn),得到每3 mL工廠半貧液酸解出的CO2為101 mL。然后利用工廠貧液100 mL,通入初始?jí)毫?.13 MPa的純CO2,在攪拌速率220 r/min、溫度323.15 K下進(jìn)行吸收實(shí)驗(yàn),探究吸收到半貧液狀態(tài)的時(shí)間。依照前期實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn),吸收到半貧液狀態(tài)時(shí)間在60~120 min之間,采用二分法逐步進(jìn)行吸收時(shí)間探索。探索實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。
表2 探索實(shí)驗(yàn)酸解結(jié)果
由表2可知,當(dāng)吸收時(shí)間為75 min時(shí),工廠貧液吸收CO2后胺液狀態(tài)與工廠半貧液狀態(tài)相近,因此后續(xù)采取吸收時(shí)間75 min為準(zhǔn),配制不同總胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)、不同胺液配比下的半貧液,以探究半貧液的CO2吸收性能。
利用Aspen HYSYS軟件Acid gas物性包,采用某工廠實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)建立模型,其氣源組成及模型主要設(shè)置參數(shù)如表3和表4所示。
表3 氣源組成
半貧液脫碳工藝中再生塔是兩段塔,上塔與下塔通過(guò)升氣管相連,上塔胺液無(wú)法流入下塔,僅允許下塔汽提蒸汽通過(guò)升氣管進(jìn)入上塔,為富液再生提供解吸所需熱量,再生后的半貧液從中部被全部收集排出。為仿真現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工藝流程,將再生塔分解為2個(gè)塔,再生下塔精餾塔的蒸汽從塔頂出去進(jìn)入再生上塔,以真實(shí)模擬現(xiàn)場(chǎng)工藝流程。利用Aspen HYSYS軟件建立的半貧液脫碳工藝模型如圖1所示。
對(duì)比模擬數(shù)據(jù)與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù),結(jié)果如表5所示。由表5可知,現(xiàn)場(chǎng)中控室顯示的凈化氣中CO2體積分?jǐn)?shù)為5.82135%,而建立的Aspen HYSYS工藝模型計(jì)算運(yùn)行后凈化氣CO2體積分?jǐn)?shù)為5.7618%,可見(jiàn)Aspen HYSYS模擬得到的凈化效果比工廠目前的凈化效果稍好,誤差為1.02%。因此,建立的模型可以較好地反映工廠實(shí)際運(yùn)行效果。
表4 模型主要設(shè)置參數(shù)
圖1 半貧液脫碳工藝模型
表5 模型準(zhǔn)確性驗(yàn)證
通過(guò)調(diào)研工廠目前實(shí)際運(yùn)行條件,采用氣質(zhì)條件為35%CO2+65%N2(體積分?jǐn)?shù))混合氣,在初始吸收壓力為3.13 MPa、攪拌速率220 r/min、貧液吸收溫度323.15 K、半貧液吸收溫度343.15 K、富液再生溫度343.15 K條件下,考察不同總胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)下貧液、半貧液對(duì)CO2的吸收性能以及富液再生性能,結(jié)果分別如圖2、圖3及圖4所示。
由圖2可知:隨著總胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,貧液對(duì)CO2的吸收負(fù)荷在反應(yīng)后期呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì);總胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%時(shí),貧液的吸收負(fù)荷明顯升高。其吸收速率也表現(xiàn)出類(lèi)似趨勢(shì),但在吸收的初始階段,總胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的貧液的吸收速率高于30%和50%的,其吸收速率整體也表現(xiàn)出類(lèi)似趨勢(shì),這是由于隨著總胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,水溶液中醇胺含量增加,與CO2的反應(yīng)量增加;但當(dāng)總胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)高后,溶液的黏度增加,阻礙了氣-液傳質(zhì),導(dǎo)致吸收速率降低,吸收量也隨之減少??偘焚|(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%和50%時(shí),反應(yīng)后期貧液對(duì)CO2的吸收速率較高,吸收負(fù)荷仍有上升的趨勢(shì),但實(shí)際工廠吸收塔中氣-液接觸時(shí)間較短,由反應(yīng)前 5 min 的吸收性能可知,總胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%時(shí)貧液對(duì)CO2的吸收負(fù)荷及吸收速率較高,因此貧液較優(yōu)的總胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%。
圖2 不同總胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)下貧液對(duì)CO2的吸收性能
