胡成勇 王亞彬 安杰 張寶 周鵬飛
(中國石油集團(tuán)工程設(shè)計有限責(zé)任公司北京分公司)
油氣田產(chǎn)出的天然氣中往往含有水分及 H2S、CO2等雜質(zhì),這些物質(zhì)的存在容易導(dǎo)致天然氣在集輸過程中凍堵或腐蝕管道及設(shè)備,因此,需采取一定的防凍措施及凈化措施。通常,當(dāng)氣流溫度低于天然氣水露點溫度時易形成水合物,防止天然氣水合物形成的方法主要有加熱和注抑制劑兩種,相對于鹽類水合物抑制劑而言,醇類抑制劑使用較為廣泛,主要包括甲醇、乙二醇和二甘醇。常用水合物抑制劑的性質(zhì)見表1。
在各種抑制劑質(zhì)量濃度相同的條件下,甲醇使水合物生成溫度的降幅最大,抑制效果最好,乙二醇次之,二甘醇最小。甲醇的凝點遠(yuǎn)低于乙二醇和二甘醇,因而,甲醇適用的氣體溫度范圍更寬。此外,甲醇的蒸汽壓最高,注入管道和設(shè)備后容易汽化與濕氣充分混合,可以直接注入,操作方便。但是,由于甲醇易揮發(fā)且有毒,對操作人員的健康有一定影響,并且,常規(guī)甲醇回收工藝流程復(fù)雜、難度大、能耗高、甲醇消耗量大且污染環(huán)境,因此,制約了甲醇的應(yīng)用。新型甲醇?xì)鈶B(tài)回收工藝可簡化甲醇回收流程、提高甲醇回收率、降低甲醇消耗量,可以有效改善甲醇回收利用難的狀況。
表1 常用水合物抑制劑的性質(zhì)
氣田各集氣站含甲醇污水由罐車?yán)\至天然氣凈化廠甲醇回收裝置進(jìn)行集中回收處理。常規(guī)精餾法甲醇回收工藝流程見圖1。
工藝流程:低濃度甲醇污水經(jīng)過濾器濾除雜質(zhì)顆粒,然后,經(jīng)換熱器預(yù)熱后進(jìn)入甲醇精餾塔,甲醇汽化后進(jìn)塔頂冷凝器冷凝,冷凝后的高濃度甲醇溶液進(jìn)入回流罐,經(jīng)回流泵增壓后,一部分進(jìn)入甲醇儲罐,一部分進(jìn)入塔頂進(jìn)一步精餾提純,回收的甲醇純度大于90%。精餾塔底污水換熱后去水處理站。釜式重沸器采用蒸汽作為熱源,塔頂冷凝器采用冷卻水作為冷源。
圖1 常規(guī)精餾法甲醇回收工藝流程
甲醇?xì)鈶B(tài)回收工藝是利用甲醇沸點低,在醇水溶液中分壓高的特性,在經(jīng)過特殊設(shè)計的氣提器內(nèi),利用極性絡(luò)合物的特性將甲醇與水分離,具有流程短、易于操作、甲醇消耗量低的特點,可實現(xiàn)天然氣處理過程中甲醇的在線回收。
IFPEXOL是法國石油研究院研發(fā)的氣體凈化工藝,包含脫水(IFPEX-1)和脫硫(IFPEX-2)2個部分。其中,IFPEX-1工藝基于低溫甲醇作為防凍劑,采用丙烷制冷工藝回收天然氣凝析油,采用氣態(tài)回收工藝回收甲醇。
IFPEX-1工藝流程:入口天然氣經(jīng)氣液分離后分為2股,一股作為氣提氣進(jìn)入吸收塔下端與來自上端三相低溫分離器的甲醇水溶液逆流接觸,由于甲醇揮發(fā)性高,溫度相對較高的天然氣與甲醇水溶液接觸過程中,可以將水溶液中的甲醇?xì)馓岢鰜恚瑢崿F(xiàn)氣態(tài)甲醇回收;另一股與吸收塔頂部富含甲醇的氣流匯合,經(jīng)換熱器預(yù)冷并經(jīng)丙烷蒸發(fā)器進(jìn)一步制冷后,進(jìn)入三相低溫分離器,實現(xiàn)干天然氣、天然氣凝析油、甲醇水溶液的分離,甲醇水溶液經(jīng)循環(huán)泵打入吸收塔實現(xiàn)甲醇回收,天然氣凝析油回收儲存,干天然氣經(jīng)換熱器換熱后,作為商品氣外輸或者進(jìn)行進(jìn)一步處理。IFPEX-1工藝流程見圖2。
1.3.1 工藝流程方面
常規(guī)精餾法甲醇回收工藝流程長、動設(shè)備多,尤其是精餾塔為全塔,操作較為復(fù)雜,一般用于甲醇污水的集中處理;而甲醇?xì)鈶B(tài)回收工藝可實現(xiàn)甲醇在線回收,無需集中處理回收,簡化了甲醇回收流程。
圖2 IFPEX-1工藝流程
1.3.2 投資能耗方面
甲醇?xì)鈶B(tài)回收工藝無需增設(shè)加熱裝置,能耗小、投資低。若入口天然氣溫度不高,可先經(jīng)換熱器與站內(nèi)壓縮機(jī)后高溫氣體進(jìn)行換熱后再進(jìn)吸收塔,以提高氣提氣溫度,有利于提高甲醇?xì)鈶B(tài)回收率,降低甲醇消耗量。
