輕烴回收工藝的方法及選擇

易良英(中油遼河工程有限公司， 遼寧 盤錦 124010)

輕烴回收工藝的方法及選擇

易良英(中油遼河工程有限公司， 遼寧 盤錦 124010)

輕烴回收是指將天然氣中比甲烷或乙烷更重的組分以液態(tài)形式回收的過程，本文結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了工程中常用的輕烴回收工藝方法及設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)，為類似的工程提供技術(shù)支持。

輕烴回收;工藝;方法;選擇

0 引言

從礦藏中開采出來的天然氣是組分十分復(fù)雜的烴類混合物，且含有少量非烴類雜質(zhì)。天然氣處理過程實(shí)質(zhì)上就是將通過及其系統(tǒng)集中后的天然氣經(jīng)過一系列處理，脫除其中的雜質(zhì)使其達(dá)到一定的氣質(zhì)指標(biāo)的過程。輕烴回收是指為使天然氣符合商品質(zhì)量指標(biāo)或管道輸送要求而采用的一些工藝過程。

1 輕烴回收產(chǎn)品方案

輕烴回收產(chǎn)品主要有液化天然氣、天然氣凝液、液化石油氣、天然汽油(穩(wěn)定輕烴)等。

1.1 天然氣

天然氣的技術(shù)指標(biāo)應(yīng)符合GB 17820《天然氣》的規(guī)定。

1.2 液化氣

液化氣產(chǎn)品應(yīng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB11174《液化石油氣》質(zhì)量要求。

1.3 穩(wěn)定輕烴

穩(wěn)定輕烴應(yīng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)《穩(wěn)定輕烴》GB9053中輕烴質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

2 輕烴回收工藝

2.1 輕烴回收總流程

輕烴又稱為天然氣凝液(NGL)，在組成上覆蓋C2～，含有凝析油組分(C3～C5)。輕烴回收是指將天然氣中比甲烷或乙烷更重的組分以液態(tài)形式回收的過程。輕烴回收的目的一方面是為了控制天然氣的烴露點(diǎn)以達(dá)到商品氣質(zhì)量指標(biāo)，避免氣液兩相流動(dòng)；另一方面，回收的液烴有很大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，可直接用作燃料或進(jìn)一步分離成乙烷、丙烷、丁烷或丙丁烷混合物(液化氣)、輕油等，也可用作化工原料。圖2.1-1為輕烴回收處理的示意框圖。

圖1 輕烴回收處理的示意框圖

輕烴回收過程目前普通采用冷凝分離法。輕烴回收工藝主要由原料氣預(yù)處理、壓縮、冷凝分離、凝液分離、產(chǎn)品儲運(yùn)、干氣再壓縮以及制冷等系統(tǒng)全部或一部分組成。

2.2 裝置設(shè)計(jì)規(guī)模的確定

(1)根據(jù)近10年內(nèi)進(jìn)入回收廠的天然氣量的變化范圍確定裝置的操作彈性、確定裝置的規(guī)模。

(2)年運(yùn)行天數(shù)為330d。

2.3 輕烴回收工藝簡介

2.3.1 原料氣預(yù)分離

(1)原料氣預(yù)處理的目的是脫除其攜帶的油、游離水和泥沙等雜質(zhì)，以及脫除原料氣中的水蒸汽、酸性組分和汞。

(2)當(dāng)采用淺冷分離工藝時(shí)，只要原料氣中CO2，含量不影響冷凝分離過程及商品天然氣的質(zhì)量指標(biāo)，就不必脫除原料氣中的CO2。當(dāng)采用深冷分離工藝時(shí)，由于CO2會(huì)在低溫下形成固體，堵塞管線和設(shè)備，故應(yīng)將其脫除至允許范圍之內(nèi)。

2.3.2 原料氣增壓

對于高壓原料氣(例如高壓凝析氣)，進(jìn)入裝置后即可進(jìn)行預(yù)處理和冷凝分離。

原料氣的壓力低于適宜的冷凝分離壓力時(shí)，應(yīng)設(shè)原料氣壓縮機(jī)。但當(dāng)原料氣為低壓伴生氣時(shí)，因其壓力通常僅為0.1～0.3MPa，為了提高氣體的冷凝率(即天然氣凝液的數(shù)量與天然氣總量之比，一般以摩爾分?jǐn)?shù)表示)，以及干氣要求在較高壓力下外輸時(shí)，通常都要將原料氣增壓至適宜的冷凝壓力后再冷凝分離。

原料氣增壓后的壓力，應(yīng)根據(jù)原料氣組成、NGL回收率或液烴收率(回收的NGL中某烴類或某產(chǎn)品與原料氣中該烴類或該產(chǎn)品烴類組分?jǐn)?shù)量之比，通常以摩爾分?jǐn)?shù)表示)，結(jié)合適宜的冷凝分離壓力、干氣壓力以及能耗等，進(jìn)行綜合比較后確定。

應(yīng)充分利用氣源壓力，在來氣管線上不宜設(shè)置節(jié)流閥。所選壓縮機(jī)應(yīng)允許入口壓力有一定的波動(dòng)范圍。天然氣入口壓力不宜低于0.15MPa(G)，并應(yīng)盡量提高。

