芻議天然氣脫碳工藝

劉泉洲 張楌 史亞麗

長(zhǎng)慶油田分公司第一采氣廠第四凈化廠，陜西延安 717500

現(xiàn)如今，天然氣的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，但由于開(kāi)采出的天然氣中含有部分二氧化碳和硫元素，在使用中極易產(chǎn)生危險(xiǎn)，因此，我國(guó)對(duì)天然氣中的C 和S 元素的脫離提出了許多要求，也研發(fā)了許多脫硫工藝和脫碳工藝，希望幫助降低天然氣中的碳元素和硫元素，減少危險(xiǎn)，本文在此主要分析C 元素的脫離工藝。我國(guó)的《天然氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中要求，二氧化碳的含量最大不能超過(guò)總體積量的3%，因?yàn)槎趸家坏┡c水相融合，就會(huì)產(chǎn)生極強(qiáng)的腐蝕性，對(duì)開(kāi)采天然氣的設(shè)備和運(yùn)輸管道等鋼材料產(chǎn)生腐蝕，影響設(shè)備使用，甚至造成設(shè)備損壞，使天然氣泄漏，產(chǎn)生浪費(fèi)。另外，與相同pH 值的酸性液體相比，二氧化碳的酸液濃度較大，對(duì)含有鋼材的設(shè)備產(chǎn)生的腐蝕性也更大，因此，天然氣必須經(jīng)過(guò)脫碳處理后方可使用和運(yùn)輸。

1.天然氣凈化

水、二氧化碳、硫化氫和重?zé)N是天然氣的常見(jiàn)污染物。在氣體調(diào)節(jié)過(guò)程中，這些污染物被去除，使得天然氣可以就地使用或運(yùn)輸?shù)焦艿?。取決于來(lái)自此種氣體調(diào)節(jié)過(guò)程的廢氣的排放是否受到政府法規(guī)管制，來(lái)自該氣體調(diào)節(jié)過(guò)程的廢棄物流可能被燃燒。代替地，該廢棄物流可能被重新注入深層地下，從而產(chǎn)生接近零的空氣排放。經(jīng)調(diào)節(jié)的氣體必須滿足某些天然氣管道規(guī)格，如二氧化碳濃度低于2% (vol/vol)，C3+烴露點(diǎn)不超過(guò)-4°F(-20℃)，并且H2S 濃度小于2ppm。水濃度應(yīng)低于每百萬(wàn)std ft3 每天7 磅(每百萬(wàn)std m3 每天11.2kg)，并且有時(shí)多至低于每百萬(wàn)std ft3 每天5 磅(每百萬(wàn)stdm3每天8 .0kg)。另外，經(jīng)調(diào)節(jié)的氣體的C3+烴含量應(yīng)該受到限制，使得該經(jīng)調(diào)節(jié)的氣體的BTU/卡路里含量為約950-1050Btu(240-265 千卡)。在將廢棄物流重新注入深層地下的情況下，必須將其干燥以避免注入管線的腐蝕和烴水合物的形成。重新注入流的含水量必須低于50ppm(vol/vol)，并且有時(shí)低至1ppm(vol/vol)。在天然氣調(diào)節(jié)過(guò)程中，氣體分離膜由于其相對(duì)小的占地面積(foot print)和輕重量以及其相對(duì)高的能量效率而通常用于去除二氧化碳。氣體分離膜可以產(chǎn)生具有合適含濕量的經(jīng)調(diào)節(jié)的氣體。然而，廢氣處于相對(duì)較低的壓力，并且它當(dāng)然富含水。常規(guī)的解決方案是首先用分子篩使未經(jīng)調(diào)節(jié)的進(jìn)料氣脫水，并且然后用氣體分離膜凈化步驟處理脫水后的氣體。這種類型的混合工藝確實(shí)可以滿足經(jīng)調(diào)節(jié)的氣體和有待重新注入的氣體二者的規(guī)格。然而，分子篩脫水過(guò)程的相對(duì)高的占地面積、體積和質(zhì)量是許多天然氣調(diào)節(jié)應(yīng)用的關(guān)注點(diǎn)，特別是其中占地面積、體積和承受巨大設(shè)備的能力很受重視的海上應(yīng)用。