對(duì)比圖2及圖3可知,半貧液對(duì)CO2的吸收負(fù)荷及吸收速率均小于同等總胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的貧液的吸收負(fù)荷及吸收速率,但半貧液脫碳系統(tǒng)中半貧液的循環(huán)量遠(yuǎn)大于貧液的循環(huán)量,因此半貧液對(duì)CO2的吸收性能同樣占據(jù)重要地位。由圖3可知:不同總胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)下半貧液對(duì)CO2的吸收負(fù)荷與吸收速率均呈現(xiàn)出隨著總胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加先增大后減小的趨勢(shì);當(dāng)總胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%時(shí)達(dá)到最大,與貧液對(duì)CO2的吸收性能趨勢(shì)基本一致。
圖3 不同總胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)下半貧液對(duì)CO2的吸收性能
由圖4可知:富液的CO2解吸率隨總胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加先升高后降低;總胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí),CO2解吸率最大,說(shuō)明此時(shí)富液最容易再生,總胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大,溶液黏度增加導(dǎo)致再生效果變差。同時(shí)還可知:當(dāng)總胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí)富液的CO2相對(duì)再生能耗最低;當(dāng)總胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)30%,其CO2相對(duì)再生能耗緩慢增加。半貧液工藝設(shè)計(jì)的目的就是為了降低能耗,降低運(yùn)行成本,因此CO2相對(duì)再生能耗越低代表消耗的蒸汽量越少,再生成本越小。因此,綜合考察富液的CO2解吸率及CO2相對(duì)再生能耗2個(gè)指標(biāo),在實(shí)驗(yàn)考察范圍內(nèi),總胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí)富液再生性能最好,其次為40%。
圖4 不同總胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)下富液的解吸再生性能
綜上所述,綜合考察半貧液脫碳工藝中貧液、半貧液的CO2吸收性能以及富液的CO2解吸再生性能,貧液及半貧液在總胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%時(shí)吸收性能較優(yōu),富液在總胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%及40%時(shí)的再生性能較優(yōu)。因此,優(yōu)選出40%為適宜的總胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)。
在總胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的條件下,改變主體胺液MDEA與活化劑PZ的質(zhì)量配比,在初始吸收壓力為3.13 MPa、攪拌速率220 r/min、貧液吸收溫度323.15 K、半貧液吸收溫度343.15 K、富液再生溫度343.15 K條件下,對(duì)貧液、半貧液的CO2吸收性能以及富液的解吸再生性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析,篩選較優(yōu)胺液配比,其結(jié)果如圖5、圖6、圖7及表6所示。
圖5 不同胺液配比下貧液對(duì)CO2的吸收性能
圖6 不同胺液配比下半貧液對(duì)CO2的吸收性能
圖7 不同胺液配比下富液的CO2解吸率(γ)
表6 不同胺液配比下富液的CO2相對(duì)再生能耗
由圖5可知:當(dāng)總胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)一定時(shí),隨著PZ質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,貧液對(duì)CO2的吸收負(fù)荷及吸收速率均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì);當(dāng)PZ添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)從1%增至3%時(shí),貧液初始吸收速率呈現(xiàn)上升趨勢(shì);當(dāng)PZ添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于3%時(shí),貧液吸收速率呈現(xiàn)下降趨勢(shì);PZ添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%或4%時(shí),貧液的吸收性能基本相同。在反應(yīng)初始的前 5 min,PZ添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)在3%至4%時(shí)貧液對(duì)CO2的吸收負(fù)荷及吸收速率明顯較高。綜上可知,少量添加PZ可以大幅提高貧液對(duì)CO2吸收速率,添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)在3%~4%之間較為適宜。
