適用于FLNG的吸附分離技術(shù)與膜分離技術(shù)對(duì)比研究

胡蘇陽(yáng)，花亦懷，蘇清博，李秋英

(中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100028)

0 引言

吸附分離技術(shù)是基于不同吸附質(zhì)分子在固體吸附劑表面上的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)差異，選擇性地吸附一種分子而達(dá)到與另一種分子分離的目的。而膜分離技術(shù)是基于不同分在在膜材料上的滲透率的不同，在膜兩側(cè)分壓梯度的作用下，一種分子優(yōu)先通過(guò)分離膜而達(dá)到選擇性分離的目的。二者都可以彌補(bǔ)胺吸收法操作復(fù)雜、能耗高、空間占有量大的不足，但各自適用的場(chǎng)合需要進(jìn)行對(duì)比研究。

1 吸附分離技術(shù)與膜分離技術(shù)實(shí)例對(duì)比

為了更好地了解吸附分離技術(shù)、膜分離技術(shù)的應(yīng)用[1]條件，根據(jù)調(diào)研的Mallet處理廠(chǎng)、Grissik處理廠(chǎng)及Mewbourn處理廠(chǎng)，三個(gè)膜分離技術(shù)實(shí)例進(jìn)行分析。分子篩選擇市場(chǎng)中廣泛使用的沸石分子篩13X-HP為吸附劑，在假設(shè)天然氣處理量、操作條件不變的情況下，計(jì)算所需吸附劑用量和在選定吸附塔直徑及裝填密度條件下的吸附塔高度。吸附分離技術(shù)與基于三種膜分離技術(shù)實(shí)例的對(duì)比如表1所示。

表1 吸附分離技術(shù)與基于三種膜分離技術(shù)實(shí)例的對(duì)比

從表1可以看出，當(dāng)三個(gè)處理廠(chǎng)在壓力、天然氣處理量及原料氣與成品氣純度不變的情況下，采用吸附分離技術(shù)，一個(gè)周期(8 h)情況下需要脫除的 CO2量分別約為 1 550 t、1 440 t、3.86 t。Mallet處理廠(chǎng)及Grissik處理廠(chǎng)所需的13X-HP 分子篩的用量分別為 1.1萬(wàn)t、1.01萬(wàn)t，在吸附塔直徑為1.8 m、堆積密度為620 kg/m3的情況下，它們得吸附塔塔高分別約為 7.0 km、6.5 km。而對(duì)于Mewbourn處理廠(chǎng)來(lái)說(shuō)，所需的13X-HP分子篩的用量為27.2 t，在吸附塔直徑和堆積密度相同情況下的塔高為17 m。可見(jiàn)，當(dāng) CO2的脫除量過(guò)大時(shí)，吸附分離工藝所需分子篩的質(zhì)量特別大，吸附塔及其配套設(shè)備的尺寸非常大，占地面積大，造成投資成本高、運(yùn)行維護(hù)難等問(wèn)題，因此吸附分離技術(shù)不適于處理 CO2脫除量過(guò)大的情況。

2 吸附分離技術(shù)與膜分離技術(shù)實(shí)驗(yàn)對(duì)比

為了更好地了解吸附分離技術(shù)的適用工況，對(duì)某天然氣凈化處理廠(chǎng)的三種膜分離實(shí)驗(yàn)[2]進(jìn)行對(duì)比分析。分子篩依然選擇沸石分子篩13X-HP為吸附劑，在假設(shè)天然氣處理量、操作條件不變的情況下，計(jì)算所需吸附劑用量和在選定吸附塔直徑及裝填密度條件下的吸附塔高度。吸附分離技術(shù)與基于三種膜分離實(shí)驗(yàn)的對(duì)比如表2所示。

表2 吸附分離技術(shù)與基于三種膜分離實(shí)驗(yàn)的對(duì)比

從表2可以看出，膜分離實(shí)驗(yàn)中分別利用一級(jí)膜工藝、二級(jí)滲余氣工藝及二級(jí)滲透氣工藝，由于天然氣處理量不大、原料氣與成品氣純度的差異不大，一個(gè)周期(8 h)情況下需要脫除的 CO2量分別約為 10 kg、109 kg、69 kg。當(dāng)一級(jí)膜工藝、二級(jí)滲余氣工藝及二級(jí)滲透氣工藝改為吸附分離工藝時(shí)，所需的13X-HP 分子篩的用量分別為 70 kg、770 kg、488 kg；在吸附塔直徑為 0.3 m、裝填密度為 620 kg/m3的情況下，塔高分別1.6 m、17.6 m、11.1 m。當(dāng)天然氣的處理量、原料氣與成品氣純度的差異不大，CO2的脫除量較小時(shí)，吸附分離工藝所需分子篩的質(zhì)量較少，吸附塔及其配套設(shè)備的尺寸較小，占地面積小，投資成本低。尤其是在空間占有量有限，如海上作業(yè)平臺(tái)等，吸附分離技術(shù)能滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)緊湊的要求。

而對(duì)于膜分離技術(shù)來(lái)說(shuō)，只有當(dāng)原料氣與滲透氣之間存在分壓梯度時(shí)，膜單元才能開(kāi)始工作。分壓梯度也往往決定著滲余氣(產(chǎn)品氣)的純度，因?yàn)橐坏B余氣與滲透氣達(dá)到平衡，通過(guò)膜的凈通量為零。若在低溫氣體處理中采用膜分離技術(shù)，將原料氣中CO2含量降低到 50.0×10-6，那么膜分離系統(tǒng)處理工藝至少需要10級(jí)，此時(shí)膜單元的操作壓力將高達(dá)9 830 MPa?？梢?jiàn)，膜分離技術(shù)更適用于CO2的大量分離以滿(mǎn)足管道氣的要求，而不適合用于低溫氣體處理的提純。

3 結(jié)論

(1)吸附分離系統(tǒng)規(guī)模取決于CO2脫除量，與天然氣的處理量、原料氣與成品氣純度的差異緊密相關(guān)，CO2脫除量過(guò)大會(huì)導(dǎo)致設(shè)備尺寸增加，投資成本變高。在空間占有量有限的情況下，吸附分離技術(shù)適用于天然氣處理量小、CO2脫除量小的天然氣精煉處理。

(2)膜分離系統(tǒng)適用于低質(zhì)量天然氣的提純處理，當(dāng)原料氣中 CO2含量較低且成品氣純度很高(達(dá)到50.0×10-6)時(shí)，需要性能更高的加壓設(shè)備及膜分離級(jí)數(shù)，會(huì)造成較大經(jīng)濟(jì)損失。在低濃度 CO2條件下，一級(jí)膜工藝的 CH4損失率較高，不適合常規(guī)天然氣處理，但當(dāng)氣田試采或氣井較為分散和偏遠(yuǎn)時(shí)，比較適用。相比于一級(jí)膜工藝，二級(jí)滲透氣膜分離工藝更適合天然氣中 CO2脫除，但不適于成品氣對(duì) CO2含量要求較高的工況。

(3)在有限的空間占有量及 CO2脫除量較大的情況下，如海上FLNG作業(yè)平臺(tái)，建議采用膜-吸附混合系統(tǒng)，膜分離技術(shù)用于低質(zhì)量天然氣的提純，吸附系統(tǒng)用于天然氣的精煉，可有效降低成本提高效率。