2.天然氣脫碳工藝處理原理概述

“天然氣的脫碳處理有著許多種類，用來(lái)應(yīng)對(duì)不同情況下的天然氣脫碳處理。因?yàn)槊撎贾饕槍?duì)的是天然氣中的二氧化碳，天然氣卻因?yàn)槠涮厥庑允沟靡恍┏Ｒ?guī)的分離二氧化碳的方法不能用于天然氣脫碳。”因此，在往常進(jìn)行脫碳操作時(shí)，常常采用高溫加濕的方法，而這種方法會(huì)令天然氣在脫碳過(guò)程中發(fā)生熱反應(yīng)，倘若采用溫差分離的方式，則會(huì)提高天然氣脫碳處理的難度，增加天然氣脫碳工藝的成本，為此，給企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的提高造成了極嚴(yán)重的負(fù)面影響.隨著科學(xué)技術(shù)的不斷深入探究，脫碳工藝水平也開(kāi)始逐漸得到提高，目前“國(guó)內(nèi)外已開(kāi)發(fā)了許多處理技術(shù)，歸納起來(lái)主要分為干法和濕法，濕法是通過(guò)可再生溶劑吸收二氧化碳，可分為化學(xué)吸收法、物理吸收法和混合吸收法，干法主要有選擇分離膜脫二氧化碳。

3.脫碳節(jié)能技術(shù)在天然氣中的實(shí)際運(yùn)用

膜分離處理?！皻怏w膜分離技術(shù)是20 世紀(jì)70 年代開(kāi)發(fā)的一門(mén)較為成熟的膜分離技術(shù)，它與傳統(tǒng)的吸附、冷凝分離相比，具有節(jié)能、高效、操作簡(jiǎn)單方便等優(yōu)點(diǎn)，適用于空氣分離、天然氣脫二氧化碳、脫水等方面?！痹谶M(jìn)行膜分離時(shí)，要充分利用天然氣各組成氣體在高分子聚合物中溶解擴(kuò)散速率不同的特點(diǎn)，使二氧化碳能夠滲透到纖維膜壁上并使其分離。運(yùn)用膜分離處理技術(shù)處理過(guò)的天然氣能夠滿足企業(yè)外輸?shù)男枨?。相較于傳統(tǒng)的溫差分離技術(shù)，膜分離技術(shù)的操作更加簡(jiǎn)便易行，對(duì)于資源的消耗量也大幅降低，具有十分明顯的脫碳優(yōu)勢(shì)，然而，膜分離處理技術(shù)也存在一定程度的局限性，盡管其具有十分明顯的運(yùn)用優(yōu)勢(shì)，可以適應(yīng)各種操作上的豐富變化，滿足企業(yè)對(duì)天然氣外輸?shù)闹苯有枨?，但是在脫碳時(shí)，膜處理技術(shù)無(wú)法將將雜質(zhì)從天然氣中脫離，并沒(méi)有起到良好的凈化作用。

濕法脫碳處理。與干法脫碳處理技術(shù)一樣，濕法脫碳處理技術(shù)也是天然氣常用的脫離二氧化碳的方法，為了保障濕法脫碳處理技術(shù)的有效與安全，就必須確保溶劑的選擇與配制嚴(yán)格遵循工藝的規(guī)定和要求。只有這樣，才能滿足天然氣的脫碳要求，保障天然氣的質(zhì)量與凈化程度。醇氨法是濕法工藝中最為常見(jiàn)的一種，具有凈化效果高的優(yōu)勢(shì)，一般來(lái)說(shuō)，濕法脫碳工藝?yán)玫氖嵌趸寂c溶劑接觸后被其吸收的原理，溶劑的選擇與配制關(guān)系到天然氣的脫碳效果，如果在原有的MDEA 水溶液基礎(chǔ)上添加改良溶劑，不僅能夠有效地脫離天然氣中含有的二氧化碳成分，能夠盡最大程度地去除天然氣中含有的其他雜質(zhì)，進(jìn)一步提高天然氣的凈化效果，使之能夠滿足直接外輸?shù)男枨?/p>

結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，天然氣的使用越來(lái)越多，但開(kāi)采出的天然氣中含有部分二氧化碳和硫元素，在使用中易產(chǎn)生危險(xiǎn)，因此，我國(guó)對(duì)天然氣中的C和S元素的脫離提出了許多要求，也研發(fā)了許多脫硫工藝和脫碳工藝，希望幫助降低天然氣中的碳元素和硫元素，減少危險(xiǎn)。本文對(duì)國(guó)內(nèi)外的脫碳技術(shù)，和天然氣脫碳工藝原理與選擇進(jìn)行詳解，并重點(diǎn)對(duì)不同的天然氣脫碳工藝進(jìn)行詳細(xì)解釋和探討，希望對(duì)我國(guó)的天然氣脫碳工藝提供幫助。