1.3.3 甲醇?xì)鈶B(tài)回收工藝其他特點
一是,天然氣尤其是煤層氣開采過程中,原料氣中一般含有煤粉、沙礫等雜質(zhì),采用低溫分離法進(jìn)行天然氣脫水時,部分雜質(zhì)不可避免地會存在于液相天然氣凝析油中。采用甲醇?xì)鈶B(tài)回收工藝,所回收甲醇純度高、潔凈,所回收氣態(tài)甲醇的純度高達(dá)95%。
二是,甲醇?xì)鈶B(tài)回收后,剩余污水中的甲醇含量較低,可直接回收利用,另外,溶解在天然氣凝析油中的甲醇,可通過簡單水洗進(jìn)行回收,不影響天然氣凝析油的處理加工。
近幾年,中國依據(jù)油氣田實際情況,在國外IPFEX-1脫水工藝的基礎(chǔ)上,對甲醇?xì)鈶B(tài)回收工藝進(jìn)行了改進(jìn):一是,對進(jìn)入吸收塔的天然氣做加熱處理,采用高溫天然氣作為氣提氣與甲醇富液在吸收塔內(nèi)接觸,可大幅提高傳質(zhì)效率,降低氣提氣循環(huán)量;二是,把吸收塔和三相低溫分離器集成為合一裝置,縮減了工藝流程,降低了設(shè)備投資。
2007年投產(chǎn)的新疆克拉瑪依盆五氣田的低壓氣處理成套裝置,首次實現(xiàn)了IFPEX-1工藝國產(chǎn)化,裝置分離出的水清澈透明,水中甲醇含量<1%,甲醇?xì)鈶B(tài)回收率達(dá)98%。盆五氣田低壓氣處理工藝主要運行參數(shù)見表2,工藝流程見圖3。
表2 盆五氣田低壓氣處理工藝主要運行參數(shù)
圖3 盆五氣田低壓氣處理工藝流程
工藝流程:入口天然氣經(jīng)立式三相分離器進(jìn)行初步氣液分離后,一股去預(yù)冷換熱器與富余冷氣換熱后去氣氣換熱器進(jìn)一步換熱降溫,然后,進(jìn)入三相低溫分離器進(jìn)行氣液分離,氣液分離后的干天然氣返回氣氣換熱器加熱升溫,并經(jīng)流量計計量后外輸,天然氣凝析油外輸,甲醇水溶液經(jīng)富液泵打入立式三相分離器中氣提塔上部進(jìn)行回收;另一股天然氣經(jīng)預(yù)熱換熱器加熱,該高溫天然氣作為氣提氣,從立式三相分離器中氣提塔下部進(jìn)入,與上部甲醇富液逆向接觸,甲醇被高溫天然氣帶走匯入主流程,實現(xiàn)甲醇?xì)鈶B(tài)回收。
煤層氣是一種以甲烷為主要成分的可燃?xì)怏w,在中國有著豐富的儲藏資源。隨著中國煤層氣事業(yè)的發(fā)展,甲醇?xì)鈶B(tài)回收工藝得到了進(jìn)一步的推廣和應(yīng)用。
短距離管輸煤層氣的露點控制深度要求較低,只需滿足外輸條件下沒有水合物產(chǎn)生即可。分子篩等深度脫水方法,雖然露點降較大,但是,流程較為復(fù)雜,現(xiàn)場操作工作量大,設(shè)備投資較高;低溫法脫水適用范圍較廣,可以根據(jù)制冷溫度的高低達(dá)到不同的露點控制深度,同時,可以實現(xiàn)天然氣輕烴回收。因此,針對煤層氣特點,一般采用低溫分離法脫水。甲醇?xì)鈶B(tài)回收工藝,由于其具有諸多優(yōu)點,在煤層氣處理工藝中得到廣泛應(yīng)用。
2.2.1 新型露點控制裝置的特點
在分析了煤層氣露點控制深度要求的基礎(chǔ)上,開發(fā)了基于甲醇?xì)鈶B(tài)回收的新型露點控制裝置,高度集成了繞管換熱器、空冷器、脫水分離器及氣提塔合一裝置、外制冷系統(tǒng)等高效設(shè)備,實現(xiàn)了基于甲醇?xì)鈶B(tài)回收的煤層氣露點控制技術(shù)的橇裝化和模塊化。
該基于甲醇在線氣態(tài)回收的露點一體化集成系統(tǒng)技術(shù)集成度高,設(shè)備整體出廠,大大縮短了建站時間。另外,該裝置采用全自動控制,可實現(xiàn)無人值守,大大降低了一線操作人員的勞動強(qiáng)度,提高了現(xiàn)場管理水平。與國內(nèi)同類處理裝置相比,投資降低約 50%,能耗降低約 70%,占地面積減少約80%;與國外進(jìn)口裝置相比,投資降低約 60%,相同占地面積下,降低能耗約30%。
