鍋爐煙氣二氧化碳捕集技術(shù)在油田驅(qū)油中的應(yīng)用

孔令先 趙延軍 張志強(qiáng) 陳 雷 尹曉天

（中石化勝利油田勝利電廠，山東 東營 257087）

鍋爐煙氣二氧化碳捕集技術(shù)在油田驅(qū)油中的應(yīng)用

孔令先 趙延軍 張志強(qiáng) 陳 雷 尹曉天

（中石化勝利油田勝利電廠，山東 東營 257087）

介紹了勝利油田100t/d CO2捕集純化先導(dǎo)試驗工程項目所采取的工藝方法，該項試驗的成功不僅可以獲得強(qiáng)化采油所需的CO2，提高原油采收率，還可以將燃煤鍋爐產(chǎn)生的CO2儲存在廢棄的油井中，保護(hù)環(huán)境。

鍋爐煙氣；CO2捕集；化學(xué)法；工業(yè)試驗；油田驅(qū)油

一、前言

CO2是油田低滲透油藏驅(qū)油的重要資源，是油田提高采收率非常有效的技術(shù)，代表了三次采油的前沿發(fā)展方向。其原理就是往油層中注入高純度CO2氣體，在地層高壓作用下，與原油充分混合并形成“混相”，從而提升原油流動能力及油藏采收率，尤其是對于低滲透油藏能夠有效避免開發(fā)過程中出現(xiàn)的“注不進(jìn)、采不出”等情況，但由于缺少大量、穩(wěn)定、高純度的CO2資源，制約了該項技術(shù)在油田的推廣應(yīng)用。為了解決CO2來源問題，勝利油田在其自備發(fā)電廠建成了年產(chǎn)能力4萬t的煙氣CO2捕集裝置，該裝置建在4號鍋爐脫硫裝置后，占地面積大約2400m2。捕集采用改進(jìn)后的MEA技術(shù)（化學(xué)吸收法），煙氣處理量18863m3/h，捕集處理后的CO2純度達(dá)99.5%以上，用于“低滲透油藏CO2驅(qū)油”先導(dǎo)試驗，提高油田產(chǎn)量或儲存在廢棄的油井中，以減少CO2排放量，增效減排。

二、工程設(shè)計方案

1.設(shè)計規(guī)模

工程設(shè)計正常處理煙道氣量18863m3/h，捕集后CO2氣體量為2200m3/h（干基），CO2含量大于99.5%，生產(chǎn)液態(tài)CO2100t/d，裝置按照在額定生產(chǎn)能力的60%～120%進(jìn)行設(shè)計，連續(xù)年操作時間8000h。

2.主要工程內(nèi)容

勝利電廠CO2捕集純化工程采用MEA復(fù)合胺溶液回收捕集勝利電廠1025t/h鍋爐脫硫后的煙道氣CO2，并將捕集后的CO2送往后序壓縮、脫水、制冷、存儲單元，最終將液態(tài)CO2用罐車送往純良采油廠CO2驅(qū)油先導(dǎo)試驗區(qū)塊。工藝裝置共分為捕集、壓縮、干燥、制冷、儲存5部分。

3.捕集原理與工藝流程

采用一乙醇胺溶液（MEA）為吸收液的化學(xué)吸收工藝，捕集原理為：MEA與CO2反應(yīng)生成比較穩(wěn)定的氨基甲酸鹽，并通過再生過程釋放出二氧化碳和吸收液再生。反應(yīng)為放熱反應(yīng)，在加熱作用下，反應(yīng)將會逆向進(jìn)行，可對醇胺溶液進(jìn)行再生。其工藝流程為：CO2捕集純化—壓縮—干燥—液化—儲存裝車。煙道氣經(jīng)過預(yù)處理脫硫后，通過引風(fēng)機(jī)進(jìn)入MEA吸收塔的下部，從下向上流動，與從上而下流動的MEA貧液逆流接觸，煙氣中的CO2與吸收劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而形成弱聯(lián)結(jié)化合物，脫除了CO2的煙氣從吸收塔上部被排出吸收塔，而吸收了CO2的吸收劑富CO2吸收液(簡稱富液)，經(jīng)富液泵抽離吸收塔，在貧富液熱交換器中與貧CO2吸收液(簡稱貧液)進(jìn)行熱交換后，被送入再生塔中解吸再生。富液中結(jié)合的CO2在熱的作用下被釋放，釋放的CO2氣流經(jīng)過冷凝和干燥后進(jìn)行壓縮，以便于輸送和儲存。再生塔底的貧液在貧液泵作用下，經(jīng)過貧富液換熱器換熱、貧液冷卻器冷卻到所需的溫度，從吸收塔頂流入，進(jìn)行下一次的吸收。

