高含CO2天然气处理工艺研究

张 旭，胡 彪，梁金川

（云南能投天然气产业发展有限公司，云南 昆明 650000）

高含CO2天然气处理工艺研究

张 旭，胡 彪，梁金川

（云南能投天然气产业发展有限公司，云南 昆明 650000）

商品天然气中高含量CO2的存在，不仅影响天然气的热值，使天然气技术指标达不到要求，而且对管道也产生一定的腐蚀作用，降低管道的使用寿命，因此工业上对于高含CO2天然气的处理十分重视。首先根据CO2含量对天然气进行分类，明确需要进行脱碳处理的天然气类型，并在介绍天然气脱碳工艺选择原则的基础上，重点介绍了活化MDEA法、膜分离法、变压吸附法以及低温分离法，并着重分析了上述各方法的工艺特点以及适用场合，为工业上脱碳工艺的选择提供了一定的依据。

天然气；高含CO2；脱碳工艺；MDEA法；膜分离法

随着天然气需求量的急剧增加，天然气气田的数量也不断增多，高含CO2天然气气田不断出现，例如我国吉林长深气田。二氧化碳的存在，不仅使管道腐蚀，而且高含量CO2会从整体上降低天然气的热值，而达不到商品天然气的技术指标[1]。近年来，随着工业技术日新月异的发展，演化而来的脱碳流程众多[2]，如何从众多脱碳工艺中快速选取最佳的方案，是我国从事天然气工业设计人员重点考虑的问题，因此研究高含CO2天然气脱碳工艺具有十分重要的现实意义。

1 含CO2天然气分类

根据开采过程中CO2气体所占的比重，可以分为四类含CO2天然气[3]，由于CO2气体含量不同，这四类天然气的地面处理工艺以及商业用途各不相同。

（1）第一类：气田开采过程中，采出气中CO2含量占气体总量的97%～98%，甲烷等轻烃组分所占比重极少，因此这类气田被称为CO2气田，CO2为目标气，这类采出气往往不需要进去脱碳工艺进行脱碳处理，而是经过调压之后直接回注至油藏进行CO2驱油，例如吉林长深4号井。

（2）第二类：采出气中CO2含量小于3%，甲烷含量为92%以上。这类气藏属于优质的天然气气藏，这类采出气接近商品天然气的技术指标，因此不需进行脱碳处理，只需经过水露点调控之后即可作为商品气。例如长岭气田登娄库区块采气[4]。

（3）第三类：CO2含量为27%左右，甲烷等轻烃组分占70%左右，此类采出气由于甲烷占主要部分，因此需要脱碳处理等提纯甲烷，从而作为商品天然气。例如长岭气田营城组火山岩气层气。

（4）第四类：另外一类含CO2天然气为伴生气，该类型气的组分与驱油方式有关，例如CO2驱油和火烧油层驱油所产生的伴生气不仅CO2含量高，而且波动范围很大，采出气体组分复杂，因此该类型伴生气处理工艺较为复杂。

2 含CO2天然气处理

对于上述四类不同CO2含量的天然气，后两类必须进行脱碳处理，由于脱碳方法的多样性，建设天然气脱碳装置需要从为数众多的方法中进行选择，来寻找效果最佳的脱碳工艺。下文介绍了天然气脱碳工艺的选取原则并对比分析了常用的几种脱碳工艺，进行了工艺的适应性分析[5]。

2.1 天然气脱碳工艺选取原则

（1）外部工艺因素：主要包括原料气的气体组分，来气温度和压力；净化气所要求的净化度，净化后的出气温度和压力等[6]。

（2）脱碳方法的内部因素：脱碳过程中的能耗问题，脱碳过程中三废的生产情况，设备类型等，这些内部因素对工艺流程和设备直接相关联。

（3）经济因素：主要是建立设备时的投资和脱碳过程中的操作成本。

2.2 天然气脱碳工艺介绍

（1）活化MDEA法

传统醇胺法脱碳装置具有溶剂降解失效、设备腐蚀严重、溶液发泡等缺点，而MDEA是叔醇胺，分子中不存在所谓的“活泼”氢原子，不和CO2反应而生成恶唑烷酮一类降解产物，因此基本上不存在化学降解问题，另外，根据德国BASF公司的多年经验，活化的MDEA装置无严重的腐蚀问题[7]。

图1 两段吸收/两级闪蒸/气提再生流程示意图Fig.1 Scheme of two-stage absorption/ Two-stage flashing/gas stripping and regeneration

该脱碳工艺流程图如图1所示，该流程中MDEA溶液主要分为两股进入吸收塔，一股为从低压闪蒸罐底部流出的半贫液，该液从CO2浓度较高的吸收塔中部进入；另一股为从再生塔底部流出的贫液，该液从吸收塔的顶部进入与CO2浓度较低的气流充分接触，从而进一步降低气流中的酸性气体。吸收酸气的富液离开吸收塔进入闪蒸罐进行连续降压闪蒸，提纯后的CO2气体从低压闪蒸罐顶部分离出来[8]。

（2）膜分离法

膜分离法的基本原理是天然气中的各个组分在压力作用下因通过分离膜的相对传递速率不同而得以分离[9]。该方法采用一级膜分离装置，拟将油井产出气中40%～90%的二氧化碳浓缩到90%以上，将浓缩后的二氧化碳回注到油藏，把残余气经燃气发电机发电再收集尾气用作烟道气驱。流程图如图2所示。

