高含二氧化碳天然氣脫碳技術(shù)論述

彭威 段文華（中國石油化工股份有限公司東北油氣分公司，吉林 長春130000）

天然氣的主要成分就是甲烷等烴類氣體，通常還含有一定量的H 2 S和CO 2 等酸性物質(zhì)，這些物質(zhì)會導(dǎo)致天然氣的品質(zhì)下降，同時也會影響集輸，最為主要的影響就是設(shè)備和管道的腐蝕作用。此外，天然氣內(nèi)含有比較多的CO2會造成其熱值比較低，燃燒發(fā)電受到影響，所以需要深入的研究天然氣脫除CO2的工藝，以保證其滿足各種環(huán)境的應(yīng)用。

1 天然氣脫碳技術(shù)概述

天然氣脫碳技術(shù)處理系統(tǒng)中存在一定的脫碳設(shè)備、二氧化碳回收裝置等，需要將脫除掉的二氧化碳進行回收再利用，然后回注到油氣井內(nèi)，大大提升產(chǎn)油效果。脫碳環(huán)節(jié)，需要將油田所開采出來的天然氣直接通入到吸收塔內(nèi)部，然后經(jīng)過與MDEA貧液的沖刷作用，使得二氧化碳被吸收，就能夠達到脫除效果。去除二氧化碳中的濕氣，應(yīng)該從塔頂流出，然后通入到脫水設(shè)備內(nèi)，從而可以達到凈化的效果。吸收二氧化碳富液要從塔底流出，然后直接通入到閃蒸罐內(nèi)，所獲取的烴類就能夠從塔頂流出，而塔中的二氧化碳?xì)怏w要進行必要的處理，并且能夠再次利用。為了可以全面的提升二氧化碳脫除處理效果，要采取必要的措施，降低成本、提高收益。在脫除前，要分析氣體內(nèi)二氧化碳的含量，選擇最佳的脫除處理措施。在實際操作中，要結(jié)合實際使用的需要，選擇合適的處理工藝，可以提升處理效果，同時也會產(chǎn)生更高的經(jīng)濟效益，達到使用的標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖1 原理圖

1 含CO 2 天然氣分類

目前我國的油氣田開采中，一般包含如下幾種CO 2 天然氣，結(jié)合具體情況選擇合適處理情況，如下所示。

（1）第一類天然氣。主要出現(xiàn)在深度為4 米的油氣井內(nèi)，CO2含量最高達97%～98%，此時并不需要進行脫碳或者脫烴處理，進行預(yù)處理后就能夠回注使用[4]。

（2）第二類天然氣。長嶺氣田登婁庫為主要代表，甲烷含量可以達到92.68%，CO2 含量＜3%，此時并不進行脫碳處理，如果檢測水露點符合要求，就可以直接傳輸?shù)郊敼艿纼?nèi)。

（3）第三類天然氣。該類天然氣中的甲烷含量為60% ～70%，CO 2 含量達到27%（平均），此時也不進行脫碳處理，主要水露點達標(biāo)就能夠用于天然氣使用。

2 脫碳方法

2.1 活化MDEA工藝

醇胺分子中含有一個羥基和一個胺基，從化學(xué)成分中分析，羥基能夠提升氣體的溶解性，而胺基在水溶液中會呈現(xiàn)出酸性，所以直接和CO 2 及H 2 S 等酸性氣體反應(yīng)然后脫除掉。醇胺法中脫CO 2 是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的MDEA 工藝[5]。

2.2 膜＋醇胺法工藝

集成處理工藝主要包含膜分離單元與醇胺法單元，膜分離技術(shù)的應(yīng)用主要是根據(jù)氣體內(nèi)的多種組分的不同溶解、擴散效率來進行，根據(jù)兩側(cè)氣體的分壓差不同來實現(xiàn)氣體分離，可以達到脫碳處理的效果。但是需要在處理前處分的了解氣體組分和特性，以保證所選擇的膜分離處理達到應(yīng)有的效果。

2.3 低溫分離工藝

低溫分離工藝主要是應(yīng)用原料內(nèi)部所存在的各種組分揮發(fā)性存在差異的情況進行處理，利用冷凍來進行制冷處理，在低溫的環(huán)境之下通過氣體內(nèi)各個組分來按照處理工藝進行冷凝處理，然后再經(jīng)過蒸餾處理裝置，將不同物質(zhì)根據(jù)蒸發(fā)溫度來逐步的分離處理。

2.4 變壓吸附工藝

變壓吸附（PSA）工藝是主要是應(yīng)用吸附劑來結(jié)合不同吸附容量來伴隨壓力變化而進行吸附作用，吸附劑的作用之下，加壓吸附可以將混合氣中的雜質(zhì)全面清除掉，減壓解吸雜質(zhì)在經(jīng)過吸附劑進行再生處理，可以達到最終的分離效果要求。

