芻議天然氣脫碳工藝

劉泉洲 張楌 史亞麗

長慶油田分公司第一采氣廠第四凈化廠，陜西延安 717500

現如今，天然氣的應用越來越廣泛，但由于開采出的天然氣中含有部分二氧化碳和硫元素，在使用中極易產生危險，因此，我國對天然氣中的C 和S 元素的脫離提出了許多要求，也研發了許多脫硫工藝和脫碳工藝，希望幫助降低天然氣中的碳元素和硫元素，減少危險，本文在此主要分析C 元素的脫離工藝。我國的《天然氣質量標準》中要求，二氧化碳的含量最大不能超過總體積量的3%，因為二氧化碳一旦與水相融合，就會產生極強的腐蝕性，對開采天然氣的設備和運輸管道等鋼材料產生腐蝕，影響設備使用，甚至造成設備損壞，使天然氣泄漏，產生浪費。另外，與相同pH 值的酸性液體相比，二氧化碳的酸液濃度較大，對含有鋼材的設備產生的腐蝕性也更大，因此，天然氣必須經過脫碳處理后方可使用和運輸。

1.天然氣凈化

水、二氧化碳、硫化氫和重烴是天然氣的常見污染物。在氣體調節過程中，這些污染物被去除，使得天然氣可以就地使用或運輸到管道。取決于來自此種氣體調節過程的廢氣的排放是否受到政府法規管制，來自該氣體調節過程的廢棄物流可能被燃燒。代替地，該廢棄物流可能被重新注入深層地下，從而產生接近零的空氣排放。經調節的氣體必須滿足某些天然氣管道規格，如二氧化碳濃度低于2% (vol/vol)，C3+烴露點不超過-4°F(-20℃)，并且H2S 濃度小于2ppm。水濃度應低于每百萬std ft3 每天7 磅(每百萬std m3 每天11.2kg)，并且有時多至低于每百萬std ft3 每天5 磅(每百萬stdm3每天8 .0kg)。另外，經調節的氣體的C3+烴含量應該受到限制，使得該經調節的氣體的BTU/卡路里含量為約950-1050Btu(240-265 千卡)。在將廢棄物流重新注入深層地下的情況下，必須將其干燥以避免注入管線的腐蝕和烴水合物的形成。重新注入流的含水量必須低于50ppm(vol/vol)，并且有時低至1ppm(vol/vol)。在天然氣調節過程中，氣體分離膜由于其相對小的占地面積(foot print)和輕重量以及其相對高的能量效率而通常用于去除二氧化碳。氣體分離膜可以產生具有合適含濕量的經調節的氣體。然而，廢氣處于相對較低的壓力，并且它當然富含水。常規的解決方案是首先用分子篩使未經調節的進料氣脫水，并且然后用氣體分離膜凈化步驟處理脫水后的氣體。這種類型的混合工藝確實可以滿足經調節的氣體和有待重新注入的氣體二者的規格。然而，分子篩脫水過程的相對高的占地面積、體積和質量是許多天然氣調節應用的關注點，特別是其中占地面積、體積和承受巨大設備的能力很受重視的海上應用。

2.天然氣脫碳工藝處理原理概述

“天然氣的脫碳處理有著許多種類，用來應對不同情況下的天然氣脫碳處理。因為脫碳主要針對的是天然氣中的二氧化碳，天然氣卻因為其特殊性使得一些常規的分離二氧化碳的方法不能用于天然氣脫碳?！币虼?，在往常進行脫碳操作時，常常采用高溫加濕的方法，而這種方法會令天然氣在脫碳過程中發生熱反應，倘若采用溫差分離的方式，則會提高天然氣脫碳處理的難度，增加天然氣脫碳工藝的成本，為此，給企業經濟效益的提高造成了極嚴重的負面影響.隨著科學技術的不斷深入探究，脫碳工藝水平也開始逐漸得到提高，目前“國內外已開發了許多處理技術，歸納起來主要分為干法和濕法，濕法是通過可再生溶劑吸收二氧化碳，可分為化學吸收法、物理吸收法和混合吸收法，干法主要有選擇分離膜脫二氧化碳。

3.脫碳節能技術在天然氣中的實際運用

膜分離處理。“氣體膜分離技術是20 世紀70 年代開發的一門較為成熟的膜分離技術，它與傳統的吸附、冷凝分離相比，具有節能、高效、操作簡單方便等優點，適用于空氣分離、天然氣脫二氧化碳、脫水等方面?！痹谶M行膜分離時，要充分利用天然氣各組成氣體在高分子聚合物中溶解擴散速率不同的特點，使二氧化碳能夠滲透到纖維膜壁上并使其分離。運用膜分離處理技術處理過的天然氣能夠滿足企業外輸的需求。相較于傳統的溫差分離技術，膜分離技術的操作更加簡便易行，對于資源的消耗量也大幅降低，具有十分明顯的脫碳優勢，然而，膜分離處理技術也存在一定程度的局限性，盡管其具有十分明顯的運用優勢，可以適應各種操作上的豐富變化，滿足企業對天然氣外輸的直接需求，但是在脫碳時，膜處理技術無法將將雜質從天然氣中脫離，并沒有起到良好的凈化作用。

濕法脫碳處理。與干法脫碳處理技術一樣，濕法脫碳處理技術也是天然氣常用的脫離二氧化碳的方法，為了保障濕法脫碳處理技術的有效與安全，就必須確保溶劑的選擇與配制嚴格遵循工藝的規定和要求。只有這樣，才能滿足天然氣的脫碳要求，保障天然氣的質量與凈化程度。醇氨法是濕法工藝中最為常見的一種，具有凈化效果高的優勢，一般來說，濕法脫碳工藝利用的是二氧化碳與溶劑接觸后被其吸收的原理，溶劑的選擇與配制關系到天然氣的脫碳效果，如果在原有的MDEA 水溶液基礎上添加改良溶劑，不僅能夠有效地脫離天然氣中含有的二氧化碳成分，能夠盡最大程度地去除天然氣中含有的其他雜質，進一步提高天然氣的凈化效果，使之能夠滿足直接外輸的需求

結語

近年來，天然氣的使用越來越多，但開采出的天然氣中含有部分二氧化碳和硫元素，在使用中易產生危險，因此，我國對天然氣中的C和S元素的脫離提出了許多要求，也研發了許多脫硫工藝和脫碳工藝，希望幫助降低天然氣中的碳元素和硫元素，減少危險。本文對國內外的脫碳技術，和天然氣脫碳工藝原理與選擇進行詳解，并重點對不同的天然氣脫碳工藝進行詳細解釋和探討，希望對我國的天然氣脫碳工藝提供幫助。