天然气净化论文(改)
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天然气脱硫脱碳高压富液能量回收方法的研究与选择
Study and Choice for the method of high-pressured rich-liquid
energy recovery during natural gas desulfuration and
decarbonization.
Yudongwang 王遇冬
Xian Changqing Science and Technology Engineering Co. Ltd.
（西安长庆科技工程有限公司）
Shouzhiyang 杨守智
Shijiazhuang Haikuo Science and Technology Trading Co. Ltd.
（石家庄海阔科技贸易有限公司）
摘要：本文介绍了可用于天然气脱硫脱碳装置高压富液能量回收的三种液力透平结构特点和效率特性，剖析了第一代液力透平能量回收方式在工业应用中存在的问题，提出采用第二代液力透平增压泵的优点和可行性，并对两代技术应用效果进行了对比。
Abstract: this article introduces three structural characteristic and efficiency peculiarity
for hydraulicturbo, which is using for high-pressured rich-liquid energy callback during
natural gas desulfuration and decarbonization; anatomy the problem for the first generation
hydraulicturbo energy recovery method using in industrial applications; advance the advantage
and feasibility for using the second generation hydraulicturbo pressure increasing pump and
compare the applied effects for the two-generation technologies.
关键词：天然气 脱硫 脱碳 富液 液力透平 能量回收
Keywords: natural gas, desulfuration, decarbonization, rich-liquid, hydraulicturbo, energy
recovery
从天然气中脱除酸性组分的工艺称为脱硫脱碳，习惯上统称为天然气脱硫，有时也称为脱酸。目前，国内外报道过的湿法和干法脱硫方法有近百种。国内常用的天然气湿法脱硫方法是MDEA法和MDEA—环丁砜法等（1）。
MDEA法和MDEA—环丁砜法等脱硫装置的吸收塔通常在高压下操作，而汽提塔（再生塔）则在常压下操作。因此，需要用溶液循环泵（国内一般为离心泵）将汽提塔塔底的贫液加压至高压后进入吸收塔，故而泵的扬程高，功率大，甚至需要选用高压电动机驱动。
另一方面，离开吸收塔塔底的高压富液通常经液位调节阀节流后进入闪蒸罐。这样，就造成了高压富液压力能的浪费。如将高压富液通过液力透平进行能量回收，则电动机的驱动功率就可以降低很多（2）。下面结合国内外高压富液能量回收最新技术和MDEA法和2 MDEA—环丁砜法等天然气脱硫工艺进行研究比较，以供有关装置选择。
一 、高压富液能量回收透平的特点与选择
根据液力透平的结构不同，常用于脱硫高压富液能量回收的液力透平有以下三种：
1．反转泵透平（Reverse Running Pump Turbo，简称RRPT）
该设备是根据流体力学相似理论把离心泵的叶轮进行可逆式设计，其他部件与离心泵完全相同。按照RRPT扬程的不同又分为单级和多级反转泵透平，其效率一般不超过71％（反转泵透平的流量-效率曲线参见图1）(3)。如瑞士苏尔寿公司为石家庄化肥厂合成氨原料气热钾碱脱碳工艺设计制造的ZR150-3250卧式单流涡壳反转泵透平，流量为690m3/h，总扬程为1.3MPa,回收能量为202kW，回收效率为69％。该设备国外主要生产厂家有瑞士苏尔寿公司、日本新泻制作所等，国内生产厂家为沈阳水泵厂和上海第一水泵厂等。
(1gpm=0.227m3/h)
图1 “反转泵透平”流量-效率曲线
2．冲击叶轮式透平（Pelton Impulse Turbo，简称PIT）
与大型蒸汽轮机的结构相似，设有多个高压喷嘴，高压液体直接冲击叶轮旋转，将液体的高压能量转化成透平轴的旋转机械能输出，适合于高扬程，中小流量的工况使用，能量回收效率在80％以上（压力-效率曲线参见图2），应用3DCAD设计，CAM加工的“冲击叶轮式式透平”最高效率可达90％。如瑞士CALDER.AG公司为西班牙某海水反渗透淡化厂生产的RO-350-100-2型PIT,流量为407m3/h,有效压差为6.7MPa,回收能量为698kW,
回收效率为90％。该类设备主要由欧美厂家制造，例如瑞士CALDER公司的ERT系列产品。 3
(1bar=0.1MPa, 1psi=0.006895MPa)