（1）捕集部分

①工藝流程

脫硫后的煙道氣從電廠煙囪抽出，經(jīng)水洗塔水洗后由引風(fēng)機(jī)送入吸收塔，其中一部分CO2被溶劑吸收捕集，尾氣回到電廠煙囪排入大氣。

水洗水為新鮮水，循環(huán)使用，定期外排至電廠渣池。

吸收CO2后的富液由塔底經(jīng)泵送入貧富液換熱器，回收熱量后送入再生塔，富液從再生塔上部進(jìn)入，通過汽提解吸部分CO2，然后進(jìn)入煮沸器，使其中的CO2進(jìn)一步解吸。解吸CO2后的貧液由再生塔底流出，經(jīng)貧富液換熱器換熱后，用泵送至水冷器，冷卻后進(jìn)入吸收塔。溶劑往返循環(huán)構(gòu)成連續(xù)吸收和解吸CO2的工藝過程。

解吸出的CO2連同水蒸氣經(jīng)冷卻后，分離除去水分后得到純度99.5%（干基）以上的產(chǎn)品CO2氣，送入后續(xù)壓縮部分，再生氣中被冷凝分離出來的冷凝水用泵送至再生塔。

為了維持溶液清潔，約10%～15%的貧液經(jīng)過機(jī)械過濾器、活性炭過濾器和后過濾器三級過濾，一、二、三級過濾器分別設(shè)有旁路，便于清洗。

為處理系統(tǒng)的降解產(chǎn)物，設(shè)置胺回收加熱器，需要時將部分貧液送入胺回收加熱器中，通過蒸汽加熱再生回收，再生后的殘液拉運并摻入電廠油泥砂焚燒處理。

②主要操作條件

入吸收塔煙道氣量（干基）：18863m3/h

入吸收塔煙道氣CO2含量：14.5%

出系統(tǒng)再生氣量（干基）：2200m3/h

出系統(tǒng)再生氣CO2含量：≥99.5%

水洗水循環(huán)量：80m3/h

入吸收塔貧液量；120m3/h

入吸收塔貧液溫度：40℃

再生塔底溫度：110℃

入吸收塔煙道氣溫度：40～50℃

出再生塔再生氣溫度：98℃

再生氣冷卻后溫度：≤40℃

③儀表指示及控制內(nèi)容

CO2吸收捕集部分自控系統(tǒng)主要包括：煙氣流量指示、吸收塔底液位控制、貧液流量控制、貧液冷卻器冷后溫度控制、溶液煮沸器出口溫度控制、胺回收加熱器液位控制、胺回收加熱器溫度控制、再生氣水冷器后CO2溫度控制、再生氣分離器液位控制、再生氣分離器壓力控制。

（2）壓縮部分

①工藝流程

來自再生氣分離器的CO2進(jìn)入壓縮橇塊進(jìn)行壓縮，壓縮機(jī)為三級壓縮機(jī)，采用軟化循環(huán)冷卻，軟化水通過與循環(huán)水換熱降溫，循環(huán)使用，根據(jù)需要不定期補水，壓縮CO2出口壓力為2.5MPa(g)，溫度40℃，壓縮后的CO2氣體進(jìn)入脫水橇塊進(jìn)行干燥。

