Energy consumption analysis of sour natural gas purification unit based on HYSYS simulation
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摘要: 针对天然气净化装置处理含硫天然气时能耗较高的现状，依据某日处理50×104 m3天然气净化装置的净化工艺和操作参数，应用流程模拟软件HYSYS建立了含硫天然气净化装置工艺模型。基于该模型，分析了原料气中H2S的含量、醇胺吸收剂中MDEA的质量分数、贫液中H2S的负荷和脱水装置汽提气的流量等主要工艺参数对净化装置运行能耗的影响。结果表明：原料气中H2S含量升高，将增大脱硫装置的能耗，但对脱水装置的能耗没有影响；随着醇胺吸收剂中MDEA质量分数的提高，脱硫装置的能耗亦随之降低；增加脱水装置汽提气的用量，可降低脱水装置的能耗。根据各因素对净化装置能耗的影响，调节操作参数，可使净化装置的运行能耗降低12.8%。Abstract: Currently, the energy consumption of natural gas purification unit is high. In this paper, a process model for sour gas purification unit has been completed using HYSYS based on the purification process and operating parameters of a unit with 50×104 m3/d purifying capacity. The effect of main process parameters in the H2S content of feed gas, quality fraction of MDEA in hydramine, H2S's loading in lean gas and flowrate of stripping gas on the energy consumption of purification unit have been studied based on the model. The results show that if the H2S content of feed gas rises, the energy consumption of desulfurizing device will go up, dewatering device independent. With the increase of MDEA's quality fraction of hydramine absorbent rises, the energy consumption of the desulfurizing device will go down, and increasing the flowrate of stripping gas can decrease the energy consumption of the dewatering device. Contribution to the different factors to the purification unit, adjusting the running parameters can reduce the energy consumption by 12.8%.
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Keywords:
- sour natural gas /
- purification unit /
- HYSYS simulation /
- energy consumption analysis
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含硫天然气广泛分布于我国渤海湾盆地和四川盆地[1]，必须脱除H2S和过量的CO2气体，才能使用。目前，天然气净化工艺主要是甲基二乙醇胺（MDEA）溶液法脱硫和三甘醇（TEG）溶液法脱水[2]。含硫天然气中H2S含量高，致使天然气净化装置溶液循环量大，工艺流程复杂，能耗大[3]，因此，有必要优化影响净化装置能耗的主要操作参数和工艺流程，以降低运行能耗。
1. HYSYS建模与模型验证
1.1 净化工艺流程
某日处理50×104 m3天然气的净化装置，采用MDEA溶液吸收法脱除原料气（表 1）中的主要酸气成分（H2S和CO2），采用TEG溶液吸收法脱除水分。该净化装置的工艺流程（图 1）分两部分：其一，原料气经入口分离器去除游离的液体和夹带的固体杂质，进入脱硫吸收塔，在塔中与质量分数为42.8%的MDEA溶液逆流接触，脱除酸性组分；出脱硫塔的甜气经出口分离器后进入脱水塔，与塔中质量分数为99%的TEG溶液逆流接触，脱除气体中的过量水分，降低天然气露点；达到商品气标准的干气从脱水塔顶排出，输往天然气长输管网。其二，从脱硫和脱水吸收塔底出来的富液进入吸收剂再生系统，富液经过富液闪蒸罐，闪蒸出溶解在溶液中的烃类；再经贫富液换热器升温后进入再生塔；再生塔底出来的贫液经换热器和循环泵降温、升压后返回吸收塔顶，完成吸收溶液循环。
