作者:张毅
我国页岩气储量丰富,国家能源局发布的“页岩气十二五规划”提出,到2015年,初步实现规模化生产,页岩气产量达到65亿m3/a,页岩气的持续开发利用有利于缓解我国能源紧张的现状。页岩气从地层开采出来常常携带大量的酸性有毒气体,需要在处理厂进行净化达到相应的标准之后才能外输至下游用户。而页岩气田具有高产高压的特点,井口套压可达20 MPa以上,单井产量在6万~20万m3/d,因此处理厂的工作负荷压力很大。DEA属于仲醇胺,它的蒸气压低,蒸发损失小,由于其腐蚀性弱,溶液质量分数较高,使用的循环量较少,投资和操作费用低,因此,DEA在气体脱酸中应用非常广泛。
本文中以某页岩气田开采出的含硫化氢体积分数1.17%的页岩气为研究对象,进行DEA法脱硫工艺模拟分析,为气田的工艺设计等提供参考。
1 气体条件及模型建立
1.1气体性质
页岩气组分如表1所示,来气温度40CC,压力为5 MPa,流量215万m3/d。
由表1可知,页岩气中的硫化氢组分体积分数在1. 1%以上,达到340g/m3,远远超过GB 17820-2012《天然气》中二类气硫化氢含量小于20 mg/m3的规定。
1.2模型介绍
使用Aspen Hysys建立页岩气DEA脱硫模型,如图1所示。
流程主要包括2个部分:气体脱硫、DEA富液再生。含硫页岩气经过分离器从吸收塔底部进入吸收塔与塔顶的DEA贫液充分接触,页岩气中的硫化氢被DEA吸收,甜气从吸收塔顶输出去往脱水装置。塔底富含硫化氢的DEA富液溶液通过节流降压之后,进入闪蒸罐闪蒸出液体中的蒸气体,再与再生塔底部输出的高温贫液进行换热,进入再生塔再生,酸性气体从塔顶排出进行进一步处理,蒸馏后的富液变为贫液从塔底流出并与进入再生塔的富液换热后温度降低到60~ 70CC,贫液与补充水混合后经冷却、增压,从吸收塔顶部进入,这样就构成了一个循环的脱酸过程 本文中建立的DEA脱酸模型
吸收塔的塔板数取10块,塔板间距约为0.6 m,再生塔塔板取20块,塔顶进气温度为98℃。
2模拟分析
建立的DEA脱除硫化氢的工艺模型是否有效的一个重要指标为净化后的页岩气中硫化氢含量是否满足要求。另外,据统计表明,再生塔底的重沸器部分能耗可占到系统总能耗的80%以上,因此,重沸器的负荷是本文中模拟分析的另一重要指标。本文中采用单一变量分析方法,通过改变单个不同影响因素,综合考虑页岩气硫化氢脱除率和重沸器负荷大小变化。
2.1 吸收塔压力
页岩气流量215万m3/d,DEA的注入量为4 800 kg/min,吸收塔板数目设置为10,初始工作压力为4 600 kPa,再生塔板15个。改变吸收塔的工作压力,控制其他变量,得到硫化氢脱除率和重沸器负荷与压力间的关系,由图2可知,硫化氢脱除率和重沸器负荷均随压力的增大而增大,但二者的变化不大,当吸收塔压力提高了2.4 MPa时,硫化化则是先增大然后逐渐减小的趋势。因此,理论上增大吸收塔的塔板数可以有效地提高系统脱酸的能力并且达到减小能耗的目的,但是当吸收塔塔板设定为20个时,模型不再收敛,故最终选取19块吸收塔板。
2.2页岩气温度
页岩气进塔温度对脱硫率影响不大,但是对减少再生塔的功率消耗作用明显,由图3可知,随着页岩气温度的增加,重沸器负荷呈现先减小再增大的趋势,在64℃附近重沸器负荷最小。因此,从节约系统运行成本的角度来看,应优选出一个较优的进气温度以减少再生塔的能耗费用。