②自控部分

CO2壓縮機(jī)的自控系統(tǒng)主要包括：各級入口壓力顯示及高報警，各級排氣壓力顯示及高報警，潤滑油流量顯示及低報警，機(jī)身潤滑油壓顯示及低報警，汽缸潤滑油系統(tǒng)故障報警，潤滑油出口溫度顯示，各級氣缸排汽溫度顯示及高報警，油濾器差壓顯示，各級洗滌罐液位顯示及高報警，水夾套冷卻系統(tǒng)故障報警，機(jī)身振動大停機(jī)等。以上參數(shù)及報警由廠家自帶的PLC控制柜完成，并將相關(guān)信號通過MODBUS-485 RTU協(xié)議遠(yuǎn)傳至中控室，中控室可監(jiān)控壓縮機(jī)運行狀態(tài)，并可實現(xiàn)遠(yuǎn)程手動停機(jī)。

③主要設(shè)備

壓縮機(jī)1套，包括三級往復(fù)式壓縮機(jī)、6000V高壓驅(qū)動電機(jī)（功率450kW）。

（3）干燥部分

①工藝流程

壓縮后的CO2氣體首先進(jìn)入原料氣氣液分離器，分出殘留的游離水，再進(jìn)入由2個干燥塔、1個輔助干燥塔、1臺再生氣分離器、1臺蒸汽再生氣加熱器、1臺循環(huán)水冷卻器等組成的等壓再生干燥橇塊，經(jīng)干燥后的產(chǎn)品CO2氣體水露點低于－40℃的要求。

等壓干燥系統(tǒng)的工藝過程如下：CO2氣體首先經(jīng)流量調(diào)節(jié)回路分成兩部分，一部分直接去干燥塔，干燥塔裝填的干燥劑將CO2中的水分吸附下來，使CO2得以干燥；在一臺干燥塔處于干燥的狀態(tài)下，另一臺干燥塔再生，兩塔交替進(jìn)行干燥和再生，達(dá)到連續(xù)生產(chǎn)的目的。

干燥塔的再生過程包括加熱再生和干燥床層冷卻兩個步驟：在加熱再生過程中，另一部分CO2首先經(jīng)預(yù)干燥塔進(jìn)行干燥，然后經(jīng)蒸汽加熱器升溫至約140℃后從需要再生的干燥塔底部進(jìn)入，加熱其吸附床層，使其中的水分得以解吸出來，解吸氣經(jīng)循環(huán)水冷卻器冷卻后，進(jìn)入再生氣分離器分液后，再與另一路CO2匯合后一起去干燥塔進(jìn)行干燥。在干燥床層冷卻過程中，CO2從處于再生狀態(tài)的干燥塔頂部進(jìn)入，將干燥塔溫度降至常溫，然后再經(jīng)加熱器加熱后去預(yù)干燥塔，對預(yù)干燥塔中的干燥劑進(jìn)行加溫脫附其中的水分，然后經(jīng)冷卻和分液后再與另一路CO2匯合，最后去處于干燥狀態(tài)的干燥塔進(jìn)行干燥。

橇塊設(shè)有在線水露點分析儀，根據(jù)干燥后水露點狀況控制程控閥門自動切換，完成干燥、再生、冷卻等過程。

②主要操作參數(shù)

吸附干燥壓力2.45MPa(g)、吸附干燥再生壓力2.45MPa(g)、再生氣量：450m3/h、再生溫度：～140℃、干燥橇塊出口壓力2.25MPa(g)、出口溫度：40℃、產(chǎn)品CO2水露點：≤－40℃。

③自控部分

CO2干燥橇塊的自控系統(tǒng)主要包括：程控閥門的自動切換控制，原料氣氣液分離器、再生氣氣液分離器液位檢測及控制，去再生的CO2流量檢測及控制，吸附、冷吹和再生的操作溫度及操作壓力指示、故障報警等，以上參數(shù)控制由廠家自帶的PLC控制柜完成，并將相關(guān)信號通過MODBUS-485 RTU協(xié)議遠(yuǎn)傳至中控室，中控室可監(jiān)控干燥橇塊運行狀態(tài)，并可實現(xiàn)遠(yuǎn)程手動停機(jī)。

