碳酸鉀—二乙醇胺復合溶液脫除伴生氣中二氧化碳

張新軍1青島科技大學；2中國石化石油工程設計有限公司

碳酸鉀—二乙醇胺復合溶液脫除伴生氣中二氧化碳

張新軍1；21青島科技大學；2中國石化石油工程設計有限公司

為了進一步提高脫碳性能，結合勝利油田CO2驅現場采出氣的實際組成，進行了新型本菲爾脫碳藥劑開發。采用耐壓攪拌實驗裝置對中壓條件下碳酸鉀及其復合溶液脫除CO2情況進行了實驗研究。在模擬采出氣中反應溫度為70.0℃、反應壓力為0.3 MPa條件下，優選出30%K2CO3+2%DEA的復合胺吸收藥劑，每升溶液的CO2吸收總量為81.72 L，再生溫度為106℃，每升CO2的再生能耗為6.15×10-3kW·h，再生率為92.66%。

二氧化碳；采出氣；碳酸鉀；二乙醇胺

隨著CO2驅三次采油技術的應用，CO2驅采出液地面處理工藝面臨一些難題：CO2被注入地下后，約有50%～60%封存于地下，剩余的40%～50%則隨著油田伴生氣溢出[1]；如果不對采出氣中的CO2進行分離處理，不但會造成后續集輸管線及設備腐蝕，而且會降低CO2實際封存率。

經過前期大量調研，確定采用熱鉀堿工藝作為基礎脫碳工藝[2-3]。為了進一步提高脫碳性能，結合勝利油田CO2驅現場采出氣的實際組成，進行了新型本菲爾脫碳藥劑開發。采用耐壓攪拌實驗裝置對中壓條件下碳酸鉀及其復合溶液脫除CO2情況進行了實驗研究。

1 實驗裝置及流程

在伴生氣脫除CO2實驗裝置中，從鋼瓶流出的CO2和CH4通過流量計定量控制，確保混合氣中混合氣進入氣體混合緩沖鋼罐，使氣體充分混合，達到均衡狀態，同時起到穩壓作用。電熱恒溫水浴鍋中的螺旋金屬管可對混合氣體進行加熱，使反應氣進入反應釜之前達到設定溫度。反應溫度為70.0℃，反應釜中吸收液總體積為500 mL。

2 碳酸鉀基礎實驗

（1）吸收實驗。為了研究不同濃度的碳酸鉀對吸收效果的影響，在0.3 MPa、70℃、CH4和CO2混合氣體體積比為1∶1的條件下，對10%～50%的碳酸鉀溶液進行了吸收實驗對比。在實驗條件都相同的情況下，各組分吸收速率的變化趨勢幾乎一致，反應初期吸收速率很高，在前100 min吸收速率下降很快；反應中期保持一定的吸收速率，且下降緩慢；反應后期吸收速率較低，速率緩慢下降，吸收逐漸趨于飽和，反應結束。從不同壓力對碳酸鉀吸收速率的影響圖中可看出，其他條件不變的情況下，吸收速率隨著壓力的升高而增大。壓力增大會強化在氣液界面的表面擾動，使得二氧化碳吸收速率較常壓模型值大，并且該速率隨壓力的增大而增加。從勒沙特列原理角度進行分析，碳酸鉀吸收二氧化碳過程是可逆反應，正反應是一個體積變小的過程，增加壓力會促使反應向正方向進行，從而可以加快二氧化碳的吸收速率。但隨著壓力的不斷上升，壓力影響效果逐漸降低。

（2）再生實驗。通過再生實驗裝置對吸收完二氧化碳的富液進行加熱，碳酸鉀吸收二氧化碳生成碳酸氫鉀，再生過程就是對碳酸氫鉀加熱分解，生成碳酸鉀、水和二氧化碳。通過對不同濃度碳酸鉀溶液進行吸收、再生實驗。從實驗結果可以看出，30%的K2CO3溶液吸收量最大（75.62 LCO2/L溶液），再生溫度為109℃，高于10%K2CO3、20% K2CO3溶液的再生溫度，再生能耗最低（6.91×10-3kW·h/LCO2），再生率最高（89.30%）。雖然30%的K2CO3溶液再生溫度不是最低，但是二氧化碳吸收量最大，再生能耗最低且再生率最高。經過綜合對比分析，在單組份碳酸鉀溶液基礎實驗中，濃度為30%的K2CO3溶液是較佳的采出氣吸收溶劑。

3 K2CO3—DEA復合實驗

（1）吸收實驗。向碳酸鉀溶液中加入少量活化劑二乙醇胺（DEA），可以加快碳酸鉀與二氧化碳的反應過程。在0.3 MPa、70℃的條件下，對吸收氣體體積比為1∶1的甲烷和二氧化碳混合氣體，進行了30%K2CO3+1%DEA+H2O、30%K2CO3+ 2%DEA+H2O、30%K2CO3+3%DEA+H2O、30% K2CO3+4%DEA+H2O、30%K2CO3+5%DEA+H2O 5種不同配比溶液CO2吸收的實驗。由不同濃度溶液的吸收速率與時間的變化關系可以看出，加入不同比例二乙醇胺的碳酸鉀溶液，吸收二氧化碳的速率有明顯上升，且隨著DEA濃度的增加，起始速率也隨著增加，說明DEA藥劑對碳酸鉀溶液吸收二氧化碳的速率有較好的加速催化作用。從不同配比溶液的吸收量與時間的關系曲線中可以看到，30%K2CO3+2%DEA配比的溶液吸收二氧化碳總量最大。

（2）再生實驗。對5種不同配比溶液進行吸收和再生實驗，通過對比結果可以看出，30%K2CO3+ 2%DEA的溶液吸收量最大（81.72 L CO2/L溶液），再生溫度最低（106℃），再生能耗最低（6.15× 10-3kW·h/L CO2），再生率最高，達到92.66%。從設備的防腐方面考慮，再生溫度越高，對設備的腐蝕越嚴重。經過綜合對比分析，在K2CO3—DEA復合實驗中，30%K2CO3+2%DEA的配比溶液是最佳的采出氣吸收藥劑。

4 結語

[1]楊向平，陸詩建，高仲峰，等．基于電位法和酸堿度法的醇胺溶液吸收二氧化碳[J]．中國石油大學學報，2010，34（2）：140-144.

[2]李桂明，楊紅健，賈慶，等．MDEA水溶液脫碳平衡溶解度和動力學研究[J]．西南石油大學學報，2007，29（4）：129-133.

[3]陳庚良．醇胺法脫硫脫碳工藝的回顧與展望[J]．石油與天然氣化工，2003，32（3）：134-142.

（欄目主持楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.2.012

基金論文：國家科技支撐計劃項目“大規模燃煤電廠煙氣CO2捕集、驅油及封存技術開發及應用示范”（2012BAC24B00）。