FLNG脫酸工藝技術(shù)比選研究

李恩道，劉淼兒，尹全森

(中海石油氣電集團(tuán)技術(shù)研發(fā)中心，100028)

FLNG脫酸工藝技術(shù)比選研究

李恩道，劉淼兒，尹全森

(中海石油氣電集團(tuán)技術(shù)研發(fā)中心，100028)

天然氣脫酸工藝是浮式液化天然氣生產(chǎn)裝置(FLNG)的核心工藝之一。對(duì)于FLNG的脫酸裝置，面臨海上氣田高酸氣含量及海上浮式生產(chǎn)裝置的晃蕩等問(wèn)題，且甲板上部空間受限，要求裝置體積小、重量輕。因此，通過(guò)FLNG上部預(yù)處理工藝熱平衡計(jì)算及模塊體積、重量方面的比選研究得出，在原料氣中CO2含量在7%以?xún)?nèi)時(shí)，宜選擇單循環(huán)胺液脫酸工藝。對(duì)于更高酸氣含量的海上氣田，與半貧液脫酸工藝相比，膜分離加胺液脫酸方案重量輕，體積更小，是最佳的脫酸工藝。

浮式液化天然氣生產(chǎn)裝置; 脫酸工藝; 膜分離; 半貧液脫酸工藝

0 引 言

隨著世界天然氣需求的迅速增長(zhǎng)，天然氣產(chǎn)業(yè)不斷向深遠(yuǎn)海氣田延伸。浮式液化天然氣生產(chǎn)裝置(FLNG，又稱(chēng)LNG-FPSO)是近年來(lái)海洋工程界提出的，集海上天然氣液化、儲(chǔ)存、裝卸和外輸為一體的新型浮式生產(chǎn)裝置，通過(guò)與液化天然氣(LNG)船搭配使用，可有效實(shí)現(xiàn)海上天然氣田的開(kāi)發(fā)[1]。FLNG具有對(duì)海上氣田開(kāi)采投資成本低、開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)小以及便于遷移、安全性高等特點(diǎn)[2]。近十幾年來(lái)掀起了FLNG技術(shù)研究熱潮，幾個(gè)主要能源供應(yīng)商都加快了對(duì)FLNG的研究速度。目前,全球已有3艘FLNG訂單“落地”，處在籌劃和招標(biāo)階段的FLNG項(xiàng)目也不下數(shù)十個(gè)。荷蘭皇家殼牌石油公司首先落實(shí)了全球第一艘FLNG，馬來(lái)西亞國(guó)家石油公司先后有兩個(gè)FLNG訂單“落地”。加之FLNG應(yīng)用技術(shù)的進(jìn)一步成熟和部分FLNG項(xiàng)目前期工程設(shè)計(jì)的基本完成，F(xiàn)LNG項(xiàng)目上馬速度已經(jīng)明顯加快，F(xiàn)LNG市場(chǎng)井噴指日可待。

對(duì)于FLNG的脫酸裝置，海上氣田的高酸氣含量、FLNG的晃蕩、甲板上部空間限制等因素使得脫酸工藝需要適當(dāng)選用。本文通過(guò)比選研究，得出不同酸氣含量氣田的FLNG脫酸工藝選擇方案，可用于指導(dǎo)FLNG設(shè)計(jì)。

1 FLNG脫酸工藝選用原則

天然氣深度脫酸工藝是天然氣液化裝置中的核心工藝之一。為了避免酸性氣體在液化過(guò)程中凍堵和腐蝕LNG換熱器，天然氣在液化前必須將CO2、H2S氣體分別脫除至其體積分?jǐn)?shù)50 μL/L和4 μL/L以下[3]。陸上的天然氣液化裝置的預(yù)處理工藝發(fā)展比較成熟，通常采用醇胺法脫酸性氣體。但海上天然氣液化裝置將面臨更大的技術(shù)挑戰(zhàn)。

