節流脫重烴工藝在膜脫碳系統中的應用

張林，付晗陽(中海石油(中國)有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057)

0 引言

南海西部某海上氣田燃氣透平壓縮機使用高分子膜脫除CO2后的天然氣作為燃料氣，但經過一段時間的生產運行，該高分子膜脫碳的效率大幅下降，燃料氣熱值隨之降低，導致燃氣透平壓縮機無法穩定工作，嚴重影響氣田的正常生產。

1 天然氣節流脫重烴原理

根據焦耳-湯姆遜效應，氣體由恒定的高壓節流到恒定的低壓時，若節流前后氣體的流速變化十分小或不變，則在絕熱條件下節流前后的焓值不變。焦耳-湯姆遜效應的大小通常用等焓過程中的溫度變化與壓力變化之比的極限來表示，其值μj稱為絕熱節流系數[1]。

式中：μ為比熱力能(J/kg)；cp為氣體的比定壓熱容(J/(kg·K))；T為氣體的熱力學溫度(℃)；V為比體積(m3/kg)。

μj由熱力學能和流動功決定，其隨壓力、溫度的變化而變化。當節流后溫度降低時，μj＞0，產生節流冷效應；當節流后溫度升高時，μj＜0，產生節流熱效應；對于理想氣體，節流前后溫度不變，μj=0，產生零效應。除了分子量非常小的氣體(氫、氦)外，絕大部分氣體在等焓過程中，節流后壓力變小，體積膨脹，分子間的距離增大，必須通過吸收熱量來克服分子間吸引力，氣體在節流處的摩擦和分子間位能的增加產生節流冷效應，造成節流后的氣體溫度降低。以CH4為主要成分的天然氣在輸氣工程常見的壓力和溫度范圍內，具有良好的等焓節流膨脹產生溫降的熱工特性[1]。利用天然氣中各烴類組分冷凝溫度不同的特點，在降溫的過程中將重烴物質分離出來。

2 高分子膜脫碳系統

膜分離的原理是利用天然氣中不同的組分在同一芳雜環高分子膜中溶解擴散速率不同的特性，與CH4相比，CO2為“快”氣體，其透過膜的速率比CH4快15～40倍，以膜前后的壓差作為驅動力來脫除燃料氣中的CO2，其原理如圖1所示。

圖1 膜分離原理

氣田膜脫碳工藝流程為：燃料氣首先進入聚結分離器(F-3101)中脫除氣流中0.3 μm以上的液滴和固體顆粒，經電加熱器(EH-3101)加熱至60 ℃后進入活性炭過濾器(V-3101A)中除去C7以上的重烴，之后進入兩級籃式過濾器(PRP-F-3102/3103)除去氣體中的雜質，最后進入一級膜分離器(M-3101A/B/C/D)中脫除CO2，初次脫碳后的燃料氣經過級間加熱器(EH-3102)加熱至60 ℃后再進入二級膜分離器(M-3102A/B/C/D)中進行深度脫碳，截留側處理合格的燃料氣供透平壓縮機燃燒，滲透側的富CO2排放至火炬系統[2]，其工藝流程如圖2所示。

圖2 膜脫碳系統工藝流程

3 膜受到重烴污染的問題

膜脫碳系統運行初期效果良好，但約半年后出現處理后燃料氣CH4含量逐漸降低的現象，由65%逐漸下降至55%，高分子膜的壓差也由最初的40 kPa增加至100 kPa。經拆開檢查發現高分子膜表面存在明顯的油跡，說明活性炭已經吸附飽和，天然氣中的重烴物質進入了高分子膜中。對聚結器中液相進行取樣，采用GC-MS聯機對其組分進行了定性分析，然后再采用氣相色譜進行了定量分析，規整后的數據如表1所示。

表1 液樣組分分析結果

通過以上數據可以看出，BTX等芳烴物質的含量為44%左右，屬于芳烴含量很高的凝析液。根據這些凝析液的組成，推算進入高分子膜中重烴組成，C7+的含量為0.088 2 mol%，其中芳烴的含量為0.064 5 mol%。由于原料氣中的重烴含量遠高于最初的設計考慮，造成活性炭吸附床很快出現飽和，重烴進入高分子膜中大量聚集產生溶脹現象，導致其分離性和通量不斷下降，從而造成處理氣中CH4的濃度不斷降低。因此，為避免高分子膜受到污染，要盡可能的將重烴物質從原料氣中脫除。

4 節流脫重烴試驗

目前天然氣脫重烴方法主要有低溫分離、吸附分離、膜分離和超音速分離法。吸附分離法是利用吸附劑對苯、環己烷等重烴的選擇性吸附的特性進行分離，一般需要2個或2個以上的吸附塔切換操作，且吸附劑使用壽命短，需要經常更換。膜分離法和超音速分離法占用空間大，價格昂貴，穩定性較差。

在投用一級A、B兩組膜，脫碳系統入口壓力為6.20 MPa，溫度37 ℃，節流后不同壓力下的測試結果如表2和圖3所示。

表2 不同節流后壓力的重烴析出量、組分與熱值

根據測試結果可以看出：(1)在保持入口相同壓力的條件下，原料氣節流壓降后壓力不同，降溫幅度不同，重烴析出量也不同，且重烴的析出量與壓降成正比。(2)隨著壓力的下降，處理氣的熱值也隨之下降。氣田燃氣透平壓縮機對于燃料氣熱值要求為不低于18 MJ/m3，在以上各測試壓力下，脫碳后的燃料氣熱值均能滿足其要求。脫碳系統的設計壓力為7.0 MPa，由于CO2的分壓會影響其在高分子膜中的滲透速率，當節流后壓力降低時，單根膜組件的產氣量會減少，為保證燃氣透平壓縮機的燃料氣需求，膜組件的投用數量將會相應增加，這樣脫碳系統的使用成本將會大大提高，故不能將節流后的壓力降至太低。

圖3 節流后壓力與析烴量、熱值關系圖

根據測試的結果，將節流后壓力控制在4.00～4.50 MPa之間時，既能保證重烴物質能從天然氣中脫出來，又能保證脫碳后燃料氣的熱值滿足要求，同時脫碳系統投用的高分子膜數量較少，能夠取得較好的經濟效益。

5 J-T閥方案研究

根據上述分析，節流脫重烴工藝在解決高分子膜污染問題上是技術可行的。為盡可能的減少改造工作量，考慮在原料氣入口管線上增加J-T閥的方案，利用J-T閥將原料氣節流降溫脫除重烴(圖4)。

圖4 新增J-T閥方案示意圖

6 結語

在節流前相同壓力的條件下，節流后壓降越大，溫降幅度也越大，重烴脫除量也越大。

通過對節流脫重烴工藝在膜脫碳系統中應用的探索，在投用一級A/B膜兩組膜，系統壓力控制在4.00～4.50 MPa之間時，既能滿足透平壓縮機的熱值需求，又能防止高分子膜受到重烴污染。