天然氣膜法脫碳技術應用研究

尉少華

摘 要：天然氣中二氧化碳的存在會導致設備和管道的腐蝕，影響工藝安全，二氧化碳含量過高會導致天然氣熱值達不到規定要求，也不能滿足商用天然氣的技術要求。

關鍵詞：天然氣 脫碳工藝 處理方法

引 言

隨著清潔能源在全社會的廣泛應用，天然氣的需求量大大增加，推動了大型天然氣氣田不斷被發現和開采，因不同地層區塊特征差別，高含二氧化碳天然氣氣田不斷出現。天然氣輸送過程中若存在二氧化碳，會嚴重的腐蝕設備和管道，并且天然氣內二氧化碳含量過高造成熱值達不到要求規定，不能滿足商品天然氣的銷售的技術指標規定要求。目前天然氣處理脫碳工藝方法主要為干法脫碳和濕法脫碳。干法脫碳常用固體吸附和膜分離兩種方法，固體吸附是利用天然氣在加壓時含有的CO2能被吸附在多孔狀固體物質上，而當減壓時吸附的CO2脫出。由于固體吸附劑孔隙有限，因此吸附CO2的效率較低，且吸附量小。為此若想提高工藝流程中二氧化碳的吸附量，只能再增加吸附段并擴充設備規格，造成工藝流程復雜規模龐大，因此該工藝現場實際應用不廣泛。膜分離是將天然氣高速透過某種高分子聚合物薄膜，在高壓條件下薄膜會對天然氣中不同組分實現選擇性阻隔，造成了天然氣中不同組分透過膜的速率不同，進而將CO2組分與其它組分進行分離。根據脫碳過程天然氣組分是否發生化學變化，將濕法脫碳分為物理吸收法和化學吸收法，物理吸收法是在不發生化學反應的前提下，將天然氣注入有機溶劑作為吸收劑如碳酸丙烯脂、聚乙二醇二甲醚和甲醇等，依據二氧化碳在這些溶劑中的溶解度隨著溫度壓力變化的物理原理來溶解吸收二氧化碳。同時在高壓及低溫的條件下吸收劑吸收效果好，并且吸收效果還隨著壓力增加和溫度降低而進一步增加。當吸收劑吸收飽和后，通過降壓和增溫，吸收劑內的將二氧化碳將分離出來，分離后的吸收劑仍可再次使用。化學吸收法是在吸收CO2過程發生可逆的化學反應，在升溫和降壓后，化學反應所生成的化合物分解并釋放出CO2，分離出CO2的吸收劑溶液又可再次使用。

1脫碳系統運行概述

1.1胺液中鐵離子含量上升

如圖1所示，脫碳系統運行至今，胺液中鐵離子含量不斷升高，自2017年8月28日起，鐵離子質量濃度已超出廠控指標（<50mg/L）。這說明系統存在著腐蝕問題，且在不斷的加劇，嚴重威脅著設備的運行安全。當鐵離子含量升高到一定程度，還會影響到溶液的化學特性，且溶液中雜質會越來越多，從而引起塔內填料堵塞，造成塔內阻力增大，影響生產負荷，給系統的平穩運行帶來不利因素。MDEA純溶液本身不存在腐蝕性，所以裝置部分傳輸貧胺液的設備管線設計采用的是碳鋼材質，包括貧液泵出口管線、旁濾系統管線等。2017年7月裝置停車檢修時發現碳鋼材質管線、閥門存在嚴重的腐蝕情況。

2膜法天然氣脫碳方案介紹

2.1天然氣預處理系統

本項目為了保證膜的效率，在進入膜之前設置了分子篩脫水系統和露點控制系統。來自壓縮機系統的天然氣壓力為7469kPaG，溫度為26℃，經過分子篩系統進行深度脫水，本項目采用“三塔”工藝對天然氣進行脫水，兩塔操作，一塔再生。脫水后天然氣中的水含量小于等于1ppm，不僅保證了膜的效率，也防止了天然氣外輸過程中出現自由水，造成海底管道的腐蝕。經過分子篩系統脫水后壓力為7373kPaG，溫度為26℃，進入烴露點控制系統，該系統利用氣體的焦耳-湯姆遜效應，對天然氣進行節流降壓，將壓力降到5346kPaG，在降壓的同時溫度也降到10℃，這樣大量重烴會凝結，凝結后的重烴首先通過立式分離器進行分離，再通過聚結過濾器對天然氣中攜帶的液滴進行過濾，這樣保證了重烴不會被天然氣攜帶到膜分離系統，保證了膜的分離效率。

2.2膜分離系統方案

為了保證處理效果，主要采用一套預分離膜組（Z-UT-1235001A/B/C）及一套分離膜組（Z-UT-1235002A/B/C/D）的工藝進行脫碳，每組膜入口均設置了預熱器，為了保證進入膜組溫度適宜，天然氣經每組膜分離后，一部分氣是被脫除CO2的高壓貧氣，另一部分氣是富含CO2的低壓富氣。在預分離段，被脫除CO2的高壓貧氣，經過膜加熱器（P-UT-1235002A/B）預熱后進入分離膜組進一步分離，經分離膜后天然氣中含CO2≤3.0%（摩爾含量），合格天然氣一部分用做透平發電機的燃料，另一部分經外輸壓縮機增壓后外輸。來自于預分離膜組的富氣和分離膜組的富氣壓力為400kPaG，經管匯收集后進入壓縮機，多級增壓后回注水下井口。

2.3膜分離系統流程設計

來自于露點控制系統的天然氣，首先通過換熱器將天然氣換熱到30-35℃，再進入膜分離系統。膜分離系統在預分離段設置了三套膜組，在分離段設置了四套膜組。經過換熱器后進入膜分離系統的壓力為5300kPaG，在膜系統內為了保證處理達標以及進入膜組溫度可控，在預分離入口設置了預加熱器，采用分程控制，根據各種不同處理量將天然氣的溫度控制在30-56℃之間。預分離膜組設置了旁通管線，在旁通管線上設置了流量控制閥，以保證操作的靈活性。當處理量較大時，將旁通打開，進入旁通及預分離系統的流量各50%。在每套膜組出口均設置流量監測，以監測每套膜組的處理量，避免出現膜組處理量不均衡的情況出現。處理后的天然氣和未被處理的天然氣匯合，通過分析儀分析CO2、H2S、C6+以及露點后進入膜加熱器，通過膜加熱器對溫度進行微調，因為在預處理過程中存在壓降，降壓的同時會有溫度下降。經溫度微調后進入膜分離系統，同樣在膜分離系統入口和出口均設置流量檢測，以保證各個模組的處理量均衡。處理后的天然氣經分析儀檢測，確保天然氣中CO2含量≤3%，合格的天然氣壓力為4979kPaG。

結 語

高含二氧化碳天然氣脫碳處理工藝受諸多因素的制約，例如場站空間、經濟效益和環保效益等因素。在長期的實踐中，優選單純胺法一級脫碳工藝，對天然氣處理效果較好，為目前推廣應用的處理工藝。同時由于二氧化碳對管道有一定的腐蝕性，處理工藝設計時應綜合考慮多種因素，并選擇合適材質的管道，防止后期運行過程出現安全隱患。

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