FLNG脫酸工藝的選擇要考慮以下因素。

(1) 酸性氣體含量。對(duì)于陸上液化裝置，井口產(chǎn)出的高酸氣的天然氣，一般會(huì)經(jīng)過(guò)海上FPSO、海上平臺(tái)或陸上終端預(yù)處理，到達(dá)液化工廠的CO2含量一般不超過(guò)3%。但在浮式天然氣液化裝置中，井口天然氣直接上船，預(yù)處理裝置可能會(huì)面臨處理高酸氣濃度的原料氣(大于10%)，所以FLNG脫酸工藝應(yīng)有足夠大的酸氣處理范圍。

(2) 海上晃蕩工況對(duì)塔器脫酸裝置的性能影響。大塔徑、高尺寸的塔器是浮式天然氣液化裝置上對(duì)晃動(dòng)工況影響最敏感的設(shè)備之一。胺法脫酸中塔器存在氣液兩相流動(dòng)，受晃蕩的影響，胺液自上而下流動(dòng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)偏流，如圖1所示，造成脫酸效果急劇下降，塔器高度越高，受晃蕩影響越大，因此，塔器不宜太高。

(3) 工藝熱負(fù)荷需求和FLNG燃機(jī)余熱匹配。在浮式天然氣液化裝置中，最理想的模式是采用FLNG上燃?xì)鉁u輪的廢熱來(lái)進(jìn)行脫酸溶液的加熱再生，一方面是為了有效能量平衡，提高裝置效率；另一方面是為了避免增加額外的加熱裝置，在船上的所有明火加熱燃燒裝置都是危險(xiǎn)源[4]。

(4) 占地面積、重量比。FLNG上部甲板面積有限，脫酸裝置的占地面積和重量直接影響FLNG的總體布置和經(jīng)濟(jì)性。

圖1 塔器晃蕩工況下液體流動(dòng)影響示意圖Fig.1 Influence of amine distribution in acid gas removal column under tilt or rocking condition

2 可選脫酸工藝

為避免海上晃蕩對(duì)胺法脫酸所造成的影響，一些公司提出了物理吸附的脫酸方法，即采用分子篩脫酸性氣體的方法。認(rèn)為這種方法可以避免胺法脫酸中塔器的氣液兩相流動(dòng)，減小脫酸裝置對(duì)船體晃蕩產(chǎn)生的影響。但研究表明，利用現(xiàn)有的分子篩材料脫CO2將會(huì)造成分子篩體積過(guò)于龐大、再生氣量過(guò)大等問(wèn)題[5]。所以，實(shí)際工程中不宜采用。

對(duì)于液化生產(chǎn)裝置，目前主要有三種可選脫酸工藝方案：一是傳統(tǒng)的胺液脫酸工藝；二是半貧液雙循環(huán)脫酸工藝；三是膜分離加胺液脫酸工藝。圖2～4是三種脫酸工藝的流程示意圖。

圖2 單循環(huán)胺液脫酸工藝原理圖Fig. 2 Conventional single amine circle acid gas removal unit (AGRU) scheme

圖3 膜分離+胺液脫酸工藝原理圖Fig. 3 Hybrid acid gas removal scheme with membrane separation and amine

圖4 半貧液脫酸工藝原理圖Fig. 4 Dual absorber AGRU scheme with semi-lean solution

本文將對(duì)以上三種脫酸方式進(jìn)行比選，得出不同氣田條件下最適合FLNG的脫酸方案。

從圖2～4可以看出，后兩種工藝都是基于常規(guī)的單循環(huán)胺液脫酸工藝基礎(chǔ)上的改進(jìn)，主要用于處理更大范圍的CO2含量。

3 脫酸方案比較

3.1 單循環(huán)胺法脫酸方案

理論上單循環(huán)胺法的脫酸能力也可以滿(mǎn)足酸氣含量超過(guò)10%的原料氣凈化要求。但與此同時(shí)產(chǎn)生兩方面問(wèn)題：一是需要非常大的再生熱負(fù)荷；二是大大增加脫酸塔填料層的高度，進(jìn)而增加塔器的高度，難以實(shí)現(xiàn)塔內(nèi)流動(dòng)均布，這也對(duì)工程實(shí)際提出了巨大的挑戰(zhàn)。