由圖6可知,當(dāng)總胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)一定時(shí),隨著PZ質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,半貧液對(duì)CO2的吸收負(fù)荷及吸收速率均先升高再降低。當(dāng)PZ添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)由1%增至3%時(shí),初始吸收速率呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。當(dāng)PZ添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于3%時(shí),吸收負(fù)荷及吸收速率呈現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì),與貧液吸收性能趨勢(shì)一致。結(jié)果表明,少量添加PZ可以大幅提高吸收速率,當(dāng)PZ添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)在3%~5%時(shí)較為適宜。由此可知,與貧液一致,半貧液較優(yōu)胺液配比為37%MDEA+3%PZ。
由圖7可知,隨著PZ質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,富液的CO2最終解吸率基本呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì),但總體相差不大,在8%~18%之間,從解吸速率來(lái)看,富液的再生性能由好到差順序?yàn)?8%MDEA+2%PZ、39%MDEA+1%PZ、37%MDEA+3%PZ、36%MDEA+4%PZ、35%MDEA+5%PZ。從最終解吸率看,再生性能由好到差順序?yàn)?9%MDEA+1%PZ、38%MDEA+2%PZ、37%MDEA+3%PZ、36%MDEA+4%PZ、35%MDEA+5%PZ。由表6可知,PZ質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時(shí)CO2相對(duì)再生能耗最高,PZ添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí)最低,當(dāng)PZ添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)3%后呈現(xiàn)緩慢增加趨勢(shì)。綜合考慮解吸速率、最終解吸率以及CO2相對(duì)再生能耗,在保證解吸性能的同時(shí)盡可能節(jié)約能耗,對(duì)于富液較優(yōu)的胺液配比為37%MDEA+3%PZ。
綜上所述,綜合不同胺液配比下貧液、半貧液的吸收性能以及富液的再生性能,篩選出較優(yōu)胺液配比為37%MDEA+3%PZ。
4.3.1 再沸器溫度
利用3.1節(jié)中建立的半貧液脫碳工藝模型,采用篩選出的較優(yōu)胺液配比37%MDEA+3%PZ,通過(guò)改變?cè)俜衅鳒囟纫愿淖儼胴氁憾卧偕鷾囟?,考察各設(shè)備能耗及凈化效果(凈化氣中CO2體積分?jǐn)?shù))隨再生溫度的變化,結(jié)果如表7所示。
表7 各關(guān)鍵設(shè)備能耗及凈化效果隨再沸器溫度變化
如表7所示,隨著再沸器溫度的升高,各設(shè)備能耗、凈化效果、再生下塔至上塔汽提蒸汽溫度和流量的變化趨勢(shì)不同。在391.15 K之前,上述變量的變化平穩(wěn)。當(dāng)再生溫度大于391.15 K時(shí),凈化效果驟降,再沸器負(fù)荷驟增。此時(shí),由于再生溫度較高,再生下塔至上塔的蒸汽溫度從356.15 K驟增至381.95 K,蒸汽流量從395.40 kmol/h升至875.50 kmol/h,再生上塔半貧液再生加強(qiáng),解吸出的CO2溫度高,從而導(dǎo)致CO2冷卻器能耗驟增。再沸器溫度從385.15 K增加到386.15 K時(shí),系統(tǒng)總能耗基本無(wú)變化,凈化氣中CO2體積分?jǐn)?shù)從3.867%降至3.709%,再沸器溫度從386.15 K增加到391.15 K時(shí),凈化效果基本不變,系統(tǒng)總能耗緩慢增加。因此,選擇較優(yōu)再沸器溫度為386.15 K。
4.3.2 吸收溫度
通過(guò)改變貧液吸收溫度,模擬凈化效果(凈化氣中CO2體積分?jǐn)?shù))的變化趨勢(shì),如圖8所示。
圖8 不同吸收溫度下貧液的凈化效果
因改變貧液吸收溫度時(shí),除貧液冷卻器負(fù)荷隨貧液吸收溫度降低稍有增加之外,其余設(shè)備能耗基本不變,因此整個(gè)系統(tǒng)中總能耗隨貧液吸收溫度的改變基本保持不變,因此僅對(duì)系統(tǒng)凈化效果隨貧液吸收溫度的變化進(jìn)行考察。由圖8可知,該工藝下由貧液、半貧液的CO2吸收性能共同決定吸收效果,當(dāng)只改變貧液吸收溫度時(shí),隨著貧液吸收溫度的升高,凈化效果越來(lái)越差,CO2體積分?jǐn)?shù)從3.77%增加到3.92%。貧液吸收溫度低于323.15 K時(shí),凈化效果變化較緩慢,高于323.15 K后變化較快??紤]到溫度的升高有利于增加吸收速率,為了滿足快速而大量地脫除CO2的要求,選擇323.15 K作為較優(yōu)的貧液吸收溫度。
