尉少華

摘 要：天然氣中二氧化碳的存在會(huì)導(dǎo)致設(shè)備和管道的腐蝕，影響工藝安全，二氧化碳含量過(guò)高會(huì)導(dǎo)致天然氣熱值達(dá)不到規(guī)定要求，也不能滿足商用天然氣的技術(shù)要求。

關(guān)鍵詞：天然氣 脫碳工藝 處理方法

引 言

隨著清潔能源在全社會(huì)的廣泛應(yīng)用，天然氣的需求量大大增加，推動(dòng)了大型天然氣氣田不斷被發(fā)現(xiàn)和開(kāi)采，因不同地層區(qū)塊特征差別，高含二氧化碳天然氣氣田不斷出現(xiàn)。天然氣輸送過(guò)程中若存在二氧化碳，會(huì)嚴(yán)重的腐蝕設(shè)備和管道，并且天然氣內(nèi)二氧化碳含量過(guò)高造成熱值達(dá)不到要求規(guī)定，不能滿足商品天然氣的銷售的技術(shù)指標(biāo)規(guī)定要求。目前天然氣處理脫碳工藝方法主要為干法脫碳和濕法脫碳。干法脫碳常用固體吸附和膜分離兩種方法，固體吸附是利用天然氣在加壓時(shí)含有的CO2能被吸附在多孔狀固體物質(zhì)上，而當(dāng)減壓時(shí)吸附的CO2脫出。由于固體吸附劑孔隙有限，因此吸附CO2的效率較低，且吸附量小。為此若想提高工藝流程中二氧化碳的吸附量，只能再增加吸附段并擴(kuò)充設(shè)備規(guī)格，造成工藝流程復(fù)雜規(guī)模龐大，因此該工藝現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用不廣泛。膜分離是將天然氣高速透過(guò)某種高分子聚合物薄膜，在高壓條件下薄膜會(huì)對(duì)天然氣中不同組分實(shí)現(xiàn)選擇性阻隔，造成了天然氣中不同組分透過(guò)膜的速率不同，進(jìn)而將CO2組分與其它組分進(jìn)行分離。根據(jù)脫碳過(guò)程天然氣組分是否發(fā)生化學(xué)變化，將濕法脫碳分為物理吸收法和化學(xué)吸收法，物理吸收法是在不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的前提下，將天然氣注入有機(jī)溶劑作為吸收劑如碳酸丙烯脂、聚乙二醇二甲醚和甲醇等，依據(jù)二氧化碳在這些溶劑中的溶解度隨著溫度壓力變化的物理原理來(lái)溶解吸收二氧化碳。同時(shí)在高壓及低溫的條件下吸收劑吸收效果好，并且吸收效果還隨著壓力增加和溫度降低而進(jìn)一步增加。當(dāng)吸收劑吸收飽和后，通過(guò)降壓和增溫，吸收劑內(nèi)的將二氧化碳將分離出來(lái)，分離后的吸收劑仍可再次使用。化學(xué)吸收法是在吸收CO2過(guò)程發(fā)生可逆的化學(xué)反應(yīng)，在升溫和降壓后，化學(xué)反應(yīng)所生成的化合物分解并釋放出CO2，分離出CO2的吸收劑溶液又可再次使用。

1脫碳系統(tǒng)運(yùn)行概述

1.1胺液中鐵離子含量上升

如圖1所示，脫碳系統(tǒng)運(yùn)行至今，胺液中鐵離子含量不斷升高，自2017年8月28日起，鐵離子質(zhì)量濃度已超出廠控指標(biāo)（<50mg/L）。這說(shuō)明系統(tǒng)存在著腐蝕問(wèn)題，且在不斷的加劇，嚴(yán)重威脅著設(shè)備的運(yùn)行安全。當(dāng)鐵離子含量升高到一定程度，還會(huì)影響到溶液的化學(xué)特性，且溶液中雜質(zhì)會(huì)越來(lái)越多，從而引起塔內(nèi)填料堵塞，造成塔內(nèi)阻力增大，影響生產(chǎn)負(fù)荷，給系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行帶來(lái)不利因素。MDEA純?nèi)芤罕旧聿淮嬖诟g性，所以裝置部分傳輸貧胺液的設(shè)備管線設(shè)計(jì)采用的是碳鋼材質(zhì)，包括貧液泵出口管線、旁濾系統(tǒng)管線等。2017年7月裝置停車檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)碳鋼材質(zhì)管線、閥門存在嚴(yán)重的腐蝕情況。

2膜法天然氣脫碳方案介紹

2.1天然氣預(yù)處理系統(tǒng)