表 1 某净化装置含硫原料气的组成组分 体积分数% 组分 体积分数% CH4 95.100 CO2 0.180 C2H6 2.122 H2S 1.900 C3H8 0.431 N2 0.112 C4H10 0.123 H2O 饱和 C5H12 0.032 1.2 净化工艺HYSYS建模
基于上述工艺流程，应用HYSYS流程模拟软件建立MDEA脱硫和TEG脱水装置工艺模型。在流程模拟过程中，热力学模型的选择直接影响模拟结果的准确性。根据醇胺溶液酸气脱除工艺特点选择Amines Property Package模型，其包括两个醇胺体系的热力学模型：属于半经验热力学模型的Kent-Eisenberg模型[4]和基于严格的热力学机理模型的Li-Mather模型[5]。MDEA溶液吸收酸气的过程，选用更为严格的Li-Mather模型作为热力学模型；TEG脱水工艺过程，选用针对TEG-水体系建立的TST（Twu-Sim-Tassone）热力学模型[6]，可以精确模拟气液相平衡。
1.3 模型验证
根据净化装置的实际运行数据，将原料气、MDEA吸收溶液等相关工艺参数输入模型，调整模型参数，使输出的干气达到净化气气质的标准要求。将模拟数据与脱硫、脱水装置的实际运行数据（表 2、表 3）进行比较，结果表明：应用HYSYS建立的净化装置模型，可以准确、可靠地反映净化装置的实际运行状况。
表 2 脱硫净化装置实际运行数据与模拟数据的对比数据类型 甜气体积分数% 流量/(m3·h-1) 进口温度/℃ 出口温度/℃ 循环泵功率/kW CO2 H2S 吸收剂 再生酸气 富液 贫液 富液 贫液 运行数据 － － 9.497 549.7 38.1 122.9 80.0 77.7 55.0 模拟数据 0.104 19.7 9.490 543.8 38.7 122.9 80.0 76.5 52.2 表 3 脱水净化装置实际运行数据与模拟数据的对比数据类型 干气体积分数% 流量/(m3·h-1) 温度/℃ 循环泵功率/kW CO2 H2S 湿气 吸收剂 汽提气 湿气 干气水露点 吸收剂进吸收塔 贫液出口 运行数据 － － 20407 1.311 6.66 41.10 － 56.3 78.5 5.50 模拟数据 0.1039 19.7 20510 1.314 5.47 39.45 －35 56.3 78.8 5.49 2. 净化装置的能耗分析
2.1 原料气中H2S体积分数对净化装置能耗的影响
为充分脱除原料气中的H2S，脱硫装置需要更多的醇胺溶液，吸收剂循环量增加将直接引起再生塔和循环泵能耗增加，因此，H2S体积分数对脱硫装置的能耗影响明显（图 2）。出脱硫装置的天然气进入脱水装置，脱除天然气中的过量水分，控制商品气的水露点。脱水装置的能耗直接受脱水量的影响，脱水量越大，能耗越高。出脱硫塔顶的天然气水分已饱和，其含水量只受压力、温度及残余H2S体积分数的影响[7]。脱硫装置在稳定操作的条件下，出脱硫塔顶的天然气流量、压力、温度及残余H2S体积分数基本不变，其能耗基本不受H2S体积分数的影响（图 3）。
2.2 MDEA质量分数对脱硫装置能耗的影响
保持原料气流量、H2S体积分数及脱硫装置再生塔底贫醇胺溶液中H2S负荷不变，随着醇胺吸收剂中MDEA质量分数的增加，醇胺吸收剂的循环量逐渐减少，说明较高质量分数的MDEA溶液可以吸收更多的酸性气体。随着醇胺吸收剂循环量的减少，循环泵的功率随之降低，用于加热溶液升温的热量逐渐减少。因此，重沸器的加热负荷随溶液循环量的减少而降低，且其降低幅度逐渐减小（图 4）。
2.3 H2S负荷对脱硫装置能耗的影响
根据醇胺溶液气液相平衡数据[8]，随着贫液中H2S负荷的增加，需要更多的吸收剂循环量以使净化气质达到要求，吸收剂循环量升高，循环泵功率增加。贫液中H2S酸性气体负荷升高，再生塔中吸收剂再生过程所需热量减少，使热负荷随之降低（图 5）。
2.4 汽提气对脱水装置能耗的影响
保持进入脱水装置的天然气流量恒定，通过调节TEG溶液的循环量使净化气的含水量达到标准要求。在脱水装置再生器中，保持吸收剂再生温度204 ℃不变，分析脱水装置能耗受汽提气变化的影响（图 6）。随着汽提气流量增加，再生贫TEG溶液的质量分数不断提高。高质量分数的TEG吸收剂可以吸收更多水分，因此降低了为达到净化气水露点所需的TEG吸收剂的循环量，使溶液循环泵的能耗降低。再生器的加热量用于两部分：加热吸收水分使其蒸发并升高TEG溶液温度[9]，因脱除水量基本不变而溶液的循环量减小，故溶液再生过程的热负荷逐渐降低。随着TEG溶液质量分数的提高，所需汽提气越来越多。
3. 净化装置的优化
通过分析净化装置能耗的影响因素，确定调节净化装置的操作参数，以达到优化净化装置操作、降低操作能耗的目的。优化措施包括：①在净化装置原料气流量及组分稳定的条件下，提高MDEA溶液的质量分数，以吸收更多的酸性气体，从而降低吸收剂的循环量和脱硫再生塔的能耗；②增加脱水装置的汽提气，降低再生器的重沸器温度，降低TEG循环量，从而减少再生器所需的热量。对比优化前后净化装置的运行参数（表 4），优化后的净化装置单耗比优化前降低12.8%。
表 4 净化装置优化前后的运行参数对比对比项目 MDEA循环量/(kmol·h-1) MDEA质量分数% TEG循环量/(kmol·h-1) 优化前 340.20 42.80 11.85 优化后 278.53 44.41 10.14 对比项目 汽提气用量/(kmol·h-1) 再生器温度/℃ 净化装置单耗/(MJ·10-4m-3) 优化前 0.29 200.00 1957 优化后 1.10 185.41 1706 综上所述，基于含硫天然气净化装置的HYSYS工艺模型，分析原料气H2S体积分数及装置操作参数对净化装置能耗的影响，得出如下结论：