新型露點控制裝置特點:一是,具有入口煤層氣預(yù)冷功能,降低空冷器負(fù)荷,減少設(shè)備投資;二是,分離器入口采用管道聚結(jié)技術(shù),提高分離器效率,降低分離器尺寸;三是,利用空氣冷量對高溫煤層氣進(jìn)行冷凝,安全環(huán)保、能耗小、運行成本低;四是,利用極限換熱技術(shù)的復(fù)熱功能,為外輸煤層氣提供熱能,實現(xiàn)煤層氣的短距離輸送;五是,利用甲醇防凍和解凍性能,保證裝置在冬季的平穩(wěn)運行。
2.2.2 新型露點控制裝置的應(yīng)用
該基于甲醇在線氣態(tài)回收的露點一體化集成系統(tǒng),適用于低壓、低產(chǎn)、低含水的煤層氣集氣站,對于低產(chǎn)、偏遠(yuǎn)、復(fù)雜地形情況下的煤層氣開發(fā)意義重大。目前,基于甲醇?xì)鈶B(tài)回收的露點控制技術(shù)已經(jīng)在煤層氣田得到了較為廣泛的應(yīng)用,山西煤層氣保2集氣站、保3集氣站及中澳煤層氣三交北集氣站等站場,共有5套裝置采用了該技術(shù)。其工藝流程見圖4。
圖4 新型露點控制系統(tǒng)工藝流程
工藝流程:溫度 65~85℃、壓力 1.2MPa的壓縮機(jī)出口來煤層氣,首先進(jìn)入露點控制橇的一級空冷器預(yù)冷至40℃,再經(jīng)繞管換熱器預(yù)冷至5℃,然后,通過霧化器注入甲醇,匯入脫水分離器中氣提裝置的出口甲醇?xì)怏w后,溫度升至15℃,當(dāng)環(huán)境溫度低于15℃時,進(jìn)入二級空冷器將氣體冷卻至0℃,當(dāng)環(huán)境溫度高于15℃時,二級空冷器停用;之后氣體進(jìn)入外制冷系統(tǒng),保持外制冷系統(tǒng)煤層氣出口溫度維持在-5℃;然后,再進(jìn)入脫水分離器,分離出甲醇水溶液,脫水分離后的氣體與裝置入口煤層氣換熱后達(dá)到30℃外輸出橇。脫水分離器分離出的甲醇水溶液經(jīng)過管道循環(huán)泵打回脫水分離器氣提裝置的上部入口,在向下流動過程中,與從氣提裝置下部進(jìn)入的一部分高溫煤層氣完成氣提甲醇過程,甲醇被高溫煤層氣帶走,在二級空冷器之前匯入主流程,實現(xiàn)甲醇在裝置內(nèi)的循環(huán)利用,可大大減少通過霧化器的注醇量。
2011年 12月,基于甲醇在線氣態(tài)回收的露點控制一體化集成系統(tǒng)在中國石油煤層氣保德保2集氣站正式投產(chǎn)應(yīng)用。投產(chǎn)以來,該裝置運行平穩(wěn),脫水效果良好,滿足設(shè)計要求。根據(jù)設(shè)計參數(shù),對甲醇?xì)馓嵫h(huán)開啟、關(guān)閉時的系統(tǒng)甲醇消耗量進(jìn)行了對比,具體數(shù)據(jù)見表3。
表3 氣提循環(huán)開啟、關(guān)閉時甲醇注入情況?
由表3可以看出,氣提循環(huán)開啟時的甲醇注入量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于氣提循環(huán)關(guān)閉時的注入量,說明氣提效果明顯,大大降低了甲醇的消耗量。
甲醇是優(yōu)質(zhì)的水合物抑制劑,傳統(tǒng)的甲醇回收工藝流程復(fù)雜、能耗高,制約了其應(yīng)用。新型甲醇?xì)鈶B(tài)回收工藝具有流程簡單、能耗低的優(yōu)點,與傳統(tǒng)的甲醇再生工藝相比,具有較強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢。
近年來,通過國產(chǎn)化推廣應(yīng)用,已經(jīng)形成了適用于國內(nèi)天然氣田、煤層氣田的脫水脫烴技術(shù)及配套的甲醇?xì)鈶B(tài)回收工藝,對提高中國天然氣和煤層氣集輸處理的水平具有重要意義。
[1] 謝廣祿,劉光宇.IFP甲醇脫水工藝與分子篩脫水工藝的比較[J].天然氣技術(shù),2007(3): 56-59.
[2] 王亞彬.基于甲醇?xì)鈶B(tài)回收的煤層氣低成本露點控制方案[C].北京: CPE 論文集,2012.
[3] 孫曉春,趙玉林.大牛地氣田水合物抑制劑的選擇[J].油氣田地面工程,2006(4): 16-17.