蒲 育，趙德銀,2，姚麗蓉,2，崔 偉,2，王 丹

(1.中國(guó)石油化工股份有限公司西北油田分公司，新疆 烏魯木齊 830011；2.中國(guó)石化縫洞型油藏提高采收率重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830011；3.中國(guó)空分工程有限公司，浙江 杭州 310000)

注氮?dú)馓岣卟墒章适强p洞型油藏提高采收率重要的方式之一。塔河油田2019年注氣增油產(chǎn)量在70萬(wàn)t，占其總產(chǎn)量的10.02%，注氮?dú)馓岣卟墒章誓隃p緩自然遞減率>5%，典型井采收率可提升15%。截止2019年低，塔里木盆地累計(jì)實(shí)施1332井次，增油261.1萬(wàn)t，并在華北、阿爾及利亞等油田成功應(yīng)用65井次，增油8萬(wàn)t。預(yù)計(jì)未來(lái)10年注氮?dú)忾_(kāi)發(fā)將是縫洞型油藏主要開(kāi)發(fā)手段，對(duì)全球縫洞型油藏(91億t)具有推廣價(jià)值。隨著注氮?dú)忾_(kāi)發(fā)的推進(jìn)，發(fā)現(xiàn)采出的天然氣中含氮量變化大，最高可達(dá)到40%，在一定程度上影響天然氣綜合利用價(jià)值，因此天然氣脫氮工藝技術(shù)開(kāi)發(fā)對(duì)高氮頁(yè)巖氣及EOR采出氣利用等均有重要意義。近年來(lái)，天然氣脫氮工藝技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用在世界范圍受到充分關(guān)注，但是我國(guó)目前有關(guān)天然氣脫氮工藝技術(shù)研究較少[1-3]。

目前應(yīng)用于工業(yè)的天然氣脫氮工藝主要包括溶劑吸收工藝、變壓吸附工藝和深冷脫氮工藝。溶劑吸收工藝是利用天然氣中甲烷等烴類(lèi)物質(zhì)與氮?dú)庠谝后w溶劑中的溶解度不同而達(dá)到分離的目的，這種工藝因溶劑選擇困難且循環(huán)量大，還需要制冷系統(tǒng)，近年來(lái)工業(yè)上很少采用。變壓吸附工藝是利用吸附劑對(duì)天然氣中各組分的吸附能力隨壓力的不同而有差異的特性達(dá)到分離的目的，該方法用于天然氣脫氮時(shí)存在吸附選擇性低、吸附容量有限、甲烷回收率低等缺點(diǎn)[4-9]。深冷脫氮工藝是根據(jù)N2與CH4的相對(duì)揮發(fā)度不同，用精餾的方法脫除氮?dú)?，具有處理量大、氮?dú)饷摮矢?、技術(shù)成熟可靠等特點(diǎn)，該工藝在工業(yè)中應(yīng)用較為普遍。

在實(shí)際生產(chǎn)中，常用的深冷脫氮工藝是雙塔工藝流程，該流程適用于氮?dú)夂肯鄬?duì)較高，處理高壓天然氣的大型脫氮裝置(處理量宜大于140×104m3/d)，但這種裝置要求原料組份必須維持相對(duì)固定，當(dāng)原料組份在短時(shí)間內(nèi)有大幅度變化時(shí)，雙塔工藝脫氮裝置無(wú)法正常運(yùn)行[4]。塔河油田注氮開(kāi)采的天然氣含氮量最高已達(dá)40%、含氮量波動(dòng)特別大(5%～40%)，原料天然氣壓力低(300 kPa)且裝置處理量小(30×104Nm3/h)，明顯不適用雙塔工藝流程。本文以塔河油田原料氣為例，從流程和工藝兩方面著手，在消化吸收雙塔深冷脫氮工藝基礎(chǔ)上，提出了一種適用于含氮量波動(dòng)大的天然氣單塔深冷脫氮工藝流程，該工藝具有流程簡(jiǎn)化、操作簡(jiǎn)單，且甲烷提取率高、能耗低、對(duì)原料組份變化適應(yīng)性好等特點(diǎn)，具體論述如下。