2.3吸收塔塔板数
吸收塔塔板数是吸收塔设计过程中一个重要的设计参数,通过初选吸收塔塔板数量得到硫化氢脱除率和重沸器负荷的变化结果。由图4可以看出,硫化氢的脱除程度随着吸收塔的增加呈现明显增加的趋势,且增大的幅度逐渐减小。重沸器负荷的变化则是先增大然后逐渐减小的趋势。因此,理论上增大吸收塔的塔板数可以有效地提高系统脱酸的能力并且达到减小能耗的目的,但是当吸收塔塔板设定为20个时,模型不再收敛,故最终选取19块吸收塔板。
2.4 DEA溶液循环量
DEA溶液循环量在很大程度上决定着页岩气脱酸系统的运营费用,循环量的合适选择显得尤为重要。初设进入吸收塔的DEA贫液温度为35℃,流量为234.1 m3/ h(单位已换算),吸收塔板数为10,通过改变DEA进量得到不同循环量对应的硫化氢脱除率和重沸器负荷。由图5可知,随着DEA循环量的不断增大,可有效提高硫化氢的脱除率,但是重沸器负荷几乎呈直线增长,因此,存在一个较佳的DEA循环量使经济效益最高。综合考虑,采用吸收塔压力4 600 kPa,循环量取234.1 m 3/h。
2.5 DEA质量分数
DEA溶液质量分数对脱酸效果和再生塔的重沸器能耗均有较明显的影响,如图6所示,硫化氢脱除效果随DEA质量分数增加而增强,重沸器负荷随DEA质量分数增大而增大的速度逐渐变大。因此,在选取DEA溶液质量分数时需综合考虑对二者的影响以选取较优的值,由图6可以得到,质量分数40%~50%的DEA溶液较为合适。
3结论
采用DEA脱酸法对某页岩气进行脱除硫化氢模拟分析,分别考虑吸收塔工作压力、页岩气进吸收塔温度、吸收塔塔板数、DEA溶液循环量以及DEA溶液的质量分数对建立的脱酸系统硫化氢脱除率和重沸器负荷的影响情况,得出结论。
(1)提高吸收塔工作压力可增大硫化氢脱除率,但同时再生塔的重沸器负荷也会相应增大,可适当提高吸收塔工作压力以提高脱酸效果。
(2)页岩气进塔温度对脱酸效果影响较小,但是提高页岩气的进塔温度可有效减少重沸器的工作负荷,且重沸器的工作负荷随着温度的增加呈现先减小后增大的趋势,因此,页岩气进塔温度应不超过65℃。
(3)吸收塔塔板数对页岩气的脱酸效果有显著影响,增大吸收塔塔板可大幅提高页岩气中硫化氢的脱除率。重沸器负荷随吸收塔塔板数的增大先增大后减小,但吸收塔塔板数不可太多,否则影响系统的收敛性能。
(4) DEA溶液的循环量对重沸器负荷的影响很大,因此,满足脱酸要求的前提下应尽可能减少DEA溶液的循环量,以达到减少再生塔能耗的作用。
(5)页岩气脱酸效果随着DEA溶液的质量分数的增加可显著提高,但是DEA溶液质量分数的升高也会显著增加重沸器负荷,因此,质量分数40%—50%的DEA脱酸溶液较为合适。4摘要:
为了研究DEA法在国内某页岩气的脱硫效果和规律,结合页岩气性质和DEA溶液的脱硫特性,建立了DEA法脱硫模型。利用该模型模拟了页岩气DEA法脱硫过程中的吸收塔工作压力和贫液循环量等参数的变化规律,对模拟结果进行分析,结果表明,可适当提高吸收塔工作压力以提高脱酸效果;提高页岩气的进塔温度可有效减少重沸器的工作负荷;吸收塔塔板数对页岩气的脱酸效果有显著影响;DEA溶液的循环量对重沸器负荷的影响很大;质量分数40%~ 50%的DEA溶液脱酸效果较好。