锅炉烟气二氧化碳捕集技术在油田驱油中的应用

2015-12-27孔令先赵延军张志强尹晓天

中国设备工程 2015年5期

关键词：贫液驱油吸收塔

孔令先赵延军张志强陈雷尹晓天

（中石化胜利油田胜利电厂，山东东营 257087）

锅炉烟气二氧化碳捕集技术在油田驱油中的应用

孔令先赵延军张志强陈雷尹晓天

（中石化胜利油田胜利电厂，山东东营 257087）

介绍了胜利油田100t/d CO2捕集纯化先导试验工程项目所采取的工艺方法，该项试验的成功不仅可以获得强化采油所需的CO2，提高原油采收率，还可以将燃煤锅炉产生的CO2储存在废弃的油井中，保护环境。

锅炉烟气；CO2捕集；化学法；工业试验；油田驱油

一、前言

CO2是油田低渗透油藏驱油的重要资源，是油田提高采收率非常有效的技术，代表了三次采油的前沿发展方向。其原理就是往油层中注入高纯度CO2气体，在地层高压作用下，与原油充分混合并形成“混相”，从而提升原油流动能力及油藏采收率，尤其是对于低渗透油藏能够有效避免开发过程中出现的“注不进、采不出”等情况，但由于缺少大量、稳定、高纯度的CO2资源，制约了该项技术在油田的推广应用。为了解决CO2来源问题，胜利油田在其自备发电厂建成了年产能力4万t的烟气CO2捕集装置，该装置建在4号锅炉脱硫装置后，占地面积大约2400m2。捕集采用改进后的MEA技术（化学吸收法），烟气处理量18863m3/h，捕集处理后的CO2纯度达99.5%以上，用于“低渗透油藏CO2驱油”先导试验，提高油田产量或储存在废弃的油井中，以减少CO2排放量，增效减排。

二、工程设计方案

1.设计规模

工程设计正常处理烟道气量18863m3/h，捕集后CO2气体量为2200m3/h（干基），CO2含量大于99.5%，生产液态CO2100t/d，装置按照在额定生产能力的60%～120%进行设计，连续年操作时间8000h。

2.主要工程内容

胜利电厂CO2捕集纯化工程采用MEA复合胺溶液回收捕集胜利电厂1025t/h锅炉脱硫后的烟道气CO2，并将捕集后的CO2送往后序压缩、脱水、制冷、存储单元，最终将液态CO2用罐车送往纯良采油厂CO2驱油先导试验区块。工艺装置共分为捕集、压缩、干燥、制冷、储存5部分。

3.捕集原理与工艺流程

采用一乙醇胺溶液（MEA）为吸收液的化学吸收工艺，捕集原理为：MEA与CO2反应生成比较稳定的氨基甲酸盐，并通过再生过程释放出二氧化碳和吸收液再生。反应为放热反应，在加热作用下，反应将会逆向进行，可对醇胺溶液进行再生。其工艺流程为：CO2捕集纯化—压缩—干燥—液化—储存装车。烟道气经过预处理脱硫后，通过引风机进入MEA吸收塔的下部，从下向上流动，与从上而下流动的MEA贫液逆流接触，烟气中的CO2与吸收剂发生化学反应而形成弱联结化合物，脱除了CO2的烟气从吸收塔上部被排出吸收塔，而吸收了CO2的吸收剂富CO2吸收液(简称富液)，经富液泵抽离吸收塔，在贫富液热交换器中与贫CO2吸收液(简称贫液)进行热交换后，被送入再生塔中解吸再生。富液中结合的CO2在热的作用下被释放，释放的CO2气流经过冷凝和干燥后进行压缩，以便于输送和储存。再生塔底的贫液在贫液泵作用下，经过贫富液换热器换热、贫液冷却器冷却到所需的温度，从吸收塔顶流入，进行下一次的吸收。