1 工藝流程介紹

典型的雙塔工藝流程是通過(guò)高壓塔、低壓塔分級(jí)精餾達(dá)到目的。低壓塔(操作壓力0.24 MPa)塔頂部分離出純度較高的氮?dú)饪苫厥绽茫邏核?操作壓力：2.4 MPa)塔頂部分離出純度約為50%的粗氮?dú)庵荒茏鳛閺U氣放空，從而降低了甲烷及氮?dú)獾幕厥章省?/p>

本文通過(guò)對(duì)典型雙塔工藝的優(yōu)化改進(jìn)，僅采用一個(gè)低壓塔(操作壓力0.24 MPa)，將重沸器置于低壓塔內(nèi)部，在重沸器中增加一股熱流以提高N2/CH4分離效率，達(dá)到精餾的目的，同時(shí)減少設(shè)備與冷能損失。此工藝流程為典型的開(kāi)式節(jié)流循環(huán)過(guò)程——林德-漢普遜循環(huán)，原料天然氣即起制冷劑的作用，本身又被液化。原料天然氣液化并過(guò)冷后節(jié)流至精餾塔壓力，在精餾塔中脫除氮?dú)獠⒔?jīng)換熱器回收冷量作為產(chǎn)品氣輸出。僅從低壓塔頂部排除純度較高的氮?dú)?，?jīng)回收冷量后可加以利用，裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，運(yùn)行可靠，流程如圖1所示。

圖1 深冷脫氮工藝流程圖

進(jìn)入液化單元的原料凈化氣經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后，在換熱器Ⅰ中預(yù)冷至一定溫度進(jìn)入重?zé)N分離器，分離后的天然氣繼續(xù)進(jìn)入換熱器Ⅰ液化，液化后的天然氣作為精餾脫氮塔塔底再沸器的熱源進(jìn)入低壓精餾塔底部提供熱量，同時(shí)被冷卻后進(jìn)入換熱器Ⅱ過(guò)冷，過(guò)冷后的LNG經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流至塔壓后進(jìn)入精餾塔脫氮，脫氮后的飽和LNG從塔底留出，經(jīng)LNG泵加壓至產(chǎn)品天然氣所需要的壓力后依次返回?fù)Q熱器Ⅱ、換熱器Ⅰ提供冷量，同時(shí)復(fù)熱后作為脫氮后的產(chǎn)品氣輸出至管網(wǎng)。精餾塔頂分離出的純度較高的氮?dú)夥祷負(fù)Q熱器Ⅰ提供冷量。

2 損失分析

2.1 工藝流程損失計(jì)算

ex=h-ha-Ta(s-sa)

換熱器Ⅰ：ΔeexchⅠ=(e1-e39)+(e4-e5)-(e25-e22)-(e24-e10)

換熱器Ⅱ?yàn)椋害exchⅡ=(e3-e6)+(e10-e23)

2.2 精餾塔壓力對(duì)比功耗及損失影響

圖2 同一含氮量下精餾損失及比功耗隨精餾塔壓力計(jì)算結(jié)果

3 工藝流程模擬

本文采用Aspen HYSYS軟件進(jìn)行工藝流程模擬，計(jì)算邊界條件基于塔河油田注氮開(kāi)采天然氣條件，即：壓力/流量：300 kPa/ 12500 Nm3/h；

組分：氮?dú)?%～40%、甲烷86.59%～51.59%、乙烷4.5%、丙烷1.63%、異丁烷3.8%、異戊烷4.4%、二氧化碳1.46%。

狀態(tài)方程選用PR方程，其中二氧化碳由預(yù)處理系統(tǒng)將其清除，換熱器最小溫差≥2.5℃，預(yù)處理系統(tǒng)壓降100 kPa，壓縮機(jī)等熵效率≥75%，泵等熵效率≥60%。工藝流程關(guān)鍵參數(shù)模擬結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 工藝流程關(guān)鍵參數(shù)表

