高含CO2天然氣處理工藝研究

張 旭，胡 彪，梁金川

（云南能投天然氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司，云南 昆明 650000）

高含CO2天然氣處理工藝研究

張 旭，胡 彪，梁金川

（云南能投天然氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司，云南 昆明 650000）

商品天然氣中高含量CO2的存在，不僅影響天然氣的熱值，使天然氣技術(shù)指標(biāo)達(dá)不到要求，而且對(duì)管道也產(chǎn)生一定的腐蝕作用，降低管道的使用壽命，因此工業(yè)上對(duì)于高含CO2天然氣的處理十分重視。首先根據(jù)CO2含量對(duì)天然氣進(jìn)行分類，明確需要進(jìn)行脫碳處理的天然氣類型，并在介紹天然氣脫碳工藝選擇原則的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)介紹了活化MDEA法、膜分離法、變壓吸附法以及低溫分離法，并著重分析了上述各方法的工藝特點(diǎn)以及適用場(chǎng)合，為工業(yè)上脫碳工藝的選擇提供了一定的依據(jù)。

天然氣；高含CO2；脫碳工藝；MDEA法；膜分離法

隨著天然氣需求量的急劇增加，天然氣氣田的數(shù)量也不斷增多，高含CO2天然氣氣田不斷出現(xiàn)，例如我國(guó)吉林長(zhǎng)深氣田。二氧化碳的存在，不僅使管道腐蝕，而且高含量CO2會(huì)從整體上降低天然氣的熱值，而達(dá)不到商品天然氣的技術(shù)指標(biāo)[1]。近年來(lái)，隨著工業(yè)技術(shù)日新月異的發(fā)展，演化而來(lái)的脫碳流程眾多[2]，如何從眾多脫碳工藝中快速選取最佳的方案，是我國(guó)從事天然氣工業(yè)設(shè)計(jì)人員重點(diǎn)考慮的問(wèn)題，因此研究高含CO2天然氣脫碳工藝具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 含CO2天然氣分類

根據(jù)開采過(guò)程中CO2氣體所占的比重，可以分為四類含CO2天然氣[3]，由于CO2氣體含量不同，這四類天然氣的地面處理工藝以及商業(yè)用途各不相同。

（1）第一類：氣田開采過(guò)程中，采出氣中CO2含量占?xì)怏w總量的97%～98%，甲烷等輕烴組分所占比重極少，因此這類氣田被稱為CO2氣田，CO2為目標(biāo)氣，這類采出氣往往不需要進(jìn)去脫碳工藝進(jìn)行脫碳處理，而是經(jīng)過(guò)調(diào)壓之后直接回注至油藏進(jìn)行CO2驅(qū)油，例如吉林長(zhǎng)深4號(hào)井。

（2）第二類：采出氣中CO2含量小于3%，甲烷含量為92%以上。這類氣藏屬于優(yōu)質(zhì)的天然氣氣藏，這類采出氣接近商品天然氣的技術(shù)指標(biāo)，因此不需進(jìn)行脫碳處理，只需經(jīng)過(guò)水露點(diǎn)調(diào)控之后即可作為商品氣。例如長(zhǎng)嶺氣田登婁庫(kù)區(qū)塊采氣[4]。

（3）第三類：CO2含量為27%左右，甲烷等輕烴組分占70%左右，此類采出氣由于甲烷占主要部分，因此需要脫碳處理等提純甲烷，從而作為商品天然氣。例如長(zhǎng)嶺氣田營(yíng)城組火山巖氣層氣。

（4）第四類：另外一類含CO2天然氣為伴生氣，該類型氣的組分與驅(qū)油方式有關(guān)，例如CO2驅(qū)油和火燒油層驅(qū)油所產(chǎn)生的伴生氣不僅CO2含量高，而且波動(dòng)范圍很大，采出氣體組分復(fù)雜，因此該類型伴生氣處理工藝較為復(fù)雜。

2 含CO2天然氣處理

對(duì)于上述四類不同CO2含量的天然氣，后兩類必須進(jìn)行脫碳處理，由于脫碳方法的多樣性，建設(shè)天然氣脫碳裝置需要從為數(shù)眾多的方法中進(jìn)行選擇，來(lái)尋找效果最佳的脫碳工藝。下文介紹了天然氣脫碳工藝的選取原則并對(duì)比分析了常用的幾種脫碳工藝，進(jìn)行了工藝的適應(yīng)性分析[5]。

2.1 天然氣脫碳工藝選取原則

（1）外部工藝因素：主要包括原料氣的氣體組分，來(lái)氣溫度和壓力；凈化氣所要求的凈化度，凈化后的出氣溫度和壓力等[6]。

（2）脫碳方法的內(nèi)部因素：脫碳過(guò)程中的能耗問(wèn)題，脫碳過(guò)程中三廢的生產(chǎn)情況，設(shè)備類型等，這些內(nèi)部因素對(duì)工藝流程和設(shè)備直接相關(guān)聯(lián)。

