乙二醇再生與回收工藝研究

陳慶虎 袁征

(1.中海石油(中國)有限公司海南分公司; 2.中海油安全技術服務有限公司海南分公司 海南 海口 570312)

美國Inland Technologies 公司對汽車冷卻劑和飛機除冰液回收與再生處理，開啟了乙二醇回收重復使用技術。1998年，乙二醇回收與再生技術在深水油氣領域得到了深入研究，并于1999 年在墨西哥灣Shell Mensa 項目中進行了工程化應用的嘗試。2000 年，Aker Processing 公司在挪威Statoil Asgard B 油氣田，安裝了乙二醇回收與再生處理裝置（以下簡稱MRU）。國外CCR Technologies Ltd使用真空蒸餾乙二醇和溶劑處理氣體的凈化技術，Cameron 使用預處理、MEG 再生、閃蒸分離、鹽收集、二價鹽脫除等閉路回收技術，Aker process System 使用了閃蒸分離技術。經過國外公司不斷改進，目前MRU 漸趨成熟，40 多臺在海洋工程中得到了廣泛應用[1]。

當前，典型的乙二醇再生與回收工藝有3種：（1）脫鹽工藝，僅脫除乙二醇富液的烴類和水，使富液再生為貧液，重新注入管道；（2）半脫鹽工藝，除去一部分鹽分減少乙二醇貧液中的鹽含量；（3）全脫鹽工藝，除去乙二醇溶液中所有的鹽量和不揮發雜質[2]。目前，國內西南石油大學開展離子交換法實現MEG 脫鹽方法研究，以及精餾塔高效脫鹽脫水模擬研究，推動了國內荔灣氣田群和陵水氣田群深水流動保障技術研究[3-4]。

國內海上油氣平臺在役的6 臺MRU，由Cameron等國外公司提供，在生產運營中出現鹽垢堆積、蠟結、冷卻器溫度失控、腐蝕內漏、乙二醇用量大和回收率低、貧乙二醇雜質含量大、接觸塔入口來液凝析油含量超大、低流量下乙二醇無法脫鹽脫水等典型失效現象。

1 工藝方案

筆者所在的陵水半潛式生產平臺研究項目，結合國內基礎研究，提出一種適合國內深水油氣開發的乙二醇再生與回收工藝流程，具體如圖1 所示。該工藝流程大致劃分為3 個功能單元：（1）脫烴脫鹽單元，主工藝流程乙二醇混合來液→高效脫烴分離器→膜分離單元；（2）脫水單元，MEG再生塔→塔頂主冷凝器→塔頂二級冷凝器→塔頂回流罐→回流泵（塔頂采出泵）→聚結除油器→生產水罐；（3）脫鹽單元，MEG再生塔→塔釜含鹽MEG 循環泵→沉降罐→MEG 循環加熱器→沉降管→鹽水罐→鹽水循環泵→離心機→濾液罐。MEG 再生塔側線出口的MEG 貧液通過轉移泵輸送到側線貧MEG冷卻器，然后進入MEG貧液罐。

圖1 乙二醇再生與回收工藝流程圖

該工藝流程按照《乙二醇潔凈度標準規范》，依照目標氣田來液溫度、入口壓力、來液含油、含水、乙二醇含量等物性、氣體組分、天然氣物性、生產水物性基礎參數，設定主要設備技術指標，按照0.5 m3/h 系統處理能力，選定乙二醇再生與回收流程的接觸塔設備參數，流量0.275 m3/h、出口溫度94 ℃、出口壓力0.2 BarG、出口含水20 wt%、出口含鹽量27.79 g/L、出口鹽粒粒徑＜5 μm、出口含油＜2 000 mg/L。

2 關鍵工藝設備

2.1 膜分離裝置

針對MEG 貧液中攜帶的氣藏原生性顆粒狀懸浮物、重烴以及鈣鎂二價鹽，在MEG 再生上游預制膜分離裝置，通過微米級過濾吸附與處理單元，分離出MEG 來液中的顆粒狀懸浮物、重烴和鈣鎂離子，減小下游設備負荷，解決系統結垢、堵塞問題，避免懸浮物粗糙表面攜帶乙二醇從而降低乙二醇回收率[5]。

2.2 MEG再生塔

傳統MEG再生塔采用常規內構件構建流體流道，實現含鹽MEG貧液在塔底聚集和輸出、MEG貧液在塔中部聚集和輸出、水分從塔頂揮發進入冷卻流程。本項目在傳統技術基礎上加速流體速度形成超重力狀態，實現快速脫水分離效果，消除半潛平臺特殊的運動特性對設備運行穩定性的影響，滿足海洋平臺對設備集約型的要求[6-7]。

2.3 鹽沉降罐

鹽沉降罐接收來自MEG再生塔的含鹽MEG貧液。貧液從鹽沉降罐頂部管道進入，沿管道進入中下部的罐體，隨著氯化鈉濃度增加出現鹽結晶顆粒向下沉降到鹽罐底部后排出；MEG貧液向上部流動從沉降罐中上部流出，經過離心機分離后，MEG液返回鹽罐，達到減少MEG隨鹽顆粒排出的目的[8-9]。