半貧液的吸收溫度受進(jìn)入再生塔上塔的蒸汽溫度、胺液再生所需再生熱以及半貧液循環(huán)流量等因素制約,實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中無(wú)法直接調(diào)整,模擬過(guò)程中將吸收塔進(jìn)行單獨(dú)模擬,通過(guò)改變半貧液的吸收溫度,考察模擬凈化效果的變化趨勢(shì),旨在為實(shí)際生產(chǎn)時(shí)提供參考數(shù)據(jù),將半貧液吸收溫度控制在合理的范圍內(nèi),其結(jié)果如圖9所示。
圖9 不同吸收溫度下半貧液的凈化效果
由圖9可得,隨著半貧液吸收溫度的增加,凈化效果越來(lái)越差,因此半貧液吸收溫度應(yīng)盡量降低。但由于半貧液吸收溫度與再生上塔半貧液出口溫度一致,而再生上塔半貧液出口溫度取決于進(jìn)入再生塔上塔的蒸汽溫度、胺液再生所需的再生熱以及半貧液循環(huán)流量等,半貧液制約因素多,因此,半貧液吸收溫度控制較為復(fù)雜,工廠實(shí)際控制時(shí)需結(jié)合考慮再沸器溫度及再生熱等因素核算控制。
4.3.3 胺液循環(huán)總量
保持貧液、半貧液分流比不變,改變胺液循環(huán)總量,其關(guān)鍵設(shè)備能耗及凈化效果變化如表8所示。
由表8可知,保持貧液、半貧液分流比不變,隨著胺液循環(huán)量的增加,貧液循環(huán)量逐漸增加,半貧液循環(huán)量也逐漸增加,凈化效果越來(lái)越好;與此對(duì)應(yīng),貧液泵、CO2冷卻器、半貧液泵、再沸器、貧液冷卻器、溶液泵的能耗逐漸增加,余熱蒸汽量逐漸增加,凈化氣冷卻器負(fù)荷逐漸降低。當(dāng)胺液總循環(huán)量到達(dá)1350 m3/h時(shí),各設(shè)備耗能增長(zhǎng)趨勢(shì)逐漸變緩,將所有設(shè)備能耗相加后總體能耗增長(zhǎng)趨于平緩,而凈化氣中的CO2體積分?jǐn)?shù)在胺液總循環(huán)量1350 m3/h至1400 m3/h之間由4.867%降至2.760%,當(dāng)胺液循環(huán)量高于1400 m3/h,凈化效果基本保持穩(wěn)定。因此,以保證凈化效果滿足商品天然氣要求(CO2體積分?jǐn)?shù)小于3%)為前提,綜合考慮其凈化效果及各設(shè)備能耗,選擇1400 m3/h為較優(yōu)的胺液循環(huán)總量。
表8 各關(guān)鍵設(shè)備能耗及凈化效果隨胺液循環(huán)量變化
4.3.4 貧液、半貧液分流比
由表6和表7可知,在總設(shè)備能耗中再沸器負(fù)荷占據(jù)系統(tǒng)總能耗的主體地位,因此進(jìn)行貧液、半貧液流量?jī)?yōu)化時(shí),保持胺液循環(huán)總量不變,通過(guò)改變貧液及半貧液分流比,主要考察其凈化效果及再沸器負(fù)荷的變化,結(jié)果列于表9。
表9 不同貧液、半貧液分流比下再沸器負(fù)荷及凈化效果
由表9可得,隨著半貧液流量的增加,貧液流量的減少,凈化效果越來(lái)越差,而再沸器負(fù)荷越來(lái)越低。當(dāng)凈化效果滿足要求時(shí),較優(yōu)的胺液循環(huán)量配比為貧液循環(huán)量253 m3/h,半貧液循環(huán)量1147 m3/h,此時(shí),再沸器負(fù)荷處于較低水平。
筆者通過(guò)對(duì)PZ活化MDEA半貧液脫碳工藝進(jìn)行總胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)及配比篩選,并建立HYSYS工藝模型對(duì)較優(yōu)胺液配方的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,得到結(jié)論如下:
(1) 隨著總胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,貧液以及半貧液對(duì)CO2的吸收性能呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì),總胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%時(shí),兩者的吸收性能較好。富液的再生性能同樣呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),總胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí)性能最優(yōu),40%次之,兩者相差不大。綜合考慮貧液、半貧液對(duì)CO2吸收性能以及富液的再生性能,優(yōu)選總胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%。
(2) 總胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%、添加劑PZ的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%~5%時(shí),隨著PZ添加量的增加,貧液及半貧液對(duì)CO2的吸收性能先增大后減??;配比為37%MDEA+3%PZ時(shí)吸收負(fù)荷及吸收速率最大,富液的最終解吸率呈現(xiàn)逐漸增高趨勢(shì),CO2解吸速率38%MDEA+2%PZ時(shí)最大,CO2相對(duì)再生能耗隨PZ添加量的增加,先升高后降低又逐漸升高,配比為37%MDEA+3%PZ時(shí),能耗最小。綜合系統(tǒng)中貧液、半貧液對(duì)CO2吸收性能以及富液再生性能,較優(yōu)胺液配比為37%MDEA+3%PZ。
(3) 通過(guò)建立HYSYS半貧液工藝模型對(duì)較優(yōu)配方進(jìn)行工藝參數(shù)優(yōu)化,綜合考慮凈化效果及系統(tǒng)總能耗,得到較優(yōu)的工藝參數(shù)為再沸器溫度為386.15 K,貧液吸收溫度為323.15 K,較優(yōu)的胺液循環(huán)量為貧液循環(huán)量為253 m3/h、半貧液循環(huán)量為1147 m3/h。