CO2分離膜在海上平臺的使用

孟兆偉，劉 宇，任少科

(1.大連歐科膜技術股份有限公司，遼寧大連 116035;2.中昊光明化工研究設計院有限公司，遼寧 大連 116031)

樂東15-1平臺的燃料氣處理系統有兩個氣體來源，一個是來自三甘醇接觸塔出口的部分外輸干氣，另外一部分是直接來源于 A1、A2井的濕氣。A1、A2井的濕氣主要用于冷啟動透平壓縮機使用，正常運行時的燃料氣來源是三甘醇接觸塔出口的干氣。目前，樂東平臺的Solar透平壓縮機為一用一備，型號為C40，隨著天然氣的開采，CH4含量呈現逐漸降低，CO2含量逐步升高的趨勢，為保證透平壓縮機始終具備工作能力，在不引入新能源的情況下，來降低天然氣中的CO2，提高CH4濃度是最好的辦法。而天然氣中CO2的脫除主要有物理法和化學法。

物理法包括:溶劑吸收法［1］，膜法［2-3］，低溫蒸餾法［4］和吸附法［5］。

化學法包括:化學燃燒法［6］，電化學法［7-9］，胺法，ECO2技術，氨水土壤混合物法。在眾多天然氣脫CO2的技術中，膜法脫碳［10］占地小，能耗低，在寸土寸金的海上平臺無疑是最佳選擇，也因此從眾多技術中脫穎而出。大連歐科膜技術工程有限公司多年從事膜的研究，在膜工藝上具備豐富的成功案例。

因此大連歐科膜技術工程有限公司向樂東15-1平臺提供了膜法脫碳裝置。

1 設計基礎

1.1 原料氣條件

三甘醇接觸塔出口的外輸干氣組分如表1。

表1 原料氣組分明細Table 1 Feed gas composition details

1.2 設計要求

●進入脫碳處理橇塊的干氣CO2組分范圍:40%～60%(mol)

●進入脫碳處理橇塊的濕氣CO2組分范圍:15%～60%(mol)

●脫碳前進口壓力范圍:6000～7000 kPaG

●處理量:3200 Nm3/h(處理后)

●處理指標為:CO2濃度≤10 mol%

2 工藝過程設計

2.1 工藝過程描述

樂東15-1氣田脫碳裝置主要由預處理部分和膜分離部分組成。預處理部分包括聚結過濾器、加熱器、活性炭吸附罐，一級過濾器，二級過濾器。膜分離部分主要由膜分離器等部件組成。

原料氣首先經過聚結過濾器PRP-F-3101脫除氣流中夾帶的液滴和顆粒，PRP-F-3101帶有差壓、液位監控和自動排液閥。從PRP-F-3101出來的氣相經過電加熱器 PRP-EH-3101，將氣體的溫度升高到60℃，然后進入到活性炭吸附罐PRP-V3101A/B，除去C7以上的重烴，再經過一級過濾器PRP-F-3102 A/B和二級過濾器PRP-F-3103 A/B除去氣流夾帶的固體顆粒，然后進入到膜分離部分。膜分離分成兩級，分別為一級膜分離器PRP-M-3101和二級膜分離器PRP-M-3102，在兩級膜的中間增加了級間電加熱器PRP-EH-3102。膜的滲透側得到低壓的富CO2氣流，直接排空，膜的截留側得到CO2濃度小于10%的貧CO2氣流，作為燃料氣使用。

2.2 工藝簡圖

膜脫碳流程簡圖見圖1。

圖1 膜脫碳流程簡圖Fig.1 Film decarbonization process

3 調試

3.1 調試目的

原料氣組分符合設計要求的情況下，根據平臺實際情況和設計要求，分別按照如下八種情況對膜的性能進行測試:

1.在保持原料氣流量不變的情況下，考察不同的入口壓力情況下，單膜脫除二氧化碳能力;

