高分子膜脫碳系統優化方法探討

張國欣 王軍奇（中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057）

高分子膜脫碳系統優化方法探討

張國欣 王軍奇（中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057）

高分子膜脫碳處理系統在中海石油（中國）有限公司湛江分公司樂東15-1氣田起著至關重要的作用。本文就高分子膜脫碳處理系統運行中出現的問題進行分析，提出優化該處理系統的方法。

高分子膜；脫碳；優化

中海石油（中國）有限公司湛江分公司樂東15-1氣田為采氣平臺，由于生產需求設計有兩臺Solar C40型燃氣天然氣壓縮機進行天然氣的壓縮外輸，天然氣壓縮機的燃料氣來源于本氣田高烴單井，由于單井天然氣烴組份隨著氣井的開發生產在逐漸下降，當單井組份低于天然氣壓縮機燃料氣要求時就會導致天然氣壓縮機無法使用，影響整個氣田的正常生產。因此氣田引進了一套高分子膜脫碳處理系統（以下簡稱膜脫碳系統）脫除外輸干氣中的二氧化碳以滿足天然氣壓縮機的使用，而在膜脫碳系統運行中出現了膜脫碳效率下降過快的現象。本文針對該問題進行分析，提出解決該問題的方案。

1 膜脫碳系統簡介

膜脫碳法是利用膜對不同組份氣體的選擇透過性不同，通過膜前后的壓差作為驅動力來脫除處理氣中的二氧化碳。該處理系統相比于醇胺法脫碳具有占地空間小、能耗低、操作簡便等優點，其工藝流程如圖1。

原料氣首先進入聚結過濾器脫除氣流中0.3μm以上的液滴和固體顆粒，再經過原料氣電加熱器將氣體的溫度加熱至60℃，然后進入到活性炭過濾器除去C7以上的重烴，脫除重烴的原料氣進入籃式過濾器和二級過濾器除去氣流夾帶的液滴及固體顆粒后進入一級膜分離器進行二氧化碳的脫除，為了提高脫除精度，流程設計有二級膜分離器。一級膜分離器出口經過初次處理的天然氣進入級間加熱器加熱至60℃，進入二級膜分離器進行深度脫碳，最終處理合格的天然氣供給天然氣壓縮機燃燒，富含二氧化碳的尾氣排放至火炬系統。

2 膜脫碳系統運行中出現的問題

膜脫碳系統安裝完成后，氣田對該系統的脫碳性能進行了測試，測試結果見表1。

調試階段處理后天然氣組份和設計的理論值基本匹配，符合設計要求，可以滿足本氣田天然氣壓縮機的正常使用。

但是系統在后期投入運行的過程中出現了處理后氣體組份異常持續性降低的現象，摘取運行過程中具有代表性的數據進行統計，其變化情況如表2。

由上表可以看出，在膜脫碳系統正式投用四個多月的時間內，處理后天然氣組份下降明顯，處理后氣體甲烷值由65.02%下降至54.56%，二氧化碳由18.5%上升至31.77%，很快將不滿足天然氣壓縮機燃料氣的組份要求。按照設計該高分子膜使用壽命為2～3年，而實際使用壽命只有4個多月，明顯和設計不符。

膜脫碳系統測試數據表投用膜編號進氣壓力MPa 原料氣流量Sm3/h 原料氣組份處理后氣體組份A B C D E F G CH4%CO2%N2%CH4%CO2%N2%7.01 600 44.35 45.22 8.67 68.66 15.63 13.07 7.01 678 42.43 47.3 8.51 67.13 16.04 13.85 7.00 556 43.90 45.37 8.97 68.75 14.03 14.18 7.01 595 43.89 45.36 8.99 69.57 12.88 14.73 7.02 650 43.62 45.7 8.92 66.51 16.35 14.02 7.01 583 43.77 45.52 8.95 70.41 10.32 14.89 7.03 635 43.51 45.81 8.92 68.16 14.48 14.28