根據(jù)模擬結(jié)果，在不同原料氣含氮量條件下，本文提出的工藝流程都能滿(mǎn)足塔底LNG含氮量≤3%的要求，且有較高的甲烷提取率和產(chǎn)品回收率；更重要的是，把換熱器II后-80℃的兩相LNG引入低壓精餾塔底部重沸器作為精餾塔底熱源，顯著提高了分離效率，同時(shí)該過(guò)程可將兩相LNG冷卻至-100℃，減少了液化過(guò)程的能耗。

根據(jù)表1的數(shù)據(jù)，將含氮量變化對(duì)工藝的單位能耗、氣化率以及甲烷提取率的影響趨勢(shì)作曲線(xiàn)，如圖3所示。

圖3 含氮量對(duì)比功耗及甲烷提取率的影響

4 工藝流程適應(yīng)性分析

圖4 換熱器溫差與含氮量關(guān)系

根據(jù)模擬結(jié)果，壓縮機(jī)排氣壓力一定時(shí)，換熱器最小溫差與產(chǎn)品氣中氮?dú)鉂舛葻o(wú)關(guān)，只與原料氣中含氮量有關(guān)，且隨著原料氣中含氮量增大而減小。壓縮機(jī)排氣壓力為2100 kPa，當(dāng)原料氣中含氮量增加到30%時(shí)，換熱器最小溫差<2.5℃，無(wú)法滿(mǎn)足換熱需求，此種條件下，工藝適應(yīng)的脫氮范圍為5%～30%。

根據(jù)相關(guān)勘探資料，極端情況下塔河油田原料氣含氮量可達(dá)55%，模擬計(jì)算可知滿(mǎn)足換熱器最佳效率點(diǎn)最小溫差(≥2.5℃)對(duì)應(yīng)的壓縮機(jī)排氣壓力為3100 kPa，在排氣壓力條件下，原料氣中含氮量進(jìn)一步增加至60%時(shí)，換熱器出現(xiàn)負(fù)溫差，無(wú)法滿(mǎn)足換熱需求，即壓縮機(jī)的排氣壓力3100 kPa時(shí)，工藝適應(yīng)的脫氮范圍為5%～55%，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)圖5。

圖5 換熱器最小溫差與含氮量的關(guān)系

按圖4、圖5的計(jì)算結(jié)果類(lèi)推，壓縮機(jī)排氣壓力繼續(xù)增大，工藝適應(yīng)的脫氮范圍也將變大，表明本工藝對(duì)原料氣中含氮量波動(dòng)具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。

5 結(jié)論

針對(duì)塔河油田注氮開(kāi)采天然氣含氮量波動(dòng)大(5%～40%)的特點(diǎn)，本文提出了一種單塔深冷脫氮工藝，該工藝具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)僅采用一個(gè)低壓塔，大大簡(jiǎn)化了工藝流程，且操作簡(jiǎn)單；將預(yù)冷液化后的LNG引入低壓塔重沸器內(nèi)作為熱源，顯著提高了分離效率、減少了工藝能耗。

(2)當(dāng)壓縮機(jī)排氣壓力為2100 kPa時(shí)，工藝適應(yīng)的脫氮范圍為5%～30%；當(dāng)壓縮機(jī)的排氣壓力3100 kPa時(shí)，工藝適應(yīng)的脫氮范圍為5%～55%，且隨著壓縮機(jī)排氣壓力的增大，工藝流程的可脫氮范圍也增大。因此本工藝對(duì)原料氣含氮量波動(dòng)的適應(yīng)性強(qiáng)。

(3)與雙塔工藝流程相比，此工藝減少一個(gè)高壓塔，且所涉及的設(shè)備均能實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，投資成本降低。

隨著資源的深入開(kāi)發(fā)，天然氣注氮開(kāi)采將成為趨勢(shì)，本文提出的適用于含氮量波動(dòng)大的天然氣單塔深冷脫氮工藝將為行業(yè)的發(fā)展提供參考和有益的幫助。