天然氣脫重?zé)N工藝技術(shù)的研究進(jìn)展

段夢超，楊星國，廖通才，梁 峰，喬 寬，張曉凱

（中國石油化工股份有限公司中原油田分公司天然氣處理廠，河南 濮陽 457162）

0 引言

目前天然氣資源的應(yīng)用越來越廣泛，而液化天然氣便于儲(chǔ)運(yùn)，因而成為了天然氣企業(yè)開發(fā)的重點(diǎn)，其一方面可以控制企業(yè)生產(chǎn)成本，同時(shí)也可以提高能源利用率，使目前普遍存在的能源危機(jī)得到緩解。由于天然氣中含有一系列雜質(zhì)，除了二氧化碳之外，還有一定數(shù)量的苯、重?zé)N等物質(zhì)，因而為了在最大程度上利用液化天然氣，就需要將其中的雜質(zhì)脫除，其中重?zé)N對(duì)于脫除技術(shù)有著較高的要求。

1 天然氣脫重?zé)N工藝的研究意義

重?zé)N一般是指C5+的烴類物質(zhì)，這類物質(zhì)廣泛存在于開采出的天然氣當(dāng)中，從而提高了天然氣的烴露點(diǎn)。如果天然氣的溫度和壓力出現(xiàn)變化，那么這些重?zé)N組分就會(huì)成為液相，液態(tài)烴物質(zhì)會(huì)在管道內(nèi)聚集，壓縮管道界面劑，從而讓管道能耗和輸氣成本大幅上升。如果環(huán)境溫度較低，液態(tài)烴物質(zhì)就會(huì)凝結(jié)，導(dǎo)致冰堵，凝液會(huì)與天然氣中的酸性氣體進(jìn)行結(jié)合，腐蝕管道內(nèi)的管壁、閥門和其他設(shè)備。因而為了給天然氣儲(chǔ)運(yùn)帶來便利，就需要將其中的烴類物質(zhì)脫除。

2 天然氣處理質(zhì)量要求

天然氣處理和加工的目標(biāo)就是將天然氣按照相應(yīng)的要求，將其中的多余組分去除掉，從而讓其能夠達(dá)到商品天然氣的質(zhì)量指標(biāo)，經(jīng)過回收或者加工，來讓其應(yīng)用于人們的生產(chǎn)和生活。具體來說，天然氣的處理就是為了能夠讓天然氣符合于商品質(zhì)量、管道輸送要求而進(jìn)行的工藝過程，例如酸性氣體脫除、硫磺的回收以及尾氣處理等一系列步驟，這些都屬于天然氣凈化的范疇。在天然氣加工方面，其目的在于從天然氣當(dāng)中將某些組分加以分離和回收，從而讓其成為可用產(chǎn)品，例如天然氣凝液、天然氣液化或者從天然氣當(dāng)中提取部分稀有氣體都屬于天然氣加工的范圍。在天然氣中游環(huán)節(jié)當(dāng)中，處理和加工處于重要地位，部分工藝同時(shí)有著加工和處理的功能?，F(xiàn)行天然氣質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)包括有燃燒發(fā)熱量、烴露點(diǎn)、水露點(diǎn)、硫含量以及二氧化碳含量。

3 天然氣脫重?zé)N技術(shù)國內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 脫重?zé)N技術(shù)分類

一般來說，只為了滿足輸氣需要的脫水脫重?zé)N流程被稱為“淺脫”，而生產(chǎn)液化天然氣則需要采用深度脫水脫重?zé)N工序，需要在液化工廠當(dāng)中，應(yīng)用低溫分離法將重?zé)N物質(zhì)脫離出來，也可以采用吸附、洗滌法來完成脫重?zé)N工序。

3.1.1 吸附法

應(yīng)用吸附法進(jìn)行脫重?zé)N的過程中，經(jīng)常使用的吸附劑包括有分子篩、硅膠、活性炭以及活性氧化鋁，這些物質(zhì)可以通過自身的吸附作用將天然氣中的重?zé)N吸附出來。但實(shí)際上吸附法并不能將重?zé)N含量降低到天然氣液化的需要。原料氣當(dāng)中組分含量較多的情況下，大多采用吸附法、深冷分離法相結(jié)合的方式。吸附過程大致可以分為三個(gè)步驟，首先進(jìn)行吸附，之后加熱再生后進(jìn)行冷卻。含重?zé)N天然氣進(jìn)入吸附階段的吸附塔當(dāng)中，之后將其中的重?zé)N留在吸附劑的表面，之后天然氣就可以作為非吸附組分，從塔底來到下一個(gè)工序。而吸附劑則可以通過再生環(huán)節(jié)，來把表面的重?zé)N分離出來，進(jìn)行收集后，將這些重?zé)N物質(zhì)作為燃料使用。吸附劑首先進(jìn)行加熱，再進(jìn)行冷卻，即可完成再生，而經(jīng)過再生處理后的吸附劑可以重新用于天然氣的處理。