2.3.3 原料氣脫水

原料氣壓縮一般都與冷卻脫水結(jié)合一起進(jìn)行，即壓縮后的原料氣冷卻至常溫后將會(huì)析出一部分游離水與液烴，分離出游離水與液烴后的氣體再進(jìn)一步脫水與冷凍，從而減少脫水與制冷系統(tǒng)的負(fù)荷。常用的脫水工藝有：甘醇吸收法脫水、吸附法脫水、低溫法脫水、空冷法脫水、冷劑制冷脫水、膨脹法脫水等。

管輸天然氣脫水深度應(yīng)滿足GB50251中關(guān)于管輸天然氣水露點(diǎn)的要求，天然氣含水量及水合物形成條件見GB 50251中附錄A。進(jìn)行深冷處理的天然氣，宜與下游處理工藝相結(jié)合，確定合理的脫水深度。汽車用壓縮天然氣增壓后的水露點(diǎn)應(yīng)符合GB18047 的規(guī)定，CNG加氣站脫水裝置宜采用吸附法脫水。

脫水裝置的處理能力按任務(wù)書或合同規(guī)定的日處理量計(jì)算，脫水裝置年工作時(shí)間應(yīng)考慮下游用戶要求及裝置檢修需要，宜按350天計(jì)，與天然氣凝液回收裝置配套的可按年工作時(shí)間8000h計(jì)算。

2.3.4 冷凝分離

制冷工藝選擇：工業(yè)上常用的制冷方法有冷劑制冷、膨脹制冷和冷劑與膨脹聯(lián)合制冷。應(yīng)根據(jù)具體條件，對各種可能采用的方法進(jìn)行技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的對比，選定最佳的制冷工藝。

冷凝分離壓力及溫度選擇：適宜的冷凝分離壓力及溫度，應(yīng)在冷凝計(jì)算的基礎(chǔ)上，根據(jù)原料氣的組成及壓力。工藝流程的組織及外輸壓力、收率及產(chǎn)品的要求、裝置的投資、運(yùn)行費(fèi)用等因素確定。為提高C3的收率，對于較貧的天然氣，冷凝分離部分宜采用DHX工藝。

2.3.5 輕烴分餾

輕烴分餾的目的是將輕烴進(jìn)一步切割以得到附加值更高的餾分，提高輕烴的加工深度和經(jīng)濟(jì)效益。輕烴回收工藝流程圖中的脫甲烷塔、脫乙烷塔等實(shí)質(zhì)上都是輕烴分餾設(shè)備輕烴分餾。

(1)流程中的第一個(gè)塔必須與冷凝分離單元一起考慮。回收乙烷及更重組分的裝置，應(yīng)先從凝液中脫除甲烷；需要生產(chǎn)乙烷時(shí)，再從剩余凝液中分出乙烷。回收丙烷及更重組分的裝置，先脫除甲烷及乙烷。剩余的凝液需要進(jìn)一步分餾時(shí)，可根據(jù)產(chǎn)品的要求、凝液的組成，進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定。

(2)脫甲烷塔的流程設(shè)計(jì)，應(yīng)符合下列規(guī)定

①采用多股凝液按不同濃度及溫度分別在與塔內(nèi)濃度及溫度分布相對應(yīng)的部位進(jìn)料。

②應(yīng)適當(dāng)設(shè)置1臺～2臺側(cè)重沸器。

③應(yīng)利用塔底物流的冷量，冷卻原料氣或冷劑。

(3)脫乙烷塔的流程設(shè)計(jì)，應(yīng)符合下列規(guī)定

①乙烷不作為產(chǎn)品的脫乙烷塔，宜采用無回流脫乙烷塔。如果采用了有回流的脫乙烷塔，應(yīng)保證精餾段有足夠的內(nèi)回流。

②乙烷作為產(chǎn)品的脫乙烷塔，必須要有回流。操作壓力應(yīng)

根據(jù)裝置是否出商品丙烷及冷卻介質(zhì)的溫度來確定。

(4)脫丙烷塔、脫丁烷塔等的流程設(shè)計(jì)，應(yīng)符合下列規(guī)定

①塔底物流的熱量應(yīng)盡量利用，宜用來加熱塔的進(jìn)料物流。

②塔頂冷凝器宜采用水冷器或空冷器。塔頂?shù)臏囟纫吮壤鋮s介質(zhì)的溫度高10℃～20℃，物流的冷凝溫度最高不宜超過55℃。

③塔的工作壓力應(yīng)根據(jù)塔頂產(chǎn)品的冷凝溫度、泡點(diǎn)壓力和壓降確定。

(5)分餾塔的控制，應(yīng)按以下要求進(jìn)行設(shè)計(jì)

①塔底溫度及液位和塔頂壓力均應(yīng)自動(dòng)調(diào)節(jié)。

②塔頂用泵提供回流時(shí)，應(yīng)通過自動(dòng)方式或手動(dòng)方式保持回流量基本穩(wěn)定。

③塔頂用分凝器產(chǎn)生回流時(shí)，應(yīng)保持提供的冷量基本穩(wěn)定。如果冷卻介質(zhì)的溫度波動(dòng)不大，可采用手動(dòng)調(diào)節(jié)冷卻介質(zhì)的流量。