本項(xiàng)目為了保證膜的效率，在進(jìn)入膜之前設(shè)置了分子篩脫水系統(tǒng)和露點(diǎn)控制系統(tǒng)。來(lái)自壓縮機(jī)系統(tǒng)的天然氣壓力為7469kPaG，溫度為26℃，經(jīng)過(guò)分子篩系統(tǒng)進(jìn)行深度脫水，本項(xiàng)目采用“三塔”工藝對(duì)天然氣進(jìn)行脫水，兩塔操作，一塔再生。脫水后天然氣中的水含量小于等于1ppm，不僅保證了膜的效率，也防止了天然氣外輸過(guò)程中出現(xiàn)自由水，造成海底管道的腐蝕。經(jīng)過(guò)分子篩系統(tǒng)脫水后壓力為7373kPaG，溫度為26℃，進(jìn)入烴露點(diǎn)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用氣體的焦耳-湯姆遜效應(yīng)，對(duì)天然氣進(jìn)行節(jié)流降壓，將壓力降到5346kPaG，在降壓的同時(shí)溫度也降到10℃，這樣大量重?zé)N會(huì)凝結(jié)，凝結(jié)后的重?zé)N首先通過(guò)立式分離器進(jìn)行分離，再通過(guò)聚結(jié)過(guò)濾器對(duì)天然氣中攜帶的液滴進(jìn)行過(guò)濾，這樣保證了重?zé)N不會(huì)被天然氣攜帶到膜分離系統(tǒng)，保證了膜的分離效率。

2.2膜分離系統(tǒng)方案

為了保證處理效果，主要采用一套預(yù)分離膜組（Z-UT-1235001A/B/C）及一套分離膜組（Z-UT-1235002A/B/C/D）的工藝進(jìn)行脫碳，每組膜入口均設(shè)置了預(yù)熱器，為了保證進(jìn)入膜組溫度適宜，天然氣經(jīng)每組膜分離后，一部分氣是被脫除CO2的高壓貧氣，另一部分氣是富含CO2的低壓富氣。在預(yù)分離段，被脫除CO2的高壓貧氣，經(jīng)過(guò)膜加熱器（P-UT-1235002A/B）預(yù)熱后進(jìn)入分離膜組進(jìn)一步分離，經(jīng)分離膜后天然氣中含CO2≤3.0%（摩爾含量），合格天然氣一部分用做透平發(fā)電機(jī)的燃料，另一部分經(jīng)外輸壓縮機(jī)增壓后外輸。來(lái)自于預(yù)分離膜組的富氣和分離膜組的富氣壓力為400kPaG，經(jīng)管匯收集后進(jìn)入壓縮機(jī)，多級(jí)增壓后回注水下井口。

2.3膜分離系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

來(lái)自于露點(diǎn)控制系統(tǒng)的天然氣，首先通過(guò)換熱器將天然氣換熱到30-35℃，再進(jìn)入膜分離系統(tǒng)。膜分離系統(tǒng)在預(yù)分離段設(shè)置了三套膜組，在分離段設(shè)置了四套膜組。經(jīng)過(guò)換熱器后進(jìn)入膜分離系統(tǒng)的壓力為5300kPaG，在膜系統(tǒng)內(nèi)為了保證處理達(dá)標(biāo)以及進(jìn)入膜組溫度可控，在預(yù)分離入口設(shè)置了預(yù)加熱器，采用分程控制，根據(jù)各種不同處理量將天然氣的溫度控制在30-56℃之間。預(yù)分離膜組設(shè)置了旁通管線，在旁通管線上設(shè)置了流量控制閥，以保證操作的靈活性。當(dāng)處理量較大時(shí)，將旁通打開(kāi)，進(jìn)入旁通及預(yù)分離系統(tǒng)的流量各50%。在每套膜組出口均設(shè)置流量監(jiān)測(cè)，以監(jiān)測(cè)每套膜組的處理量，避免出現(xiàn)膜組處理量不均衡的情況出現(xiàn)。處理后的天然氣和未被處理的天然氣匯合，通過(guò)分析儀分析CO2、H2S、C6+以及露點(diǎn)后進(jìn)入膜加熱器，通過(guò)膜加熱器對(duì)溫度進(jìn)行微調(diào)，因?yàn)樵陬A(yù)處理過(guò)程中存在壓降，降壓的同時(shí)會(huì)有溫度下降。經(jīng)溫度微調(diào)后進(jìn)入膜分離系統(tǒng)，同樣在膜分離系統(tǒng)入口和出口均設(shè)置流量檢測(cè)，以保證各個(gè)模組的處理量均衡。處理后的天然氣經(jīng)分析儀檢測(cè)，確保天然氣中CO2含量≤3%，合格的天然氣壓力為4979kPaG。

結(jié) 語(yǔ)

高含二氧化碳天然氣脫碳處理工藝受諸多因素的制約，例如場(chǎng)站空間、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益等因素。在長(zhǎng)期的實(shí)踐中，優(yōu)選單純胺法一級(jí)脫碳工藝，對(duì)天然氣處理效果較好，為目前推廣應(yīng)用的處理工藝。同時(shí)由于二氧化碳對(duì)管道有一定的腐蝕性，處理工藝設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮多種因素，并選擇合適材質(zhì)的管道，防止后期運(yùn)行過(guò)程出現(xiàn)安全隱患。

參考文獻(xiàn)：

[1] 鄭志，韓永嘉，王樹(shù)立.高含CO2氣田水合物法脫碳工藝[J].油氣田地面工程，2010，1（6）：59-60.

[2] 李亞萍，趙玉君，呼延念超，等.MDEA/DEA脫硫脫碳混合溶液在長(zhǎng)慶氣區(qū)的應(yīng)用[J].天然氣工業(yè)，2009，10（36）：162-166.