（1）捕集部分

①工艺流程

脱硫后的烟道气从电厂烟囱抽出，经水洗塔水洗后由引风机送入吸收塔，其中一部分CO2被溶剂吸收捕集，尾气回到电厂烟囱排入大气。

水洗水为新鲜水，循环使用，定期外排至电厂渣池。

吸收CO2后的富液由塔底经泵送入贫富液换热器，回收热量后送入再生塔，富液从再生塔上部进入，通过汽提解吸部分CO2，然后进入煮沸器，使其中的CO2进一步解吸。解吸CO2后的贫液由再生塔底流出，经贫富液换热器换热后，用泵送至水冷器，冷却后进入吸收塔。溶剂往返循环构成连续吸收和解吸CO2的工艺过程。

解吸出的CO2连同水蒸气经冷却后，分离除去水分后得到纯度99.5%（干基）以上的产品CO2气，送入后续压缩部分，再生气中被冷凝分离出来的冷凝水用泵送至再生塔。

为了维持溶液清洁，约10%～15%的贫液经过机械过滤器、活性炭过滤器和后过滤器三级过滤，一、二、三级过滤器分别设有旁路，便于清洗。

为处理系统的降解产物，设置胺回收加热器，需要时将部分贫液送入胺回收加热器中，通过蒸汽加热再生回收，再生后的残液拉运并掺入电厂油泥砂焚烧处理。

②主要操作条件

入吸收塔烟道气量（干基）：18863m3/h

入吸收塔烟道气CO2含量：14.5%

出系统再生气量（干基）：2200m3/h

出系统再生气CO2含量：≥99.5%

水洗水循环量：80m3/h

入吸收塔贫液量；120m3/h

入吸收塔贫液温度：40℃

再生塔底温度：110℃

入吸收塔烟道气温度：40～50℃

出再生塔再生气温度：98℃

再生气冷却后温度：≤40℃

③仪表指示及控制内容

CO2吸收捕集部分自控系统主要包括：烟气流量指示、吸收塔底液位控制、贫液流量控制、贫液冷却器冷后温度控制、溶液煮沸器出口温度控制、胺回收加热器液位控制、胺回收加热器温度控制、再生气水冷器后CO2温度控制、再生气分离器液位控制、再生气分离器压力控制。

（2）压缩部分

①工艺流程

来自再生气分离器的CO2进入压缩橇块进行压缩，压缩机为三级压缩机，采用软化循环冷却，软化水通过与循环水换热降温，循环使用，根据需要不定期补水，压缩CO2出口压力为2.5MPa(g)，温度40℃，压缩后的CO2气体进入脱水橇块进行干燥。

②自控部分

CO2压缩机的自控系统主要包括：各级入口压力显示及高报警，各级排气压力显示及高报警，润滑油流量显示及低报警，机身润滑油压显示及低报警，汽缸润滑油系统故障报警，润滑油出口温度显示，各级气缸排汽温度显示及高报警，油滤器差压显示，各级洗涤罐液位显示及高报警，水夹套冷却系统故障报警，机身振动大停机等。以上参数及报警由厂家自带的PLC控制柜完成，并将相关信号通过MODBUS-485 RTU协议远传至中控室，中控室可监控压缩机运行状态，并可实现远程手动停机。

③主要设备

压缩机1套，包括三级往复式压缩机、6000V高压驱动电机（功率450kW）。

（3）干燥部分

①工艺流程

压缩后的CO2气体首先进入原料气气液分离器，分出残留的游离水，再进入由2个干燥塔、1个辅助干燥塔、1台再生气分离器、1台蒸汽再生气加热器、1台循环水冷却器等组成的等压再生干燥橇块，经干燥后的产品CO2气体水露点低于－40℃的要求。

等压干燥系统的工艺过程如下：CO2气体首先经流量调节回路分成两部分，一部分直接去干燥塔，干燥塔装填的干燥剂将CO2中的水分吸附下来，使CO2得以干燥；在一台干燥塔处于干燥的状态下，另一台干燥塔再生，两塔交替进行干燥和再生，达到连续生产的目的。