3.1.2 深冷分離

深水分離法也可以稱為低溫精餾法，其原理是通過不同的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)，來實(shí)現(xiàn)氣液分離的目的。首先將天然氣進(jìn)行冷卻，溫度低于烴露點(diǎn)，之后將生成的重?zé)N凝液收集起來，來凈化天然氣。深冷分離大多是采用機(jī)械方法，例如節(jié)流膨脹、絕熱膨脹等技術(shù)對(duì)壓縮氣體進(jìn)行冷卻，之后基于不同液體的沸點(diǎn)差異來完成精餾，從而分離不同氣體。由于液化天然氣的生產(chǎn)本質(zhì)就是氣體液化，因而在液化的過程中大多應(yīng)用這種方法來完成重?zé)N去除。在一般情況下，液化冷箱當(dāng)中含有重?zé)N分離設(shè)備，將凈化后的原料氣通入冷箱當(dāng)中進(jìn)行預(yù)冷，從而實(shí)現(xiàn)中庭分離，之后應(yīng)用重?zé)N分離罐來將重?zé)N組分分離出來，其余的天然氣繼續(xù)進(jìn)行深冷，從而通過液化而形成LNG，之后再將所脫除的重?zé)N加以液化處理。目前這種方法在很多液化廠都得到了推廣。

3.1.3 異戊烷溶解

異戊烷溶解法大多應(yīng)用于重?zé)N組分當(dāng)中苯含量較高的情況。含苯天然氣首先通入脫苯塔底部，異戊烷介質(zhì)則將其送入脫苯塔頂部，從而讓異戊烷物質(zhì)和天然氣進(jìn)行接觸，讓其充分吸收其中的重?zé)N物質(zhì)。溶解容積也可以使用其中的重?zé)N物質(zhì)作為洗滌液。但是由于原料氣體中的組分并不穩(wěn)定，因而也需要采用其進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3.2 國內(nèi)天然氣脫重?zé)N技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

李時(shí)宣[1]（2005）設(shè)計(jì)了小壓差節(jié)流制冷脫重?zé)N工藝，將其應(yīng)用于長慶榆林氣田，每日可脫離重?zé)N1.1m3，使當(dāng)?shù)鼐畢^(qū)天然氣低溫脫重?zé)N的需求得到了滿足。

張孔明[2]（2006）提出了運(yùn)用重?zé)N吸收脫除天然氣中重?zé)N的方法，其首先在脫重?zé)N塔底部將天然氣的大部分重?zé)N去除，之后再從頂部排出，進(jìn)行冷卻，其氣相部分可進(jìn)入下一道工序，而液相則可以在增壓之后進(jìn)入脫重?zé)N塔頂部，重?zé)N和天然氣逆流進(jìn)行接觸，將大多數(shù)重?zé)N洗脫。這樣的工序讓脫重?zé)N工序得到了簡化，并且更好地控制能耗，可以讓凈化后的天然氣中重?zé)N質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.001%以內(nèi)。

何振勇[3]（2014）開發(fā)了一種可以將吸附劑和低溫分離裝置整合的脫重?zé)N裝置，天然氣首先在脫重?zé)N塔當(dāng)中將其中的大多數(shù)重?zé)N分離出去，之后在冷箱當(dāng)中進(jìn)一步運(yùn)用低溫分離手段將其余的重?zé)N脫離出去，經(jīng)過處理之后，天然氣中剩余的C6和C6+重?zé)N組分可被LNG 溶解。

董憲瑩[4]（2014）提出了一種分布冷凝脫除天然氣重?zé)N的設(shè)備，天然氣首先進(jìn)行脫碳和脫水處理，之后再進(jìn)入淺冷分離系統(tǒng)當(dāng)中，完成重?zé)N的第一步分離，之后可以進(jìn)入深冷冷箱當(dāng)中，進(jìn)一步將重?zé)N脫離出去。完成脫離之后，天然氣可以滿足深冷液化對(duì)于重?zé)N含量的需要。該分離設(shè)備由三個(gè)部分構(gòu)成，分別是換熱器、制冷機(jī)組和重?zé)N分離器。在淺冷系統(tǒng)中將剩下的重?zé)N脫離出來，之后在深冷系統(tǒng)中將剩余的重?zé)N脫離出來，最后將這兩個(gè)步驟所脫除的重?zé)N匯集起來，復(fù)熱之后可以利用，氣相可作為燃料，而液相則可繼續(xù)回收。與此同時(shí)，該流程會(huì)讓淺冷后進(jìn)入液化系統(tǒng)的天然氣溫度得到一定的降低，節(jié)約了能源。

除此之外，還有將低溫分離、洗滌或精餾法進(jìn)行整合的工藝，但是應(yīng)用并不廣泛。一般來說，可以在天然氣液化預(yù)冷之后設(shè)置重?zé)N分離器，但是如果原料氣發(fā)生變化、重?zé)N組分發(fā)生變動(dòng)，重?zé)N分離器無法分離出足夠的重?zé)N，可以在重?zé)N分離器之后進(jìn)一步增加洗滌塔、精餾塔，從冷箱液化段抽出天然氣通道中溫度更低的冷凝液，將其注入到塔頂，完成苯和重?zé)N的洗滌。在一般情況下，項(xiàng)目投產(chǎn)之前需要結(jié)合原料氣的組分、重?zé)N處理量來設(shè)計(jì)裝置。

4 結(jié)語

由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)的需要，天然氣這種清潔能源的應(yīng)用越來越廣泛，如果想要在最大程度上發(fā)揮天然氣的應(yīng)用效果，就需要對(duì)液化天然氣凈化工藝給予足夠的重視，尤其是雜質(zhì)脫除工藝，能否為用戶供給純凈的天然氣和雜質(zhì)脫除工藝的使用效果之間密切相關(guān)，因而需要充分總結(jié)現(xiàn)有的天然氣脫重?zé)N技術(shù)，結(jié)合實(shí)際情況選擇最為合理的方案。