以200萬(wàn)噸/年的FLNG裝置為例，采用混合冷劑液化工藝時(shí)，其脫酸工藝設(shè)施的可用熱負(fù)荷平衡計(jì)算關(guān)系如圖5所示。不計(jì)入電站所用燃機(jī)的尾氣可回收余熱時(shí)，可用于脫酸單元的工藝用熱僅約34 MW，計(jì)入電站余熱回收后其脫酸單元可用余熱增加至約64 MW。

圖5 單循環(huán)胺法脫酸工藝處理能力與FLNG余熱匹配關(guān)系Fig. 5 Heat balance between FLNG waste heat and regeneration for single-stage amine process

從圖5可以看出，根據(jù)脫酸單元再生熱負(fù)荷的平衡關(guān)系，考慮FLNG上部的電站余熱回收，CO2的脫除能力接近8%。若不使用電站燃機(jī)的余熱，則系統(tǒng)的處理能力只有不到3%。上述計(jì)算在考慮晃蕩工況下增加胺液循環(huán)倍率時(shí)，脫酸能力還會(huì)有所下降。但方案二與方案三均需要在方案一的基礎(chǔ)上增加相關(guān)設(shè)備模塊，必然會(huì)增加脫酸單元的占地面積和重量，增加裝置投資，降低FLNG經(jīng)濟(jì)性。因此，建議對(duì)于原料氣中CO2含量在7%以?xún)?nèi)的情況，一般采用單循環(huán)胺法脫酸工藝。此時(shí)FLNG余熱回收熱平衡性較好，能源有效利用，且流程簡(jiǎn)單易于操作。對(duì)于CO2含量超過(guò)7%的工況，應(yīng)采用復(fù)合脫酸工藝(膜分離+胺法脫酸或半貧液脫酸工藝)。

即使酸氣含量小于7%，在FLNG上仍應(yīng)針對(duì)晃蕩工況對(duì)塔器內(nèi)件做一定的優(yōu)化。相關(guān)設(shè)備廠家資料顯示，若不改變陸上脫酸裝置的設(shè)計(jì)，在傾斜5°情況下，經(jīng)過(guò)脫酸塔器的CO2含量比設(shè)計(jì)值高出5倍。通過(guò)設(shè)置更適應(yīng)晃蕩的氣液分布器，加強(qiáng)傾斜狀態(tài)下的氣液均布性能，可使塔器恢復(fù)正常的脫酸性能保證。

3.2 膜分離+胺法脫酸方案

單級(jí)膜分離方案如圖6所示。膜分離方案利用滲透膜對(duì)不同介質(zhì)的的選擇性滲透原理進(jìn)行CO2和CH4的分離，CO2通過(guò)膜的速度快。因此，大部分CO2迅速穿過(guò)膜，并攜帶部分天然氣。剩余氣體CO2含量降至5%以下，達(dá)到胺法脫酸的處理范圍。通過(guò)膜分離的方法，可以處理原料氣中含有20%以上摩爾組分CO2的氣體，是胺法脫酸難以達(dá)到的水平。但膜分離的剩余氣中仍含有部分天然氣，原料氣中含有20% CO2時(shí)，單級(jí)膜分離會(huì)造成產(chǎn)品約10%的天然氣損失，同時(shí)原料氣還有一定的壓力損失。

