碳酸钾—二乙醇胺复合溶液脱除伴生气中二氧化碳

2014-03-08张新军1青岛科技大学2中国石化石油工程设计有限公司

油气田地面工程 2014年2期

张新军1青岛科技大学；2中国石化石油工程设计有限公司

张新军1；21青岛科技大学；2中国石化石油工程设计有限公司

为了进一步提高脱碳性能，结合胜利油田CO2驱现场采出气的实际组成，进行了新型本菲尔脱碳药剂开发。采用耐压搅拌实验装置对中压条件下碳酸钾及其复合溶液脱除CO2情况进行了实验研究。在模拟采出气中反应温度为70.0℃、反应压力为0.3 MPa条件下，优选出30%K2CO3+2%DEA的复合胺吸收药剂，每升溶液的CO2吸收总量为81.72 L，再生温度为106℃，每升CO2的再生能耗为6.15×10-3kW·h，再生率为92.66%。

二氧化碳；采出气；碳酸钾；二乙醇胺

随着CO2驱三次采油技术的应用，CO2驱采出液地面处理工艺面临一些难题：CO2被注入地下后，约有50%～60%封存于地下，剩余的40%～50%则随着油田伴生气溢出[1]；如果不对采出气中的CO2进行分离处理，不但会造成后续集输管线及设备腐蚀，而且会降低CO2实际封存率。

经过前期大量调研，确定采用热钾碱工艺作为基础脱碳工艺[2-3]。为了进一步提高脱碳性能，结合胜利油田CO2驱现场采出气的实际组成，进行了新型本菲尔脱碳药剂开发。采用耐压搅拌实验装置对中压条件下碳酸钾及其复合溶液脱除CO2情况进行了实验研究。

1 实验装置及流程

在伴生气脱除CO2实验装置中，从钢瓶流出的CO2和CH4通过流量计定量控制，确保混合气中混合气进入气体混合缓冲钢罐，使气体充分混合，达到均衡状态，同时起到稳压作用。电热恒温水浴锅中的螺旋金属管可对混合气体进行加热，使反应气进入反应釜之前达到设定温度。反应温度为70.0℃，反应釜中吸收液总体积为500 mL。

2 碳酸钾基础实验

（1）吸收实验。为了研究不同浓度的碳酸钾对吸收效果的影响，在0.3 MPa、70℃、CH4和CO2混合气体体积比为1∶1的条件下，对10%～50%的碳酸钾溶液进行了吸收实验对比。在实验条件都相同的情况下，各组分吸收速率的变化趋势几乎一致，反应初期吸收速率很高，在前100 min吸收速率下降很快；反应中期保持一定的吸收速率，且下降缓慢；反应后期吸收速率较低，速率缓慢下降，吸收逐渐趋于饱和，反应结束。从不同压力对碳酸钾吸收速率的影响图中可看出，其他条件不变的情况下，吸收速率随着压力的升高而增大。压力增大会强化在气液界面的表面扰动，使得二氧化碳吸收速率较常压模型值大，并且该速率随压力的增大而增加。从勒沙特列原理角度进行分析，碳酸钾吸收二氧化碳过程是可逆反应，正反应是一个体积变小的过程，增加压力会促使反应向正方向进行，从而可以加快二氧化碳的吸收速率。但随着压力的不断上升，压力影响效果逐渐降低。

（2）再生实验。通过再生实验装置对吸收完二氧化碳的富液进行加热，碳酸钾吸收二氧化碳生成碳酸氢钾，再生过程就是对碳酸氢钾加热分解，生成碳酸钾、水和二氧化碳。通过对不同浓度碳酸钾溶液进行吸收、再生实验。从实验结果可以看出，30%的K2CO3溶液吸收量最大（75.62 LCO2/L溶液），再生温度为109℃，高于10%K2CO3、20% K2CO3溶液的再生温度，再生能耗最低（6.91×10-3kW·h/LCO2），再生率最高（89.30%）。虽然30%的K2CO3溶液再生温度不是最低，但是二氧化碳吸收量最大，再生能耗最低且再生率最高。经过综合对比分析，在单组份碳酸钾溶液基础实验中，浓度为30%的K2CO3溶液是较佳的采出气吸收溶剂。

3 K2CO3—DEA复合实验

（1）吸收实验。向碳酸钾溶液中加入少量活化剂二乙醇胺（DEA），可以加快碳酸钾与二氧化碳的反应过程。在0.3 MPa、70℃的条件下，对吸收气体体积比为1∶1的甲烷和二氧化碳混合气体，进行了30%K2CO3+1%DEA+H2O、30%K2CO3+ 2%DEA+H2O、30%K2CO3+3%DEA+H2O、30% K2CO3+4%DEA+H2O、30%K2CO3+5%DEA+H2O 5种不同配比溶液CO2吸收的实验。由不同浓度溶液的吸收速率与时间的变化关系可以看出，加入不同比例二乙醇胺的碳酸钾溶液，吸收二氧化碳的速率有明显上升，且随着DEA浓度的增加，起始速率也随着增加，说明DEA药剂对碳酸钾溶液吸收二氧化碳的速率有较好的加速催化作用。从不同配比溶液的吸收量与时间的关系曲线中可以看到，30%K2CO3+2%DEA配比的溶液吸收二氧化碳总量最大。

（2）再生实验。对5种不同配比溶液进行吸收和再生实验，通过对比结果可以看出，30%K2CO3+ 2%DEA的溶液吸收量最大（81.72 L CO2/L溶液），再生温度最低（106℃），再生能耗最低（6.15× 10-3kW·h/L CO2），再生率最高，达到92.66%。从设备的防腐方面考虑，再生温度越高，对设备的腐蚀越严重。经过综合对比分析，在K2CO3—DEA复合实验中，30%K2CO3+2%DEA的配比溶液是最佳的采出气吸收药剂。