干燥塔的再生过程包括加热再生和干燥床层冷却两个步骤：在加热再生过程中，另一部分CO2首先经预干燥塔进行干燥，然后经蒸汽加热器升温至约140℃后从需要再生的干燥塔底部进入，加热其吸附床层，使其中的水分得以解吸出来，解吸气经循环水冷却器冷却后，进入再生气分离器分液后，再与另一路CO2汇合后一起去干燥塔进行干燥。在干燥床层冷却过程中，CO2从处于再生状态的干燥塔顶部进入，将干燥塔温度降至常温，然后再经加热器加热后去预干燥塔，对预干燥塔中的干燥剂进行加温脱附其中的水分，然后经冷却和分液后再与另一路CO2汇合，最后去处于干燥状态的干燥塔进行干燥。

橇块设有在线水露点分析仪，根据干燥后水露点状况控制程控阀门自动切换，完成干燥、再生、冷却等过程。

②主要操作参数

吸附干燥压力2.45MPa(g)、吸附干燥再生压力2.45MPa(g)、再生气量：450m3/h、再生温度：～140℃、干燥橇块出口压力2.25MPa(g)、出口温度：40℃、产品CO2水露点：≤－40℃。

③自控部分

CO2干燥橇块的自控系统主要包括：程控阀门的自动切换控制，原料气气液分离器、再生气气液分离器液位检测及控制，去再生的CO2流量检测及控制，吸附、冷吹和再生的操作温度及操作压力指示、故障报警等，以上参数控制由厂家自带的PLC控制柜完成，并将相关信号通过MODBUS-485 RTU协议远传至中控室，中控室可监控干燥橇块运行状态，并可实现远程手动停机。

（4）制冷部分

①工艺流程

干燥后的气态CO2进入CO2制冷橇块进行液化处理，气态CO2进入蒸发器，利用R22蒸发气化产生的冷量液化，液化后的CO2进入CO2分液罐，分出少量不凝气，液态CO2通过增压泵打入CO2储罐储存。

蒸发后的气态R22进入制冷压缩机增压，增压后进入油分离器分离出润滑油，然后经过蒸发式冷凝器冷却液化后进入收集器，未液化气态R22回到压缩机，液化的R22进入蒸发器蒸发制冷，液化CO2，R22循环使用。

油分离器分离出的润滑油经油冷却器冷却、经润滑油过滤器过滤，油泵增压后，通过高压油分配器给制冷压缩机冷却润滑。

②主要操作参数

制冷压缩机入口压力≥0.16MPa入口温度：≥-10℃、制冷压缩机出口压力≤1.6MPa、出口温度≤110℃、R22冷凝后温度40℃、R22蒸发后温度-25℃、CO2液化后压力2.2MPa（g）、CO2液化后温度-20℃。

③自控水平

CO2制冷撬块的自控系统主要包括：吸气压力过低报警、故障停机；排气压力过高报警、故障停机；供油温度过高报警、故障停机；供油压力及油压差过低报警、故障停机；吸气过滤器压差过低报警、故障停机；主电机起停及过载保护；油泵电机启停及过载保护；CO2出口温度过高及过低报警；蒸发冷断水保护，机组运行时间及故障记录等；以上参数控制及报警由厂家自带的PLC控制柜完成，并将相关信号通过MODBUS-485 RTU协议远传至中控室，中控室可监控制冷撬块运行状态，并可实现远程手动停机。

（5）储存部分

①工艺流程

CO2液化后进入CO2储罐储存，通过装车泵增压后经金属软管给CO2运输车装车，储罐与CO2运输车气相通过气相平衡线连通。

②主要操作参数

CO2储存压力2.2MPa（g）、储存温度-20℃。

③自控系统

CO2储存部分的自控系统主要包括CO2储罐压力、温度、液位检测。

三、投运及驱油试验情况

2010年8月工程建成单车试运完毕，同年9月和2011年1月分别进行了两次投料试车，纯度达到99.5%，运往胜利油田低渗透油藏二氧化碳驱油提高采收率重大先导试验区——纯梁采油厂注气站，据统计，自2008年开展试验以来，已经在纯梁采油厂正东管理区建成注气井11口，累计增产原油2.6万t，在地下封存CO211万t。据测算，CO2驱油技术如果覆盖到胜利油田4.19亿t地质储量，预计新增可采储量7200万t，地下封存二氧化碳1.87～2.25亿t。

试车过程中所耗用的电量、蒸汽、除盐水、循环水及捕集运行直接成本见表1、表2。