含硫天然气脱硫工艺关键参数优化*

张勇，吴志虎，陈渝静

（西南油气田分公司a.蜀南气矿 四川 泸州 646000；
b.天然气经济研究所，四川 成都 610051）

天然气作为一种清洁能源，在优化我国能源结构的过程中扮演着十分重要的角色。我国从2010 年开始逐渐提高了天然气在能源结构中的比重，预计后期天然气的消费量将会呈现出逐渐升高的趋势[1-3]。我国的天然气资源储量十分丰富，而近年来新增勘探开发的气田中酸性气田的占比达到了50%以上，主要分布在四川盆地等区域[4-6]。据有关统计显示，我国目前已探明的酸性天然气资源储量在6×1012m3以上，能够为我国的能源安全提供可靠的保障。

天然气中含有的H2S 是一种有毒气体，不仅会对设备和管道等造成严重的腐蚀，还会对人体健康和生态环境造成一定的危害和污染，因此，必须对含硫天然气进行的严格的处理，以最大限度的降低H2S 的危害[7-10]。我国从2018 年起对商品天然气中H2S 等酸性气田的含量提出了更为严格的要求，国家标准GB 17820-2018《天然气》中一类天然气质量要求H2S 的含量≤6mg·m-3，而二类天然气质量要求H2S 的含量≤20mg·m-3。因此，国内众多天然气净化厂需要通过改进脱硫生产装置或工艺的操作来满足标准要求[11,12]，本文以中国石油某天然气净化厂的原料气为研究对象，采用Aspen HYSYS 软件对MDEA 法脱硫工艺的关键参数进行了优化，通过研究不同参数对净化气中H2S含量的影响，及时调整生产措施，为含硫天然气的高效净化处理提供一定的技术支持和参考。

1.1 原料气组分

脱硫实验用天然气原料气取自中国石油某天然气净化厂，其具体的组分含量见表1。

表1 原料气组分及含量Tab.1 Composition and content of feed gas

由表1 可见，原料气中CO2的含量为2.898%（小于3%），H2S 的含量为0.156%，属于低含硫天然气。另外，由于原料气中CO2的含量小于3%，天然气净化过程中只需考虑脱硫即可。

1.2 脱硫工艺模型

本文采用MDEA 法脱硫工艺对原料气进行脱硫实验，利用Aspen HYSYS 软件，选择Amine Pkg 物性方案和K-Eisenberg 热力学模型，建立了针对MDEA法的脱硫工艺模型。

1.3 脱硫装置

结合实验用原料气的组成、工艺模型和实际工艺过程，搭建了MDEA 脱硫装置，主要包括吸收塔、再生塔、重沸器、溶液循环泵、冷却器、冷凝器、贫富液换热器、原料气分离器、溶液过滤器、闪蒸塔以及净化分离器等。其中核心设备主要为吸收塔、再生塔和重沸器，主要承担吸收酸性气体和脱出酸性气体的功能。本文利用该脱硫实验装置和脱硫工艺模型，分别考察了吸收塔压力、贫胺溶液循环量、吸收塔塔板数、贫液温度、原料气温度和再生塔回流比等关键工艺参数对脱硫效果的影响，进而优选出适合目标原料气MDEA 脱硫工艺的最佳参数。

2.1 吸收塔压力优化

设定贫胺溶液循环量为100m3·h-1，吸收塔塔板数为20 块，贫液温度为40℃，原料气温度为20℃，再生塔回流比为1，在上述实验条件下，考察了吸收塔压力变化对净化气中H2S 含量的影响，结果见图1。

图1 吸收塔压力对净化气中H2S 含量的影响Fig.1 Influence of absorber pressure on hydrogen sulfide content in purified gas

由图1 可见，随着吸收塔压力的升高，净化气中H2S 的含量呈现出逐渐降低的趋势，当吸收塔压力达到3.5MPa 时，净化气中H2S 的含量即可以降低至7.95mg·m-3，再继续升高吸收塔压力至5MPa，净化气中H2S 的含量虽然仍能继续降低，但降低的幅度逐渐减缓。这是由于吸收塔压力越高，H2S 在MDEA溶液中的溶解度就越高，胺溶液对H2S 的吸附能力就越强。但是当吸收塔的压力过高时，不仅会增加装置能耗，还会对设备的承压性能产生影响，不利于现场实施。因此，综合考虑脱硫反应效果和实施能耗，推荐最佳的吸收塔压力为3.5MPa。

2.2 贫胺溶液循环量优化

设定吸收塔压力为3.5MPa，吸收塔塔板数为20块，贫液温度为40℃，原料气温度为20℃，再生塔回流比为1，在上述实验条件下，考察贫胺溶液循环量变化对净化气中H2S 含量的影响，结果见图2。

由图2 可见，随着贫胺溶液循环量的逐渐增大，净化气中H2S 的含量呈现出逐渐降低的趋势，贫胺溶液循环量由80m3·h-1增大至105m3·h-1时，净化气中H2S 的含量可由12.05mg·m-3降低至5.68mg·m-3，再继续增大贫胺溶液的循环量，净化气中H2S 的含量继续降低向幅度逐渐减缓。这是由于贫胺溶液循环量越大，贫胺溶液与H2S 气体的接触量增大，接触时间延长，能够促使MDEA 和H2S 的化学反应向右移，对H2S 的吸收效果更好。而综合考虑贫胺溶液的成本和脱硫效果，推荐最佳的贫胺溶液循环量为105m3·h-1。

图2 贫胺溶液循环量对净化气中H2S 含量的影响Fig.2 Effect of circulation amount of lean amine solution on hydrogen sulfide content in purified gas