为了降低对膜的破坏作用，原料气进行膜分离之前，依次经过管道过滤器（L101-A）、旋风分离器（D-102A）、高效过滤器（D-102B），有效除去气体中夹杂的机械杂质、较大的水滴和油滴以及细小的固体颗粒及水雾和油雾，此时原料气中已经不存在液态水和油滴。但是为了避免在分离过程中由于冷凝作用使得部分水蒸气液化，停留在膜表面，大大降低膜的分离效果，因此在高效过滤器之后需要经过U型加热器（E-103），控制原料气的露点。经过前处理后的气体，在入膜分离之前，仍然需要再一次经过过滤器（L-101B），保证入膜气中不含机械颗粒。气体经过一段膜分离器组（M105A1-3）的分离后，渗透气（二氧化碳浓度大于90%）去压缩机，进行运输回注。尾气进入燃气轮机前的缓冲罐用来燃气发电。

图2 膜分离流程图Fig.2 Scheme of membrane separation process

（3）变压吸附法

该工艺的基本原理是根据吸附剂对原料气中不同组分的气体在不同压力下的吸附速率和吸附率不同进行的，在一定的压力下能选择性吸附某些组分，并通过减压脱吸被吸附的某些组份，从而使吸附剂获得再生[10]。本方案拟采用变压吸附法将油井产出气中40%～90%的二氧化碳浓缩到90%以上，将浓缩后的二氧化碳回注到油藏，把残余气经燃气发电机发电再收集尾气用作烟道气驱。

流程图如图3所示。原料气经压缩机调压后开始进入本装置，进行变压吸附之前先经过分离器出去气体中夹杂的游离水，然后经原料气流量计计量后又经阀1(A/B/C/D)进人吸附塔，原料气由吸附塔的下端进入，通过填装有吸附剂的填充装置，进行选择性吸附。尾气进人缓冲罐，然后经管道送入燃气轮机发电系统。被吸附的CO2经过减压操作进行脱吸附[11]。

图3 变压吸附流程图Fig.3 Scheme of pressure swing adsorption process

（4）低温分离法

低温分离的原理是根据原料气中各组分的相对挥发度的不同，利用冷冻制冷，在较低的温度下降原料气中的若干目标组分冷凝下来，然后根据被冷凝的各组分的沸点不同，通过加热蒸馏依次将各组分分离开[12]。代表性工艺主要是美国的Rayn-Holmes工艺。该工艺的优点是分离效果好，适用范围广，但是由于制冷过程中能耗消耗较大，因此该工艺的操作成本较高。

2.3 天然气脱碳工艺特点及适应性分析

（1）活化MDEA 工艺。该工艺优点是：酸气溶解度高，并且对轻烃的溶解度低，性质稳定，无毒无害，能耗相对较低。然而该工艺的缺点是，工艺流程复杂，设备庞大，相应的投资高，并且需要增加水露点控制设备[13]。

（2）膜分离法在分离过程中无化学污染、无腐蚀问题、能耗低、占地小、易操作等优势。该工艺的缺点是分离膜极易遭到破坏，对原料气的净化度要求高，因此分离前的预处理复杂。

（3）变压吸附工艺。该工艺优点是：常温操作，无腐蚀性介质，操作成本低，甲烷损失率低，CO2提纯度高。缺点是该工艺为了获得高纯度的CO2及较高的烃回收率，需要很多的吸附塔，设备投资费用相对较大。

（4）低温分离工艺。该工艺优点是：适合于CO2含量较高以及注CO2波动较大的情况。缺点是：设备投资费用相对较大，能耗相对较高。

四种脱碳工艺的其他参数对比如表1所示。

3 结束语

脱碳工艺的优选与采出气中CO2含量密切相关，从经济的角度考虑，物理法要较化学法经济；当CO2含量高时且需深度脱除CO2时，可选用合适的MDEA配方溶液法；对于高压、高酸气含量的原料气，可以考虑膜分离法、物理吸收法或活化MDEA法。当大量脱除CO2时，可选膜分离法+醇胺法可达到处理要求。

表1 四种脱碳工艺对比Table1 Comparison of four kinds of decarburization processes

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Research on Treatment Technology for Natural Gas With High CO2Content

ZHANG Xv，HU Biao，LIANG Jin-chuan
（Yunnan Energy Investment Group Co., Ltd. Natural Gas Industry Development Branch, Yunnan Kunming 650000，China）

The exist of CO2in natural gas, not only affects the calorific value of gas, making the index of natural gas technology can not meet the requirements, but also produces certain corrosion of the pipes, reducing the service life of the pipeline，so treatment of natural gas with high CO2content is given full consideration in the industry. In the article, natural gas is classified according to CO2gas content, the gas types that need decarburization process were point out. The principle for selecting gas decarburization process was introduced. And activated MDEA method, membrane separation, pressure swing adsorption method and low temperature separation process were mainly discussed, and then technological characteristics and application scope of above methods were emphatically analyzed, which could provide certain basis for choosing the decarburization process.

Natural gas; Carbon dioxide; Decarburization process; MDEA method; Membrane separation

TE 624

： A

： 1671-0460（2015）11-2697-03

2015-06-02

张旭（1988-），女，四川自贡人，2012年毕业于西南石油大学，研究方向：天然气工程项目管理。E-mail：1060091370@qq.com。