適用于FLNG的吸附分離技術與膜分離技術對比研究

胡蘇陽，花亦懷，蘇清博，李秋英

(中海石油氣電集團有限責任公司，北京 100028)

0 引言

吸附分離技術是基于不同吸附質分子在固體吸附劑表面上的熱力學和動力學差異，選擇性地吸附一種分子而達到與另一種分子分離的目的。而膜分離技術是基于不同分在在膜材料上的滲透率的不同，在膜兩側分壓梯度的作用下，一種分子優先通過分離膜而達到選擇性分離的目的。二者都可以彌補胺吸收法操作復雜、能耗高、空間占有量大的不足，但各自適用的場合需要進行對比研究。

1 吸附分離技術與膜分離技術實例對比

為了更好地了解吸附分離技術、膜分離技術的應用[1]條件，根據調研的Mallet處理廠、Grissik處理廠及Mewbourn處理廠，三個膜分離技術實例進行分析。分子篩選擇市場中廣泛使用的沸石分子篩13X-HP為吸附劑，在假設天然氣處理量、操作條件不變的情況下，計算所需吸附劑用量和在選定吸附塔直徑及裝填密度條件下的吸附塔高度。吸附分離技術與基于三種膜分離技術實例的對比如表1所示。

表1 吸附分離技術與基于三種膜分離技術實例的對比

從表1可以看出，當三個處理廠在壓力、天然氣處理量及原料氣與成品氣純度不變的情況下，采用吸附分離技術，一個周期(8 h)情況下需要脫除的 CO2量分別約為 1 550 t、1 440 t、3.86 t。Mallet處理廠及Grissik處理廠所需的13X-HP 分子篩的用量分別為 1.1萬t、1.01萬t，在吸附塔直徑為1.8 m、堆積密度為620 kg/m3的情況下，它們得吸附塔塔高分別約為 7.0 km、6.5 km。而對于Mewbourn處理廠來說，所需的13X-HP分子篩的用量為27.2 t，在吸附塔直徑和堆積密度相同情況下的塔高為17 m。可見，當 CO2的脫除量過大時，吸附分離工藝所需分子篩的質量特別大，吸附塔及其配套設備的尺寸非常大，占地面積大，造成投資成本高、運行維護難等問題，因此吸附分離技術不適于處理 CO2脫除量過大的情況。

2 吸附分離技術與膜分離技術實驗對比

為了更好地了解吸附分離技術的適用工況，對某天然氣凈化處理廠的三種膜分離實驗[2]進行對比分析。分子篩依然選擇沸石分子篩13X-HP為吸附劑，在假設天然氣處理量、操作條件不變的情況下，計算所需吸附劑用量和在選定吸附塔直徑及裝填密度條件下的吸附塔高度。吸附分離技術與基于三種膜分離實驗的對比如表2所示。

表2 吸附分離技術與基于三種膜分離實驗的對比

從表2可以看出，膜分離實驗中分別利用一級膜工藝、二級滲余氣工藝及二級滲透氣工藝，由于天然氣處理量不大、原料氣與成品氣純度的差異不大，一個周期(8 h)情況下需要脫除的 CO2量分別約為 10 kg、109 kg、69 kg。當一級膜工藝、二級滲余氣工藝及二級滲透氣工藝改為吸附分離工藝時，所需的13X-HP 分子篩的用量分別為 70 kg、770 kg、488 kg；在吸附塔直徑為 0.3 m、裝填密度為 620 kg/m3的情況下，塔高分別1.6 m、17.6 m、11.1 m。當天然氣的處理量、原料氣與成品氣純度的差異不大，CO2的脫除量較小時，吸附分離工藝所需分子篩的質量較少，吸附塔及其配套設備的尺寸較小，占地面積小，投資成本低。尤其是在空間占有量有限，如海上作業平臺等，吸附分離技術能滿足結構緊湊的要求。

而對于膜分離技術來說，只有當原料氣與滲透氣之間存在分壓梯度時，膜單元才能開始工作。分壓梯度也往往決定著滲余氣(產品氣)的純度，因為一旦滲余氣與滲透氣達到平衡，通過膜的凈通量為零。若在低溫氣體處理中采用膜分離技術，將原料氣中CO2含量降低到 50.0×10-6，那么膜分離系統處理工藝至少需要10級，此時膜單元的操作壓力將高達9 830 MPa。可見，膜分離技術更適用于CO2的大量分離以滿足管道氣的要求，而不適合用于低溫氣體處理的提純。

3 結論

(1)吸附分離系統規模取決于CO2脫除量，與天然氣的處理量、原料氣與成品氣純度的差異緊密相關，CO2脫除量過大會導致設備尺寸增加，投資成本變高。在空間占有量有限的情況下，吸附分離技術適用于天然氣處理量小、CO2脫除量小的天然氣精煉處理。

(2)膜分離系統適用于低質量天然氣的提純處理，當原料氣中 CO2含量較低且成品氣純度很高(達到50.0×10-6)時，需要性能更高的加壓設備及膜分離級數，會造成較大經濟損失。在低濃度 CO2條件下，一級膜工藝的 CH4損失率較高，不適合常規天然氣處理，但當氣田試采或氣井較為分散和偏遠時，比較適用。相比于一級膜工藝，二級滲透氣膜分離工藝更適合天然氣中 CO2脫除，但不適于成品氣對 CO2含量要求較高的工況。

(3)在有限的空間占有量及 CO2脫除量較大的情況下，如海上FLNG作業平臺，建議采用膜-吸附混合系統，膜分離技術用于低質量天然氣的提純，吸附系統用于天然氣的精煉，可有效降低成本提高效率。