（3）經(jīng)濟(jì)因素：主要是建立設(shè)備時(shí)的投資和脫碳過(guò)程中的操作成本。

2.2 天然氣脫碳工藝介紹

（1）活化MDEA法

傳統(tǒng)醇胺法脫碳裝置具有溶劑降解失效、設(shè)備腐蝕嚴(yán)重、溶液發(fā)泡等缺點(diǎn)，而MDEA是叔醇胺，分子中不存在所謂的“活潑”氫原子，不和CO2反應(yīng)而生成惡唑烷酮一類降解產(chǎn)物，因此基本上不存在化學(xué)降解問(wèn)題，另外，根據(jù)德國(guó)BASF公司的多年經(jīng)驗(yàn)，活化的MDEA裝置無(wú)嚴(yán)重的腐蝕問(wèn)題[7]。

圖1 兩段吸收/兩級(jí)閃蒸/氣提再生流程示意圖Fig.1 Scheme of two-stage absorption/ Two-stage flashing/gas stripping and regeneration

該脫碳工藝流程圖如圖1所示，該流程中MDEA溶液主要分為兩股進(jìn)入吸收塔，一股為從低壓閃蒸罐底部流出的半貧液，該液從CO2濃度較高的吸收塔中部進(jìn)入；另一股為從再生塔底部流出的貧液，該液從吸收塔的頂部進(jìn)入與CO2濃度較低的氣流充分接觸，從而進(jìn)一步降低氣流中的酸性氣體。吸收酸氣的富液離開吸收塔進(jìn)入閃蒸罐進(jìn)行連續(xù)降壓閃蒸，提純后的CO2氣體從低壓閃蒸罐頂部分離出來(lái)[8]。

（2）膜分離法

膜分離法的基本原理是天然氣中的各個(gè)組分在壓力作用下因通過(guò)分離膜的相對(duì)傳遞速率不同而得以分離[9]。該方法采用一級(jí)膜分離裝置，擬將油井產(chǎn)出氣中40%～90%的二氧化碳濃縮到90%以上，將濃縮后的二氧化碳回注到油藏，把殘余氣經(jīng)燃?xì)獍l(fā)電機(jī)發(fā)電再收集尾氣用作煙道氣驅(qū)。流程圖如圖2所示。

為了降低對(duì)膜的破壞作用，原料氣進(jìn)行膜分離之前，依次經(jīng)過(guò)管道過(guò)濾器（L101-A）、旋風(fēng)分離器（D-102A）、高效過(guò)濾器（D-102B），有效除去氣體中夾雜的機(jī)械雜質(zhì)、較大的水滴和油滴以及細(xì)小的固體顆粒及水霧和油霧，此時(shí)原料氣中已經(jīng)不存在液態(tài)水和油滴。但是為了避免在分離過(guò)程中由于冷凝作用使得部分水蒸氣液化，停留在膜表面，大大降低膜的分離效果，因此在高效過(guò)濾器之后需要經(jīng)過(guò)U型加熱器（E-103），控制原料氣的露點(diǎn)。經(jīng)過(guò)前處理后的氣體，在入膜分離之前，仍然需要再一次經(jīng)過(guò)過(guò)濾器（L-101B），保證入膜氣中不含機(jī)械顆粒。氣體經(jīng)過(guò)一段膜分離器組（M105A1-3）的分離后，滲透氣（二氧化碳濃度大于90%）去壓縮機(jī)，進(jìn)行運(yùn)輸回注。尾氣進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)前的緩沖罐用來(lái)燃?xì)獍l(fā)電。

圖2 膜分離流程圖Fig.2 Scheme of membrane separation process

（3）變壓吸附法

該工藝的基本原理是根據(jù)吸附劑對(duì)原料氣中不同組分的氣體在不同壓力下的吸附速率和吸附率不同進(jìn)行的，在一定的壓力下能選擇性吸附某些組分，并通過(guò)減壓脫吸被吸附的某些組份，從而使吸附劑獲得再生[10]。本方案擬采用變壓吸附法將油井產(chǎn)出氣中40%～90%的二氧化碳濃縮到90%以上，將濃縮后的二氧化碳回注到油藏，把殘余氣經(jīng)燃?xì)獍l(fā)電機(jī)發(fā)電再收集尾氣用作煙道氣驅(qū)。