图2 冲击叶轮式透平压力-效率曲线
3．“ 透平增压泵”(Hydraulic Turbo ChargerTM，简称HTC)
该设备把冲击叶轮式透平与离心泵完美地结合在一起，实现高压富液能量直接转换为低压贫液能量，透平叶轮直接驱动离心泵叶轮，离心泵转速自适应于透平转速，高速旋转，运行可靠，透平和泵的综合能量转化效率最高81％。该项技术由美国PEI公司在1988发明，并在世界许多国家享有专利权(4)，已有数千台应用于海水淡化能量回收、天然气净化能量回收、合成氨气体净化能量回收。从其流量—效率图（见图3）可以看出，透平增压泵的效率受流量变化影响较小。
(1gpm=0.227m3/h)
图3 液压透平增压泵流量-效率曲线
二、根据液力透平能量回收后传递方式的不同，能量回收分成两代技术
1．第一代技术
液力透平作为离心泵的第二驱动机实现能量转换，如图4所示。 4
1. 液力透平 2. 超越离合器 3. 电动机 4. 高压离心泵
图4 应用液力透平进行能量回收示意图
由图4可知，电动机为离心泵的第一驱动机，液力透平为离心泵的第二驱动机，只有在液力透平转数高于电动机转数时，超越离合器才啮合。这是目前国内如重庆天然气净化总厂的卧龙河天然气净化厂和化肥行业中一些厂家脱硫脱碳装置高压富液普遍使用的能量回收方式，其缺点是传递效率较低(5)。如上文所提石家庄化肥厂应用苏尔寿公司设计制造的透平能量回收系统，透平效率69％，电机效率93％，超越离合器效率95％，离心泵效率78％，能量回收总传递效率=69％×93％×95％×78％=47.5％。由于脱硫脱碳富液的压力和流量是经常变化的，富液中有时还夹带气泡，因而造成透平工作时经常脱离设计流量和压力工况，从而使透平转速和输出功率发生较大变化，超越离合器经常处于高速啮合和脱开工况，导致超越离合器经常损坏，难以修复。石家庄化肥厂二套装置采用美国生产的超越离合器和一套英国生产的3S超越离合器开车后都未到一年，就一直停用至今。据了解，国内其他多家安装能量回收透平的厂家，约有70％都是因此原因而停用。
此外，这种具有能量回收的离心泵是全扬程全流量多级高压离心泵，电动机和控制系统是高压大功率电气设备，透平和电动机联接的高速超越离合器多是国外进口产品，能量回收设备一次投资也较大。
2．第二代技术
应用透平增压泵把高压富液的能量直接转换成贫液的能量，再配一台小扬程全流量离心泵实现能量转换，如图5所示:
1. 电动机 2. 一级增压泵 3. 透平增压泵
图5 应用透平增压泵能量回收示意图
图5中透平增压泵与一级增压泵串联工作，分级提升贫液的压力，把贫液泵入脱硫吸5 收塔。电动机驱动的一级增压泵流量为全流量但是扬程却只有原来的40%--60%，所配套的电动机和电气控制设备负荷也相应减少为原来的40%--60%。透平增压泵采用单级高速冲击式液力透平直接驱动单级高速离心泵的叶轮，能量转换效率最高达81%。由于透平增压泵叶轮能自动适应透平叶轮的转速，受富液流量和压力的变化影响较小，使透平增压泵始终保持高效率。
此外，由于透平增压泵结构简单，转动部件少，没有机械密封、滚动轴承、超越离合器和润滑系统，因而运行安全、可靠，故障率极低，噪音低，无泄露，绿色环保。透平增压泵与第一代透平助推能量回收方式相比，其投资小，资金回收期短，这项第二代能量回收技术，目前正在海水淡化、天然气净化和化肥厂气体净化等工程领域得到广泛应用。
三、应用两代能量回收技术对天然气脱硫脱碳工艺进行改造的方案对比
现以国内某天然气净化厂脱硫脱碳装置为例。该装置采用MDEA溶液脱硫脱碳，高压富液经节流后进入闪蒸罐。如果分别采用两代能量回收技术进行改造，其效益分析见表1。
该脱硫脱碳装置的主要工艺参数如下：
天然气处理量：400×104m3/h
吸收塔压力：6.0MPa
原料气中CO2：5.73%（v） H2S：0.06%
净化气中CO2：≤3%（v） H2S：≤20mg/ m3
溶液循环量：136 m3/h
溶液循环泵：HPT-600,Q=136 m3/h（600gpm），配440kW电动机一台。
表1 某天然气脱硫脱碳装置采用两代能量回收技术方案对比 6 能量回收方案 采用透平增压泵进行能量回收 采用液力透平助推进行能量回收
吸收塔和泵机工作示意图
不设能量回收时，装置工艺技术参数 ☆脱碳塔排出高压富液流量 136 m3/h ☆密度1200kg/m3
☆高闪槽压力 0.4 MPa ☆高压富液压力 5.9 MPa
☆泵出口贫液压力 6.0 MPa ☆泵入口贫液压力 0.2 MPa
☆高压脱碳泵的型号HPT-600 Q136 m3/h 压力6.0MPa 水泵效率74%
☆配套电机理论使用的功率 580×136×1200/（3600×102×0.93×0.74）=375kW/h 电机的效率93%
能量回收改造后的工艺参数 ☆进入透平增压泵的高压富液流量136 m3/h
☆富液余压5.9-0.4=5.5 MPa
☆透平增压泵贫液流量136 m3/h
☆透平增压泵能量回收效率61%
☆透平增压泵的贫液增压值3.355 MPa
☆一级增压泵贫液流量136 m3/h
☆一级增压泵压力2.445 MPa，泵效率74%
☆配套电机 效率93%
☆配套电机理论电耗244.5×136×1200/（3600×102×0.93×0.74）=158kW/h ☆进入透平的富液流量136 m3/h