④脫丙烷塔等由泵提供回流時(shí)，塔的壓力控制可采用熱旁路調(diào)節(jié)。

⑤塔頂出氣相產(chǎn)品，且無回流罐時(shí)，可通過塔頂出口管線控制壓力。當(dāng)有回流罐時(shí)，可通過回流罐氣相出口管線控制壓力。

3 輕烴回收工藝方法的選擇

選擇輕烴回收的工藝方法時(shí)，由于每一種工藝方法或流程都有其適用的條件，同時(shí)都存在一定的局限性，不可能存在適應(yīng)任何場合的最佳方案，在給定裝置的設(shè)計(jì)條件下，通常首先要考慮的主要問題是冷源，即內(nèi)部冷源和外部冷源問題。一般情況下，選擇輕烴回收工藝方法應(yīng)遵循如下原則：

①當(dāng)進(jìn)氣壓力與外輸干氣壓力之間有自由壓差可供用(增壓或無需增壓回收NGL)，且C3組分含量又不太多時(shí)，宜選用膨脹制冷法。

②當(dāng)有自由壓差可供利用，但原料氣中C2含量較少、回收價(jià)值又不大時(shí)，往往采用節(jié)流膨脹制冷法，降低水擊輕烴的露點(diǎn)，以滿足長輸管道對氣質(zhì)的要求。如制冷溫度還不夠低，再加制冷劑制冷作為輔助措施。

③對以回收C3為目的的小型輕烴回收裝置，應(yīng)根據(jù)伴生氣中C3含量情況，按圖2選擇相應(yīng)的工藝方法。處于三種方法交叉區(qū)時(shí)，應(yīng)選擇見效快、投資省的制冷劑制冷(如丙烷制冷)法，或單級膨脹制冷法，或二者相結(jié)合的混合制冷法，尤其是小型撬裝式回收裝置，更有見效快、靈活機(jī)動(dòng)的特點(diǎn)。

④當(dāng)干氣外輸壓力接近于原料氣壓力，回收C2而且要求C3回收率達(dá)到90%左右時(shí)，可參照圖3選擇相應(yīng)的工藝方法。

⑤當(dāng)原料氣中C2含量較多、裝置處理規(guī)模較大時(shí)，為了降低功率的消耗，宜采用膨脹制冷與制冷劑制冷相結(jié)合的混合制冷方法。原料氣壓力低時(shí)需考慮增壓單元。

4 結(jié)論

工藝方法的選擇應(yīng)因地制宜，從原料氣組成、裝置建設(shè)目的、產(chǎn)品回收率要求、生產(chǎn)成本和工程投資等方面綜合比較。一般當(dāng)天然氣(伴生氣)組成較富、處理量較小、裝置建設(shè)目的是回收C3且產(chǎn)品回收率要求不高時(shí)，宜選用淺冷分離工藝；而當(dāng)氣體組成較貧、處理量較大、希望回收較多乙烷時(shí)，應(yīng)采用深冷分離工藝。另外，對回收率也要定一個(gè)適宜的指標(biāo)，一般而言，深冷分離裝置的C2回收率高于90%時(shí)，投資及操作費(fèi)用明顯上升。這是因?yàn)樾枰黾优蛎洐C(jī)的級數(shù)以獲得更低的溫度等級，相應(yīng)的要求提高原料氣的壓力，而原料氣壓力提高后，設(shè)備、管線等壓力等級也隨之提高；制冷溫度下降，又需增加低溫鋼材的用量。因此，一般不單一追求過高的C2回收率，一般認(rèn)為60%～85%的C2回收率是比較合適的。對以回收C3為目的的淺冷分離裝置，一般情況下50%～80%的C3回收率是比較合適的。

圖2 輕烴回收裝置工藝方法的選擇

圖3 回收90%C3的最佳方法選擇

[1]GB 50350，油氣集輸設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]SY/T0077，天然氣凝液回收設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]SY/T0076，天然氣脫水設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4]GB 11174，液化石油氣[S].

[5]GB 17820，天然氣[S].

[6]GB 9053，穩(wěn)定輕烴.

[7]諸林.天然氣加工工程[M].第二版.北京.石油工業(yè)出版社，2008.

Method and selection of light hydrocarbon recovery process

Yiliangying(Liaohe Petroleum Engineering Co., Ltd. Panjin Liaoning 124010)

Light hydrocarbon recovery refers to natural gas than methane or ethane and heavier components in the process of recovery in liquid form, this paper combined with the practical engineering experience, summarizes the matters needing attention in design and technology of light hydrocarbon recovery method commonly used in engineering, for similar projects to provide technical support.

light hydrocarbonRecovery; Technology; Method; Choice

易良英(1985- )，女，重慶人，工程師，2007年畢業(yè)于中國石油大學(xué)(華東)，現(xiàn)主要從事石油天然氣設(shè)計(jì)和研究工作。