（1）原料气流量不变的条件下，H2S体积分数升高，脱硫装置能耗升高，但对脱水装置能耗无影响。
（2）脱硫装置的能耗随着吸收剂中MDEA质量分数的升高而降低；在保持吸收剂溶液MDEA质量分数不变的条件下，提高再生贫液中H2S的负荷，再生塔的热负荷减低，循环泵功率亦随循环液的减少而降低。
（3）汽提气用量对脱水装置的能耗影响明显，其用量增加将提高再生TEG溶液的质量分数，使吸收塔需要的溶液量降低，降低再生塔的热负荷。
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表 1 某净化装置含硫原料气的组成
组分 体积分数% 组分 体积分数% CH4 95.100 CO2 0.180 C2H6 2.122 H2S 1.900 C3H8 0.431 N2 0.112 C4H10 0.123 H2O 饱和 C5H12 0.032 
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表 1 某净化装置含硫原料气的组成
组分 体积分数% 组分 体积分数% CH4 95.100 CO2 0.180 C2H6 2.122 H2S 1.900 C3H8 0.431 N2 0.112 C4H10 0.123 H2O 饱和 C5H12 0.032
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表 2 脱硫净化装置实际运行数据与模拟数据的对比
数据类型 甜气体积分数% 流量/(m3·h-1) 进口温度/℃ 出口温度/℃ 循环泵功率/kW CO2 H2S 吸收剂 再生酸气 富液 贫液 富液 贫液 运行数据 － － 9.497 549.7 38.1 122.9 80.0 77.7 55.0 模拟数据 0.104 19.7 9.490 543.8 38.7 122.9 80.0 76.5 52.2
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表 2 脱硫净化装置实际运行数据与模拟数据的对比
数据类型 甜气体积分数% 流量/(m3·h-1) 进口温度/℃ 出口温度/℃ 循环泵功率/kW CO2 H2S 吸收剂 再生酸气 富液 贫液 富液 贫液 运行数据 － － 9.497 549.7 38.1 122.9 80.0 77.7 55.0 模拟数据 0.104 19.7 9.490 543.8 38.7 122.9 80.0 76.5 52.2
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表 3 脱水净化装置实际运行数据与模拟数据的对比
数据类型 干气体积分数% 流量/(m3·h-1) 温度/℃ 循环泵功率/kW CO2 H2S 湿气 吸收剂 汽提气 湿气 干气水露点 吸收剂进吸收塔 贫液出口 运行数据 － － 20407 1.311 6.66 41.10 － 56.3 78.5 5.50 模拟数据 0.1039 19.7 20510 1.314 5.47 39.45 －35 56.3 78.8 5.49
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表 3 脱水净化装置实际运行数据与模拟数据的对比
数据类型 干气体积分数% 流量/(m3·h-1) 温度/℃ 循环泵功率/kW CO2 H2S 湿气 吸收剂 汽提气 湿气 干气水露点 吸收剂进吸收塔 贫液出口 运行数据 － － 20407 1.311 6.66 41.10 － 56.3 78.5 5.50 模拟数据 0.1039 19.7 20510 1.314 5.47 39.45 －35 56.3 78.8 5.49
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表 4 净化装置优化前后的运行参数对比
对比项目 MDEA循环量/(kmol·h-1) MDEA质量分数% TEG循环量/(kmol·h-1) 优化前 340.20 42.80 11.85 优化后 278.53 44.41 10.14 对比项目 汽提气用量/(kmol·h-1) 再生器温度/℃ 净化装置单耗/(MJ·10-4m-3) 优化前 0.29 200.00 1957 优化后 1.10 185.41 1706
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表 4 净化装置优化前后的运行参数对比
对比项目 MDEA循环量/(kmol·h-1) MDEA质量分数% TEG循环量/(kmol·h-1) 优化前 340.20 42.80 11.85 优化后 278.53 44.41 10.14 对比项目 汽提气用量/(kmol·h-1) 再生器温度/℃ 净化装置单耗/(MJ·10-4m-3) 优化前 0.29 200.00 1957 优化后 1.10 185.41 1706
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