小氣量高含碳伴生氣脫碳工藝

孫媛媛

摘 要： 本文對小氣量高含碳伴生氣用做燃料氣的三種脫碳方法工藝原理進行了簡要介紹，并對工藝方法的優缺點進行對比，結合工程實例對小氣量高含碳伴生氣脫碳工藝進行了優選。

關鍵詞 小氣量高含碳伴生氣；脫碳；膜分離法；變壓吸附法；活化MDEA法

我國油田伴生氣產量豐富，但一般通過火炬燒掉，尤其是邊遠井，不但造成能源浪費，還會產生大量的CO2，造成環境污染。最近幾年，伴生氣回收利用越來越受到研究和重視，伴生氣回收工藝中主要包括凈化（脫碳、脫硫、脫水）和輕烴回收。處理后的伴生氣可以用作燃料氣、CNG等用途。

油田伴生氣大多具有小氣量、低壓的特點，本文主要針對高含碳伴生氣用做燃料氣的脫碳方法進行分析介紹。小氣量高含碳伴生氣脫碳方法可以選擇膜分離法、變壓吸附法、活化MDEA法。

1 工藝方法簡介

1.1 膜分離法。膜分離法是目前世界上發展迅速的一項節能型CO2分離技術。工作原理就是利用一種高分子聚合物薄膜來選擇“過濾”進料氣而達到分離的目的。當兩種或兩種以上的氣體混合物通過聚合物薄膜時，各氣體組分在聚合物中的溶解擴散系數的差異，導致其滲透通過膜壁的速率不同。由此，可將氣體分為“快氣”（如H2O、H2、He等）和“慢氣”（如N2、CH4及其它烴類等）。混合氣體在驅動力（膜兩側相應組分分壓差）的作用下，滲透速率相對較快的氣體優先透過膜壁而在低壓滲透側被富集，而滲透速率相對較慢的氣體則在高壓滯留側被富集。

圖1.1-1 膜分離法工藝流程圖

膜分離的選擇性取決于制造商選用的膜材料及制備工藝，是決定膜分離系統性能和效率的關鍵因素。工業上用于CO2分離的膜材質主要有醋酸纖維素膜、聚砜膜、聚醚砜膜、聚肽膜、聚酰胺（PI）膜等。膜分離法具有一定的烴類滲透損失，凈化氣中CO2體積分數越高，甲烷和C2+損失率相應下降。膜法只適用于粗脫CO2，輕烴損失較大。

1.2變壓吸附法。利用吸附劑對氣體的吸附有選擇性，即不同的氣體（吸附質）在吸附劑上的吸附量有差異和一種特定的氣體在吸附劑上的吸附量隨壓力變化而變化的特性，實現氣體混合物的分離和吸附劑的再生。變壓吸附脫碳技術就是根據變壓吸附的原理，在吸附劑選擇吸附的條件下，加壓吸附原料氣中的CO2等雜質組分，而氫氣、氮氣、甲烷等不易吸附的組分則通過吸附床層由吸附器頂部排出，從而實現氣體混合物的分離，而通過“抽空降壓”的解吸工藝，降低吸附床的壓力使被吸附的CO2等組分脫附解吸，使吸附劑得到再生。

圖1.2-1 變壓吸附法工藝流程圖

吸附過程有以下特性：①吸附劑對氣體的吸附有選擇性，即不同的氣體（吸附質）在吸附劑上的吸附量有差異；②一種特定的氣體在吸附劑上的吸附量隨著其分壓的降低而減少。多床變壓吸附工藝可以保證在任何時刻都有相同數量的吸附床處于吸附狀態，使產品能連續穩定地輸出；保證適當的均壓次數，可以使產品有較高的回收率。一段變壓吸附可以使甲烷純度達到80%以上，多段變壓吸附可以實現更高要求的甲烷凈化，但具有一定的技術難度。

1.3 活化MDEA化學吸收法。對于高含碳伴生氣，可以采用活化MDEA溶液。采用活化MEDA的優點是降低了再生負荷，降低了腐蝕性和提高了抗降解性。活化MDEA化學吸收法是利用在MDEA與酸氣反應的基礎上，添加活化劑后改變了MDEA溶液吸收二氧化碳的歷程。活化劑起了傳遞CO2的作用，加快了反應速度。活化劑在表面吸收了CO2，然后再向液相MDEA傳遞，活化劑又被再生。活化MDEA法工藝流程圖見圖1.3-1。

圖1.3-1 活化MDEA法工藝流程圖

大多數工藝都達到相近的產品規定，但每種工藝略有不同，需要從再生能耗和溶劑受原料氣雜質影響的敏感性上去判斷。當原料氣中含重烴，在吸收塔類產生液體和凝液時，化學溶劑吸收工藝容易產生發泡問題。

2 三種方法優缺點分析。膜分離法、變壓吸附法和活化MDEA法的優缺點參見表2.1-1。

表2.1-1 脫碳方法優缺點比較

可見，在低壓、小氣量、高含碳的伴生氣脫碳工藝中，變壓吸附法在流程簡單、占地面積小、操作方便、節約能耗、節省投資方面均具有優勢，應首先推薦采用。

3 工程實例分析

以勝利油田濱南采油廠二首站伴生氣脫碳為例，比較三種脫碳工藝。濱二首站伴生氣共30000Nm3/d，甲烷含量為25.54mol%，CO2含量為70.53mol%，壓力為0.25MPa。脫碳后伴生氣作為燃料氣用，經過計算，甲烷濃度需為60%以上，甲烷回收率為80%以上。采用膜分離法處理后甲烷純度為58%，回收率為50%，不能滿足要求；采用變壓吸附法時，先用增壓機將伴生氣增壓至0.35MPa，再進入變壓吸附裝置，處理后甲烷純度為82%，甲烷回收率為94.99%；采用活化MDEA法時，先用增壓機將伴生氣增壓至0.8MPa，再進入吸附裝置和再生裝置，處理后甲烷純度可達60%以上，甲烷回收率為99%。投資方面，膜分離法由于采用國外進口Prison膜，價格昂貴，約為變壓吸附法3～4倍，活化MDEA法僅設備費就與變壓吸附法設計和安裝總費用相當，如果增加甲烷純度，投資將更高。可見，在將伴生氣脫碳做燃料氣的方法中，無論從脫碳效果，還是投資方面，變壓吸附方法均占據優勢。

4 結 論

在低壓、小氣量、高含碳的伴生氣用做燃料氣的脫碳工藝中，變壓吸附法較膜分離法和活化MDEA法具有工藝性能和投資方面的優勢，應首先推薦采用一段變壓吸附法進行脫碳處理。

參考文獻

[1]戴海林.天然氣處理廠脫除油田伴生氣中CO2技術分析及應用.現代化工，2013，[4]：103-105