在PSA 應(yīng)用到分離CO 2 的工藝過程中，吸附劑對于二氧化碳的吸附能力比較強，根據(jù)目前掌握的情況，吸附效果如下所示：CO 2 ＞CO＞CH 4 ＞N 2 ＞H 2。

2.5 膜+變壓吸附工藝

集成工藝主要由膜分離和變壓吸附所聯(lián)合進行，在具體的處理過程中，應(yīng)該根據(jù)所需要處理的原料量、純度等參數(shù)來調(diào)整膜操作系數(shù)，然后就能夠有效的改變CO 2 的濃度及非滲透氣流量。

2.6 脫碳工藝優(yōu)缺點對比

（1）活化M DEA 工藝。這種處理工藝的主要優(yōu)勢就是酸氣溶解度較高、烴類（C 3+）溶解度較低、熱穩(wěn)定性比較強且不存在毒害特性；富液可以利用降壓方式來蒸出氣體內(nèi)的CO 2，所以該種方式在應(yīng)用的過程中其能耗相對較低；缺陷在于流程復(fù)雜性高，需要投入大量的設(shè)備才能完成，且所應(yīng)用的MDEA 溶劑成本比較高。

（2）膜+醇胺法工藝。這種處理工藝主要就是利用膜分離技術(shù)可以實現(xiàn)二氧化碳的全面脫除處理，然后再需要利用醇胺法來進行細(xì)致化的脫除處理，進而可以保證脫碳效果達到最佳狀態(tài)。缺陷在于膜材料、膜分離單元的技術(shù)整體復(fù)雜性過高，尤其是所需要建設(shè)應(yīng)用的天然氣凈化膜處理，我國還沒有相應(yīng)的成功經(jīng)驗可以借鑒，所以導(dǎo)致該技術(shù)發(fā)展緩慢。

（3）低溫分離工藝。該技術(shù)的優(yōu)點就是可以處理二氧化碳含量較高的氣體處理中，尤其是應(yīng)用到開采中的二氧化碳含量變化范圍較大的情況，針對于流量過高的情況有著非常好的效果。缺點就是前期投入量比較大，且系統(tǒng)能耗非常高。

（4）變壓吸附工藝。該工藝的主要優(yōu)勢就是常溫環(huán)境下可以完成整個操作，且并不存在腐蝕性的物質(zhì)，設(shè)備、管道等不會發(fā)生嚴(yán)重?fù)p壞問題，平均壽命超過15年，且后續(xù)的維護與保養(yǎng)成本相對較低；整個系統(tǒng)可以通過計算機來實現(xiàn)自動化控制，還能夠根據(jù)系統(tǒng)的運行需要來切斷故障塔，進而可以保證整個系統(tǒng)的運行達到安全性、穩(wěn)定性的要求；處理過程中并不需要使用蒸汽，電能的消耗量比較小；CH 4 損失率＜1.0% ，回收的CO 2 的純度可以達到95.50%以上。缺點是：PSA 工藝要想能夠獲取濃度非常高的二氧化碳?xì)怏w，就要在系統(tǒng)中設(shè)置比較多的吸附塔裝置，所以整個系統(tǒng)的建設(shè)成本相對較高，經(jīng)濟效益并不明顯，需要慎重選擇。

（5）膜+變壓吸附工藝。該工藝具體優(yōu)勢如下所示：CH 4損失率＜0.5%，回收的CO 2 純度在98.0%以上；水露點達到-50 ℃，不需要使用脫水結(jié)構(gòu)就能夠滿足設(shè)計需要；運行的能耗相對較低且操作簡便，并不需要多高的技術(shù)水平就能夠完成操作，整個系統(tǒng)的占地面積相對比較小、運行成本低，其在處理過程中、處理結(jié)束后不會產(chǎn)生大量的污染物。缺陷在于初期的設(shè)備資金投入量較大，且當(dāng)前我國還沒有該技術(shù)的應(yīng)用先例，要綜合考慮后才能確定應(yīng)用。

3 結(jié)語

對于天然氣中所含有的二氧化碳?xì)怏w來說，其會影響天然氣的正常應(yīng)用，如果不進行必要的脫碳處理，會導(dǎo)致設(shè)備和管道的異常損壞，影響整個系統(tǒng)的安全性。基于此，在天然氣開采環(huán)節(jié)，應(yīng)該采取合理的處理工藝，以更好的降低天然氣內(nèi)的二氧化碳等氣體的含量，以滿足正常使用的需要，但是要結(jié)合不同組分選擇合適的脫碳工藝，并且進行技術(shù)與經(jīng)濟性的對比，以選擇最為合理的脫碳處理工藝，滿足我國油氣田開采需要，積極的促進能源領(lǐng)域的發(fā)展和進步。