（4）制冷部分

①工藝流程

干燥后的氣態(tài)CO2進(jìn)入CO2制冷橇塊進(jìn)行液化處理，氣態(tài)CO2進(jìn)入蒸發(fā)器，利用R22蒸發(fā)氣化產(chǎn)生的冷量液化，液化后的CO2進(jìn)入CO2分液罐，分出少量不凝氣，液態(tài)CO2通過增壓泵打入CO2儲罐儲存。

蒸發(fā)后的氣態(tài)R22進(jìn)入制冷壓縮機(jī)增壓，增壓后進(jìn)入油分離器分離出潤滑油，然后經(jīng)過蒸發(fā)式冷凝器冷卻液化后進(jìn)入收集器，未液化氣態(tài)R22回到壓縮機(jī)，液化的R22進(jìn)入蒸發(fā)器蒸發(fā)制冷，液化CO2，R22循環(huán)使用。

油分離器分離出的潤滑油經(jīng)油冷卻器冷卻、經(jīng)潤滑油過濾器過濾，油泵增壓后，通過高壓油分配器給制冷壓縮機(jī)冷卻潤滑。

②主要操作參數(shù)

制冷壓縮機(jī)入口壓力≥0.16MPa入口溫度：≥-10℃、制冷壓縮機(jī)出口壓力≤1.6MPa、出口溫度≤110℃、R22冷凝后溫度40℃、R22蒸發(fā)后溫度-25℃、CO2液化后壓力2.2MPa（g）、CO2液化后溫度-20℃。

③自控水平

CO2制冷撬塊的自控系統(tǒng)主要包括：吸氣壓力過低報警、故障停機(jī)；排氣壓力過高報警、故障停機(jī)；供油溫度過高報警、故障停機(jī)；供油壓力及油壓差過低報警、故障停機(jī)；吸氣過濾器壓差過低報警、故障停機(jī)；主電機(jī)起停及過載保護(hù)；油泵電機(jī)啟停及過載保護(hù)；CO2出口溫度過高及過低報警；蒸發(fā)冷斷水保護(hù)，機(jī)組運行時間及故障記錄等；以上參數(shù)控制及報警由廠家自帶的PLC控制柜完成，并將相關(guān)信號通過MODBUS-485 RTU協(xié)議遠(yuǎn)傳至中控室，中控室可監(jiān)控制冷撬塊運行狀態(tài)，并可實現(xiàn)遠(yuǎn)程手動停機(jī)。

（5）儲存部分

①工藝流程

CO2液化后進(jìn)入CO2儲罐儲存，通過裝車泵增壓后經(jīng)金屬軟管給CO2運輸車裝車，儲罐與CO2運輸車氣相通過氣相平衡線連通。

②主要操作參數(shù)

CO2儲存壓力2.2MPa（g）、儲存溫度-20℃。

③自控系統(tǒng)

CO2儲存部分的自控系統(tǒng)主要包括CO2儲罐壓力、溫度、液位檢測。

三、投運及驅(qū)油試驗情況

2010年8月工程建成單車試運完畢，同年9月和2011年1月分別進(jìn)行了兩次投料試車，純度達(dá)到99.5%，運往勝利油田低滲透油藏二氧化碳驅(qū)油提高采收率重大先導(dǎo)試驗區(qū)——純梁采油廠注氣站，據(jù)統(tǒng)計，自2008年開展試驗以來，已經(jīng)在純梁采油廠正東管理區(qū)建成注氣井11口，累計增產(chǎn)原油2.6萬t，在地下封存CO211萬t。據(jù)測算，CO2驅(qū)油技術(shù)如果覆蓋到勝利油田4.19億t地質(zhì)儲量，預(yù)計新增可采儲量7200萬t，地下封存二氧化碳1.87～2.25億t。

試車過程中所耗用的電量、蒸汽、除鹽水、循環(huán)水及捕集運行直接成本見表1、表2。

表1 捕集能耗情況表

運行直接成本見表2。

四、結(jié)語

勝利油田在火電廠鍋爐煙氣中捕集CO2用于油田驅(qū)油工業(yè)化試驗項目的成功，對火電廠具有重要的示范作用。

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1671-0711（2015）05-0046-04