3 試驗驗證

3.1 MRU小試試驗

通過單塔減壓精餾脫鹽脫水研究、隔板塔減壓精餾脫鹽脫水研究、氯化鈉結晶與沉降研究、系統壓力與脫水鹽結晶關系研究、含水量與脫水鹽結晶關系研究、含鹽量與脫水鹽結晶關系研究、工藝系統溫度對氯化鈉、水與乙二醇分層影響研究、工藝溫度對鹽結晶粒徑影響研究、工藝溫度對氯化鈉晶體夾帶乙二醇含量影響研究等，確立了工藝流程關鍵參數。

再生塔出口貧乙二醇濃度與溫度關系，系統壓力20 kPa工況下，如圖2所示；系統壓力30 kPa工況下，如圖3所示。在MEG∶H2O∶NaCl質量比為50∶47∶3，在塔頂壓力分別為20 kPa 和30 kPa，回流比0.5～1 的條件下，側線采出貧乙二醇濃度能達到90%以上，試驗結果與仿真結果相吻合。

圖2 溫度與乙二醇濃度曲線@20 kPa

圖3 溫度與乙二醇濃度曲線@30 kPa

不同含水量變化條件下，貧乙二醇產品濃度和塔頂乙二醇含量變化關系，見圖4；乙二醇回收率和鹽析出率關系，見圖5。

圖4 入口含水量與乙二醇脫水曲線

圖5 入口含水量與脫鹽效率曲線

在進料組成中水含量為 30 wt%、40 wt%、50 wt%、60 wt%、70 wt%件下，側線采出均可達到90 wt%以上。塔頂乙二醇含量均低于150 mg/L，而且隨著含水量的增加，塔頂乙二醇含量有降低趨勢，乙二醇回收率均在99%以上，隨著水分增大，逐漸減弱。

3.2 中試試驗

3.2.1 配液試驗

按照原料質量組成MEG∶H2O∶NaCl為47∶50∶3，二價鹽含量60 mg/L（Ca2+含量55 mg/L，Mg2+含量5 mg/L），凝析油含量1 000 mg/L，pH 值9.7，配制乙二醇富液。試驗測得脫烴分離器出口凝析油含量23 mg/L，烴脫除率達到97.7%，Ca2+含量2.43 mg/L，Mg2+含量0.12 mg/L，Ca2+脫除率95.6%，Mg2+脫除率97.6%，膜分離裝置出口未檢測到凝析油殘留，如圖6所示。

圖6 脫鹽脫水塔運行參數隨時間變化情況

再生塔乙二醇回收率與鹽脫除穩定處理效果,見圖7和圖8，數據記錄見表1。

表1 脫鹽脫水單元配液試驗分析數據

圖7 側采貧MEG及鈉離子含量與塔頂乙二醇含量變化

圖8 MEG回收率與鹽脫除率變化

3.2.2 苛刻工況下的配液試驗按照原料質量組成MEG∶H2O∶NaCl為47∶50∶3，Ca2+含量500 mg/L，Mg2+含量500 mg/L，Fe3+含量500 mg/L，凝析油含量2 000 mg/L，pH 值9.8，配制乙二醇富液。脫烴分離器出口凝析油含量及凝析油脫除率出持續穩定，見圖9。苛刻工況下膜分離后Ca2+含量從500 mg/L降至10.3 mg/L 以下，脫除率達97%以上，Mg2+含量從500 mg/L 降至2.15 mg/L 以下，脫除率達99.57%以上，Fe3+含量從500 mg/L 降至0.84 mg/L，脫除率達99.83%以上。膜分離裝置出口未檢測到凝析油殘留。

圖9 凝析油含量與凝析油脫除率變化

苛刻工況運行下膜分離裝置純水通量污染試驗顯示，在相同跨膜壓差、相同溫度下，膜分離裝置出現污物阻塞，其純水通量與初始通量相比下降16%。采用“水洗—堿洗—水洗—酸洗—水洗”方式清除油和鈣鎂鐵鹽沉淀物，膜純水通量可以恢復至初始通量的99%以上，參見圖10。

圖10 膜分離裝置清洗再生

3.2.3 平臺取液長周期試驗

采用陵水17-2平臺MEG富液連續運行72 h，預處理單元脫烴、膜分離裝置脫除一價鹽、再生塔乙二醇回收效果見圖11、圖12和圖13。

圖11 高效脫烴分離器產液凝析油含量與凝析油脫除率長周期變化

圖12 膜分離裝置運行參數長周期變化情況

圖13 MEG回收率與鹽脫除率長周期隨時間變化情況

3.2.4 搖擺工況試驗

深水MRU 需要滿足半潛式油氣生產平臺搖晃工況，或者固定導管架平臺臺風工況。以再生塔為代表性的研究對象，采用外力搖動脫鹽脫水塔（2.5°傾角、5 Hz），實際測得搖晃工況下塔器出口貧乙二醇含水量、回收率等指標穩定，再生塔水相液位變化與儀控輸出信號穩定性[10-11]。

在小試試驗、中試試驗實測數據基礎上，提出一套以南海某深水氣田為目標氣田的國內首套MRU 工程化實施方案。

4 結語

當前0.5 m3/h 處理量的工藝流程經過了小試試驗和中試驗證，測試數據表明能夠滿足設計規范和用戶生產實踐需求。膜分離技術用于乙二醇溶液分離顆粒工裝懸浮物、重烴和二價鹽，再生塔超重力強化脫水技術，需要在后續示范應用中跟蹤優化，結合再生塔內構件微結構優化等，增強工藝分離效果。當前，國內首個適用于我國南海深水目標氣田的乙二醇再生與回收工藝流程，是國內深水天然氣生產系統流動保障性研究的發展，具備了工程化應用的充分條件。