圖6 單級(jí)膜分離原理圖Fig. 6 Single stage membrane separation scheme

為回收滲余氣中的天然氣組分，開(kāi)發(fā)了二級(jí)膜分離系統(tǒng)。含天然氣的高濃度CO2經(jīng)過(guò)壓縮后經(jīng)二級(jí)膜分離，將天然氣進(jìn)一步回收后返回原料氣系統(tǒng)。此方案增加了回收烴類(lèi)部分的壓縮功耗，但能夠大大減少原料氣的損耗。二級(jí)膜分離系統(tǒng)原理如圖7所示。

圖7 二級(jí)膜分離系統(tǒng)原理圖Fig. 7 Two stage membrane separation system scheme

圖8是一級(jí)、二級(jí)膜分離系統(tǒng)CO2脫除率與留烴量的性能曲線(xiàn)。從圖中可以看出，一級(jí)膜分離在CO2脫除率超過(guò)80%后留烴量迅速下降，將造成大量的原料氣損失。因此，一級(jí)膜分離系統(tǒng)不宜直接用于FLNG上的酸氣脫除。與之相比，二級(jí)膜分離系統(tǒng)在脫除CO2的過(guò)程中，始終保持較高的效率。即使脫除率超過(guò)90%，留烴量仍能保持在95%以上。

圖8 一級(jí)、二級(jí)膜分離系統(tǒng)CO2脫除率Fig. 8 CO2 removal rate of the single and two stage membrane separation system

值得注意的是，膜分離在酸氣含量高時(shí)CO2分壓大，脫除效率較高。而酸氣含量低時(shí)，脫除效率低，而且會(huì)伴隨著較大的原料氣損失，不經(jīng)濟(jì)。因此，膜分離方法一般只適用于高酸氣含量氣體的粗脫。經(jīng)粗脫后CO2含量在3%～5%的原料氣再進(jìn)入胺法脫酸系統(tǒng)進(jìn)行精脫，達(dá)到50 μL/L的技術(shù)要求。

目前在馬來(lái)西亞Kanowit氣田開(kāi)發(fā)的FLNG項(xiàng)目中脫酸系統(tǒng)由UOP公司供貨，就采用了本項(xiàng)膜分離+胺法脫酸技術(shù)。

3.3 占地面積和重量比較

FLNG工藝設(shè)施復(fù)雜，且上部空間有限，對(duì)各工藝模塊的占地面積和重量提出了更高的要求。因此，上部工藝選擇時(shí)應(yīng)盡量考慮體積小、重量輕的工藝系統(tǒng)。

以200萬(wàn)噸/年規(guī)模的FLNG為基礎(chǔ)，在原料氣中CO2含量達(dá)20%的條件下，通過(guò)FLNG上部工藝設(shè)施的基本設(shè)計(jì)，分別進(jìn)行了半貧液脫酸工藝、一級(jí)膜分離+胺法脫酸和二級(jí)膜分離+胺法脫酸系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)。其模塊重量和占地面積比較結(jié)果如圖9和圖10所示。

圖9 膜分離與半貧液脫酸系統(tǒng)模塊重量比較Fig. 9 Module weight comparison between hybrid scheme and dual absorber scheme

圖10 半貧液脫酸工藝與膜分離系統(tǒng)占地面積比較Fig. 10 Plot space requirements for hybrid scheme and dual absorber scheme

從圖9和圖10可以看出，半貧液脫酸系統(tǒng)由于具有兩套胺液循環(huán)系統(tǒng)，其系統(tǒng)設(shè)備總重量要比膜法脫酸工藝大出一倍以上，占地面積也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)膜分離+胺液吸收系統(tǒng)。就操作重量而言，由于半貧液脫酸工藝的半貧液循環(huán)量較大，系統(tǒng)胺液充裝量大，操作重量也較模塊凈重高出很多。膜分離系統(tǒng)中二級(jí)膜分離系統(tǒng)比一級(jí)膜分離系統(tǒng)增加了循環(huán)壓縮機(jī)和二級(jí)膜，因此，重量有所增加，但其在模塊中可分層布置，占地面積基本不發(fā)生大的改變。