2.在流量、壓力不變的情況下，考察不同膜組件的脫碳性能穩定性。

3.考察CO2含量在10%，燃料氣流量達到3200 Nm3/h時，膜的使用數量及組合情況。

4.考察燃料氣流量達到3200 Nm3/h，該脫碳系統的最大處理能力。

5.考察燃料氣并入壓縮機系統后，單臺壓縮機運行情況。

6.考察單膜在兩臺壓縮機同時運行時的數據，并摸索出最佳操作方案。

3.2 調試數據

1.首先在原料氣流量約600 Nm3/h情況下，根據不同壓力對膜組件進行了測試，如圖2所示，隨著壓力升高，通過膜組件處理后的燃料氣中CO2含量越低，CH4含量逐漸升高。即壓力的高低決定了膜脫除二氧化碳的效果。

圖3所示為一級膜投用一支時的使用情況。

圖2 單膜不同壓力下燃料氣中CH4與CO2的變化Fig.2 Different fuel gas pressure variation of CH4 and CO2 by Single film

圖3 單支膜不同壓力下的測試Fig.3 Testing of singlemembrane different pressures

2.在壓力 7.0 MPa，原料氣流量約 600 Nm3/h時，考察不同膜組件脫除CO2的性能穩定性(見圖4)。

圖4 不同膜組件相同壓力下燃料氣中CH4%和CO2%Fig.4 Differentmembrane at the same pressure CH4 and CO2 content of the fuel gas

圖表中可以看出，單支膜組件脫除CO2的性能差異不大，在7.0 MPa下，單膜脫除CO2的含量在10% ～16%，燃料氣中CH4的含量在66% ～70%，每支膜的脫碳性能基本穩定。

3.考核在燃料氣中CO2含量10%的情況下，達到3200 Nm3/h時，需要膜組件的數量與組合(見圖5)。

圖6 達到系統性能指標時膜的使用情況Fig.6 The use of the system performance to achieve when the film

如圖6所示:在投用一級膜2支和二級膜2支的情況下，脫碳后的燃料氣流量3200 Nm3/h，CO2含量達到了10%。即達到了系統性能考核指標。此時膜組件仍有3支沒有使用，因此繼續增加膜組件考察該脫碳系統的最大處理能力。

4.在燃料氣3200 Nm3/h的情況下，對比膜的投用數量與燃料氣中CH4含量的關系。如圖7中數據所示:

圖7 膜組件數量與燃料氣中CH4含量的關系Fig.7 Membrane fuel gas in relation to the number of CH4 content

1)在燃料氣流量3200 Nm3/h的情況下，隨著膜組件的增加，處理量也隨之加大，燃料氣中CH4含量隨之升高。

2)7支膜全部投用時，可處理原料氣8765 Nm3/h，處理后的燃料氣流量3200 Nm3/h，CH4含量可達到74%，CO2含量5.8%，超水平完成了考核任務。

5.結合測試數據，在一級膜投用一支的情況下，引入壓縮機系統，平穩運行。壓力7.07 MPa，燃料氣流量在388 Nm3/h，即可滿足單臺壓縮機的平穩運行。燃料氣CH4組分68.3%，CO2組分13.8%經計算該狀態下排放氣中CH4含量為5%。

6.結合測試數據，考察了一級膜一支，兩個壓縮機同時運行時的數據。在一個壓縮機正常運行的同時，啟動另一臺壓縮機，能夠順利啟動并運行。此時瞬間的最大流量達到了1800 Nm3/h。膜兩側的壓差也達到了0.16 MPa，由于高流量時間較短，未能采集到分析數據。

4 調試中發現的問題及結論

1.在不同的壓力下，壓力越高，膜對CO2的處理效果越好。

2.在同一壓力下，各個膜組件對燃料氣中CO2的處理效果基本均衡。

3.達到系統性能考核指標的情況下:在燃料氣量達到3200 Nm3/h，CO2含量在10%時，4支一級膜和1支二級膜的組合效果更佳。

4.對于平時不使用的膜組件，建議充氮氣0.1～0.2 MPa保存。

5 結束語

綜上所述，大連歐科為樂東15-1平臺提供的脫碳裝置完全滿足設計要求，達到了系統考核指標，也是膜脫CO2設備在海上平臺的首次應用，徹底解決了平臺透平壓縮機的動力問題，不過在膜的滲透側富集的高濃度CO2沒有得到有效的回收利用，也是下一步要考慮的問題。

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