圖1：膜脫碳系統流程簡圖

表2：膜脫碳系統運行組份分析表

3 原因查找

根據膜脫碳系統運行組份分析表看出，原料氣壓力、組份基本穩定，原料氣流量逐漸增長是因為燃料氣組份逐漸降低，天然氣壓縮機要保證額定的功率而增加的燃料氣量。

在正常運行過程中系統各過濾器、加熱器均正常使用。

鑒于以上原因我們停用了膜脫碳系統并對系統中各容器進行了開罐檢查，檢查結果如下：

a、聚結過濾器：內部結構正常，整體較干凈；

b、活性炭過濾器：瓷球表面很干凈，將活性炭翻到上面后取樣，外觀較為松散，測量新活性炭和吸附后活性炭的裝填密度，新活性炭的裝填密度0.5g/cm3，而吸附后活性炭的裝填密度為0.71g/cm3，增加了42%，說明活性炭已經吸附飽和。

c、二級過濾器：濾芯較干凈，內部有少量活性炭粉末；

d、C組高分子膜：外側上半部分干凈，但下半部分有明顯的液體干涸痕跡及黑色固體雜質，內側較干凈，無明顯液固雜質。

e、取原料氣進行重烴組份化驗，結果與調研設計時基本一致，排除原料氣中重烴增多的因素；

根據以上檢查得出：高分子膜分離效果異常持續降低的原因可能是：

a、高分子膜本身存在質量問題，無法達到設計要求；

b、處理氣有重烴帶入并污染了高分子膜組，影響了高分子膜的脫碳效果。

4 解決方法

與高分子膜廠家確認膜本身是否存在質量問題，若存在質量問題需要進行膜組的換型，若膜組本身不存在質量問題，則應考慮從提高膜脫碳系統預處理撬塊脫除重烴的能力，保證膜組不被重烴污染方面解決該問題：

a、檢查聚結過濾器濾芯，判斷濾芯是親油還是親水性，如果是親水性則需要對濾芯換型，親水性濾芯會嚴重影響聚結過濾器對重烴的分離效果；

b、定期更換活性炭過濾器內的活性炭，防止活性炭過濾器飽和；

優點：能保證活性炭吸附能力；

缺點：更換時工作量較大，且更換周期短，不利于成本控制。

c、進行工藝流程改造，增加活性炭過濾器再生裝置，使活性炭過濾器一吸附一再生，保證活性炭對重烴的吸附能力；

優點：吸附再生自動切換，能有效保證活性炭吸附能力；

缺點：需要較大工藝改造及增加新工藝設備，受限與平臺緊湊的空間及成本控制。

d、在脫碳系統預處理撬塊前增加J-T閥，降低進入預處理撬塊的燃料氣溫度，提高聚結分離器的重烴分離效果；

優點：改造流程簡單，成本較低；

缺點：經過J-T閥后有較大壓力降和溫度降，對膜的分離效果及加熱器負荷有影響，其重烴分離深度受限與聚結分離器的分離效果。

e、在脫碳系統預處理撬塊前增加膨脹壓縮機和冷分離器，將原料氣中的重烴脫除；

優點：壓降小，重烴分離深度高；

缺點：要增加一套膨脹壓縮機和冷分離器，受限與平臺緊湊的空間及成本控制。

f、增加一套新型的高效分離器，直接分離出原料氣中的重烴；

優點：改造幅度小，分離效果好；

缺點：增加一個高效分離器，受限與高效分離器的分離精度及平臺緊湊的空間和成本控制。

5 結語

綜合以上分析的優缺點，我們決定采取在脫碳系統預處理撬塊前增加J-T閥的改造方案進行測試，檢驗其分液能力及高分子膜的脫碳效果，若分液能力效果不好，則優先嘗試增加一套新型的高效分離器或膨脹壓縮機及冷分離器的方法對原料氣中的重烴進行分離，以保證高分子膜不被污染，維持其正常的脫碳能力。

[1]富含二氧化碳的天然氣分離及其利用姚曉龍，王彥明，李新奇-《廣州化工》.

[2]分離二氧化碳膜過程技術經濟分析王志，楊東曉，張晨昕，...-《化工進展》.