除以上因素外，實(shí)際FLNG項(xiàng)目需考慮晃蕩工況的運(yùn)動(dòng)效果、原料氣中CO2和H2S的含量以及經(jīng)濟(jì)性等許多因素，最終確定最佳的脫酸工藝方案。實(shí)施前，還需要對(duì)各設(shè)計(jì)方案進(jìn)行海上晃蕩適應(yīng)性分析，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算或模型實(shí)驗(yàn)確定合適的胺液循環(huán)倍率，并通過(guò)優(yōu)化塔器的分配器結(jié)構(gòu)等加強(qiáng)系統(tǒng)的脫酸性能。

4 結(jié) 語(yǔ)

胺法脫酸仍是目前最為成熟的脫酸工藝，在原料氣中CO2含量在7%以?xún)?nèi)時(shí)，通過(guò)單循環(huán)胺液脫酸工藝，可直接將原料氣中CO2濃度降低至50 μL/L以下，是最佳的FLNG脫酸工藝技術(shù)。當(dāng)原料氣酸氣含量進(jìn)一步提高后，胺液再生熱負(fù)荷與FLNG上部工藝余熱不匹配，而且可能會(huì)帶來(lái)塔器過(guò)高而產(chǎn)生的海上適應(yīng)性問(wèn)題。此時(shí)，可采用膜分離加胺法脫酸工藝或半貧液脫酸工藝，但膜分離方案對(duì)CO2濃度適應(yīng)范圍寬，且在重量和體積方面更優(yōu)，是適合高酸氣含量氣田的最佳方案。

[1] 劉碧濤.船舶經(jīng)濟(jì)貿(mào)易一觸即發(fā)FLNG市場(chǎng)即將迎來(lái)“井噴”[EB/OL]. http:∥chinashipnews.com.cn/show.php?contentid=2623，2012.

[2] 顧安忠.液化天然氣技術(shù)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010:112-122.

[3] 邰曉亮，陳杰，尹全森，等.半貧液脫酸工藝應(yīng)用于浮式天然氣液化裝置中的可行性研究[J].中國(guó)海上油氣，2014，26(4)：96.

[4] Chan I, Eaton A, Buckles J. Safety-based acid gas treating system for a floating LNG plant [EB/OL].http:∥www.ivt.ntnu.no/ept/fag/tep4215/innhold/LNG conferences/2007/fscommand/PO_21_Buckles_s.pdf, 2009.

[5] Meyer P B. Floating LNG unit drying or CO2removal: how molecular sieve designs can answer to amine unit performance [C].GPA Europe Conference,2009.

ComparisonandSelectionofDeacidificationTechnologiesforFLNG

LI En-dao, LIU Miao-er, YIN Quan-sen

(Research&DevelopmentCenterofCNOOCGas&PowerGroup,Beijing100028,China)

Acid gas removal process is one of the most important processes for floating liquefied natural gas system(FLNG). For FLNG project, it may have to treat the natural gas from offshore gas field with high acid gas content, and face sloshing problem. The devices should have smaller footprints and lighter weight due to the limited topside space for FLNG. Therefore, we compare the heat balance calculation results of FLNG topside process, module weight and footprint for different schemes. When the CO2content is less than 7%, it is advisable to select the single cyclic amine process. For the offshore gas field with higher acid gas content, the membrane separation and amine combined solution is lighter and smaller when compared with the semi-lean amine solution. So it is the best acid gas removal process for high CO2content.

floating liquefied natural gas system; acid gas removal process; membrane separation; semi-lean solution acid gas removal process

2015-08-13

國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)(2011ZX05026-006-01)

李恩道(1986—)，男，工程師，主要從事天然氣液化設(shè)備及浮式天然氣液化技術(shù)研究設(shè)計(jì)

TE64

A

2095-7297(2015)05-0305-05