2.3 吸收塔塔板数优化

设定吸收塔压力为3.5MPa，贫胺溶液循环量为105m3·h-1，贫液温度为40℃，原料气温度为20℃，再生塔回流比为1，在此条件下，考察吸收塔塔板数变化对净化气中H2S 含量的影响，结果见图3。

图3 吸收塔板数对净化气中H2S 含量的影响Fig.3 Influence of the number of absorption tower plates on hydrogen sulfide content in purified gas

由图3 可见，随着吸收塔板数的逐渐增加，净化气中H2S 的含量呈现出“先降低后升高”的趋势，当吸收塔板数为20 或21 块时，净化气中H2S 的含量均可降低至6mg·m-3以下，达到国家标准GB 17820-2018 中一类气的标准要求。另外，由上述结果还可以看出，在实际操作过程中，吸收塔板数的增加能够有效提高脱硫效果，但并不是塔板数越多越好，应该根据实际情况，选择合适的吸收塔板数，以最大限度的提高MDEA 法的脱硫效果。在综合考虑脱硫效果和投资成本的情况下，推荐适合本工艺的最佳吸收塔板数为20 块。

2.4 贫液温度优化

设定吸收塔压力为3.5MPa，贫胺溶液循环量为105m3·h-1，吸收塔塔板数为20 块，原料气温度为20℃，再生塔回流比为1，在此条件下，考察贫液温度变化对净化气中H2S 含量的影响，结果见图4。

图4 贫液温度对净化气中H2S 含量的影响Fig.4 Effect of lean solution temperature on hydrogen sulfide content in purified gas

由图4 可见，随着贫液温度的逐渐升高，净化气中H2S 的含量呈现出逐渐升高的趋势，即贫液温度越高，MDEA 法脱硫效果相对就越差。当贫液温度大于40℃以后，净化气中H2S 的含量就大于6mg·m－3，无法达到GB 17820-2018 标准中要求的一类气标准；
而当贫液温度低于40℃时，净化气中H2S 的含量虽可以小于6mg·m-3，但过低的贫液温度会增大流程中换热器的工作负荷，从而使整体运行成本增大。因此，综合考虑多方面的因素，推荐适合本工艺的最佳贫液温度为40℃。

2.5 原料气温度优化

设定吸收塔压力为3.5MPa，贫胺溶液循环量为105m3·h-1，吸收塔塔板数为20 块，贫液温度为40℃，再生塔回流比为1，在此条件下，考察原料气温度变化对净化气中H2S 含量的影响，结果见图5。

由图5 可见，随着原料气温度的逐渐升高，净化气中H2S 的含量呈现出逐渐升高的趋势，当原料气温度由10℃升高至40℃时，净化气中H2S 的含量可由3.05mg·m-3升高至15.23mg·m-3，升高了5 倍多。而当原料气的温度大于20℃以后，净化气中H2S 的含量大于6mg·m-3，同样无法达到GB 17820-2018标准中要求的一类气标准。因此，为提高脱硫效率，应尽可能的降低原料气的温度，但同时过低的温度可能会导致反应体系生成天然气水合物，影响反应效果。因此，推荐本工艺的最佳原料气温度为20℃，此时既可以达到良好的脱硫效果，又不会生成天然气水合物。

图5 原料气温度对净化气中H2S 含量的影响Fig.5 Effect of feed gas temperature on hydrogen sulfide content in purified gas

2.6 再生塔回流比优化

设定吸收塔压力为3.5MPa，贫胺溶液循环量为105m3·h-1，吸收塔塔板数为20 块，贫液温度为40℃，原料气温度为20℃，在此条件下，考察再生塔回流比变化对净化气中H2S 含量的影响，结果见图6。

图6 再生塔回流比对净化气中H2S 含量的影响Fig.6 Influence of reflux ratio of regeneration tower on hydrogen sulfide content in purified gas

由图6 可见，随着再生塔回流比的逐渐升高，净化气中H2S 的含量呈现出逐渐降低的趋势，但整体降低的幅度较小。当再生塔回流比由0.5 升高至1.3时，净化气中H2S 的含量可由5.89mg·m-3降低至5.54mg·m-3，均能满足GB 17820-2018 标准中要求的一类气标准。这是由于再生塔回流比越高，塔内气液传质的推动力就越高，从而能够促进H2S 等酸性气体的解吸，而再生塔底部的贫胺溶液就更容易达到再生的效果，使其能够吸收更多的H2S 气体，进而提高脱硫效果，有效降低净化气中H2S 的含量。但当再生塔的回流比增大到一定程度时，贫胺溶液的再生量提升幅度也会逐渐减缓，同时再生塔回流比越高，能耗相对也就越高。因此，在保证净化气中H2S含量满足标准要求的前提下，应尽可能的降低回流比，推荐适合本工艺的最佳再生塔回流比为0.8。

（1）目标原料气中H2S 含量为0.156%，属于典型的低含硫天然气，并且CO2含量也较低（2.898%），在天然气净化处理时需重点考虑脱硫措施。

（2）综合考虑天然气的脱硫净化效果以及处理成本等因素，推荐目标含硫天然气的MDEA 法脱硫工艺最佳参数为：吸收塔压力为3.5MPa，贫胺溶液循环量为105m3·h-1，吸收塔塔板数为20 块，贫液温度为40℃，原料气温度为20℃，再生塔回流比为0.8。采用此工艺条件脱硫处理后的天然气净化气中H2S 含量可降低至5.72mg·m-3，达到了国家标准GB 17820-2018 中一类天然气的质量要求。

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