流程圖如圖3所示。原料氣經(jīng)壓縮機(jī)調(diào)壓后開始進(jìn)入本裝置，進(jìn)行變壓吸附之前先經(jīng)過(guò)分離器出去氣體中夾雜的游離水，然后經(jīng)原料氣流量計(jì)計(jì)量后又經(jīng)閥1(A/B/C/D)進(jìn)人吸附塔，原料氣由吸附塔的下端進(jìn)入，通過(guò)填裝有吸附劑的填充裝置，進(jìn)行選擇性吸附。尾氣進(jìn)人緩沖罐，然后經(jīng)管道送入燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)。被吸附的CO2經(jīng)過(guò)減壓操作進(jìn)行脫吸附[11]。

圖3 變壓吸附流程圖Fig.3 Scheme of pressure swing adsorption process

（4）低溫分離法

低溫分離的原理是根據(jù)原料氣中各組分的相對(duì)揮發(fā)度的不同，利用冷凍制冷，在較低的溫度下降原料氣中的若干目標(biāo)組分冷凝下來(lái)，然后根據(jù)被冷凝的各組分的沸點(diǎn)不同，通過(guò)加熱蒸餾依次將各組分分離開[12]。代表性工藝主要是美國(guó)的Rayn-Holmes工藝。該工藝的優(yōu)點(diǎn)是分離效果好，適用范圍廣，但是由于制冷過(guò)程中能耗消耗較大，因此該工藝的操作成本較高。

2.3 天然氣脫碳工藝特點(diǎn)及適應(yīng)性分析

（1）活化MDEA 工藝。該工藝優(yōu)點(diǎn)是：酸氣溶解度高，并且對(duì)輕烴的溶解度低，性質(zhì)穩(wěn)定，無(wú)毒無(wú)害，能耗相對(duì)較低。然而該工藝的缺點(diǎn)是，工藝流程復(fù)雜，設(shè)備龐大，相應(yīng)的投資高，并且需要增加水露點(diǎn)控制設(shè)備[13]。

（2）膜分離法在分離過(guò)程中無(wú)化學(xué)污染、無(wú)腐蝕問(wèn)題、能耗低、占地小、易操作等優(yōu)勢(shì)。該工藝的缺點(diǎn)是分離膜極易遭到破壞，對(duì)原料氣的凈化度要求高，因此分離前的預(yù)處理復(fù)雜。

（3）變壓吸附工藝。該工藝優(yōu)點(diǎn)是：常溫操作，無(wú)腐蝕性介質(zhì)，操作成本低，甲烷損失率低，CO2提純度高。缺點(diǎn)是該工藝為了獲得高純度的CO2及較高的烴回收率，需要很多的吸附塔，設(shè)備投資費(fèi)用相對(duì)較大。

（4）低溫分離工藝。該工藝優(yōu)點(diǎn)是：適合于CO2含量較高以及注CO2波動(dòng)較大的情況。缺點(diǎn)是：設(shè)備投資費(fèi)用相對(duì)較大，能耗相對(duì)較高。

四種脫碳工藝的其他參數(shù)對(duì)比如表1所示。

3 結(jié)束語(yǔ)

脫碳工藝的優(yōu)選與采出氣中CO2含量密切相關(guān)，從經(jīng)濟(jì)的角度考慮，物理法要較化學(xué)法經(jīng)濟(jì)；當(dāng)CO2含量高時(shí)且需深度脫除CO2時(shí)，可選用合適的MDEA配方溶液法；對(duì)于高壓、高酸氣含量的原料氣，可以考慮膜分離法、物理吸收法或活化MDEA法。當(dāng)大量脫除CO2時(shí)，可選膜分離法+醇胺法可達(dá)到處理要求。

表1 四種脫碳工藝對(duì)比Table1 Comparison of four kinds of decarburization processes

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Research on Treatment Technology for Natural Gas With High CO2Content

ZHANG Xv，HU Biao，LIANG Jin-chuan
（Yunnan Energy Investment Group Co., Ltd. Natural Gas Industry Development Branch, Yunnan Kunming 650000，China）

The exist of CO2in natural gas, not only affects the calorific value of gas, making the index of natural gas technology can not meet the requirements, but also produces certain corrosion of the pipes, reducing the service life of the pipeline，so treatment of natural gas with high CO2content is given full consideration in the industry. In the article, natural gas is classified according to CO2gas content, the gas types that need decarburization process were point out. The principle for selecting gas decarburization process was introduced. And activated MDEA method, membrane separation, pressure swing adsorption method and low temperature separation process were mainly discussed, and then technological characteristics and application scope of above methods were emphatically analyzed, which could provide certain basis for choosing the decarburization process.

Natural gas; Carbon dioxide; Decarburization process; MDEA method; Membrane separation

TE 624

： A

： 1671-0460（2015）11-2697-03

2015-06-02

張旭（1988-），女，四川自貢人，2012年畢業(yè)于西南石油大學(xué)，研究方向：天然氣工程項(xiàng)目管理。E-mail：1060091370@qq.com。