甲醇在天然气集输工艺中的应用讲解.pdf

甲醇在天然气集输工艺中的应用甲醇在天然气集输工艺中的应用20082008 年年 8 8 月月 2929 日日前言前言油气田产出的天然气往往含有水分及 H2S、CO2等杂质，这些物质的存在容易导致天然气在集输过程中发生冻堵、 腐蚀管线及设备， 而天然气在作为商品气时，又有一定气质要求，故天然气在集输过程往往要采取一定的防冻措施及净化措施。适应于天然气净化加工需要的 IFPEXOL 工艺由法国石油研究院(IFP)开发成功。该工艺基于低温甲醇作吸收溶剂,甲醇不仅起到天然气水合物抑制剂和防冻剂的作用,也能用作酸气脱除溶剂,从而将天然气的脱水、NGL 回收和酸气脱除紧密地结合为一个整体,简化了工艺流程。下面将重点介绍 IFPEXOL 工艺(包括 IFPEX-1 和 IFPEX-2 两部分),及甲醇在我国天然气集输工艺中的应用，在介绍过程中同时与其它天然气脱水、NGL 回收和酸气脱除工艺进行简单的比较分析。1 1、IFPEXOLIFPEXOL 工艺工艺IFPEXOL 工艺用低温甲醇来完成天然气的脱水、 NGL 回收和酸气脱除等过程,现已开发出紧密相连的两部分,即IFPEX-1工艺和IFPEX-2工艺,二者可单独使用也可连续使用,其中由 IFPEX-1 工艺完成天然气的脱水与 NGL 回收,由 IFPEX-2工艺进行天然气脱硫脱碳。1.1 IFPEX-11.1 IFPEX-1 工艺工艺IFPEX-1 工艺部分用于天然气脱水和 NGL 的回收,其基本工艺流程如下:来自井口的原料气经气液分离器后被分为两股,一股进入 IFPEX-1 接触塔,在塔内与来自冷却分离器的向下流动的甲醇水溶液逆流接触。 另一股未经接触塔的旁路气流与出 IFPEX-1 接触塔的气流汇合,在注入补充甲醇后进入低温加工工段。在低温工段,采用丙烷制冷,或利用天然气本身的压力能采用制冷设备 （热分离机、透平膨胀机、节流阀）制冷，回收得到烃和甲醇/水的混合物。然后在一个三相低温分离器内将两个液相(液烃相和甲醇/水相)与气相分开,甲醇/水混合物(重相)循环回接触塔,气体经与制冷前段原料气换热后输出作商品气或进入 IFPEX-2 吸收塔(视实际需要而定),NGL 进行回收贮存。工艺流程简图见图 1。图 1IFPEX-1 工艺流程简图1气液分离器;2IFPEX-1 吸收塔;3换热器;4丙烷制冷;5三相分离器在 IFPEX-1 接触塔中,气流与低温甲醇/水溶液逆流接触。由于甲醇挥发性高,因而相对温度较高的进口原料气在上升过程中能将甲醇从甲醇/水混合物中汽提出来,从而使流过填料的甲醇/水混合物逐渐变贫。 由于进入接触塔的来自气液分离器的原料气处于水饱和状态,没有再吸收水分的能力,从而使经汽提甲醇后剩余下的水流向塔底并排出。并且,经原料气汽提后排出水流中所含甲醇的量很小。进料气分流和接触塔的高度优化可使接触塔,包括其填料的总耗资降到最小。出IFPEX-1 接触塔的水质量极高,类似于蒸馏水,可排放或作它用。同时,从塔顶流出的气体中带有相当数量的甲醇,能够在此后的管输或低温加工中防止生成水合物。 在 IFPEX-1 工艺中,有一小部分甲醇带入商品气或 NGL 中,成为烃产品的组分之一,因而必须在热交换设备之前引入小股补充甲醇以保持甲醇的浓度。补充甲醇勿须用无水甲醇,其携带有水分可很方便地从 IFPEX-1 塔底分出来。该工艺的实质是通过制冷冷冻原料气,使天然气中的水分和部分凝析物(NGL)分离出来,从而在干燥天然气的同时也完成了 NGL 的回收。在 IFPEX-1 工艺中,液烃中甲醇的回收可用水洗技术解决。 传统技术,如一体化静态沉降混合器或凝聚器都可采用,更高的回收可考虑采用多级分离器或填料塔。 回收甲醇后的含甲醇较少的洗涤水可返回到 IFPEX-1 塔中部。 这种设计要求接触塔要有两个接触床或设置第二塔以进行汽提。 由于在低温下甲醇的蒸发损失可忽略不计,以及液烃很易于用水洗涤进行高度回收,因而在低温加工中甲醇的总消耗很低。1.2 IFPEX-11.2 IFPEX-1 工艺应用实例工艺应用实例为加深对 IFPEX-1 工艺的技术优势有一更为透彻地了解,下面举实例以兹说明。由于 IFPEX-1 工艺流程简单,工艺全过程勿须明火加热,无放空也无连续火炬,因而特别适宜于海上平台的无人操作。丹麦 Maersk Olie og Gas 公司在北海区域的西 Hardld 气田用 IFPEX-1 工艺对日产 9.91106 m3的天然气进行脱水,并用透平膨胀机回收 NGL。在选择采用 IFPEX-1 工艺前,该公司进行了详细的技术论证,并将其与传统的乙二醇(或三甘醇)脱水进行了对比,结果见表 1(按处理气条件估算)。表 1IFPEX-1 与乙二醇脱水方案的技术比较接触塔内径,m接触塔高,m接触塔重,t再生橇块重,t泵重,t总重量,t技术方案乙二醇脱水IFPEX-13.09.016050前已包括2101.2510.038无240从表 2 可看出,IFPEX-1 工艺的优势是十分明显的。此外,IFPEX-1 工艺中再生橇块及其加热系统的消除以及排放和过滤要求的简单都进一步支持了无人操作的安全性。图 2 给出了该设计的简单流程,进料气来自高压总管线,压力为 9.25 MPa,用海水冷却到 40后用一个简易的重力式气液分离器分离出游离水和冷凝液。然后,气体进入下游的加工工段,冷凝液送往闪蒸系统。图 2西 Hardld 气田平台脱水工艺流程1气液分离器;2IFPEX-1 吸收塔;3换热器;4透平膨胀机;5透平膨胀机入口三相分离器;6透平膨胀机出口三相分离器;7三相分离器;8压缩机离开气液分离器的气流分为两股,一股进入 IFPEX-1 接触塔,另一股旁路通过并与出 IFPEX-1 接触塔塔顶的气流相混合,喷入补充甲醇后,通过一简单的板式气/气换热器进行冷却。然后,进入一立式旋风三相分离器,经透平膨胀机膨胀至 6.2 MPa 和18分离出一凝析水相和一液烃相。气流中喷入更多的甲醇后再进入透平膨胀机膨胀。膨胀机排出物流在另一个旋风式三相分离器内分离,适当浓度的甲醇凝析水相返回到上游的透平膨胀机前的旋风式三相分离器,在此与其得到的甲醇凝析水相混合。 膨胀机出口旋风式三相分离器回收的含有少量甲醇的NGL 则送到闪蒸/洗涤系统。离开膨胀机出口旋风式三相分离器的气流通过气/气板式换热器复热达到38,然后再经透平膨胀机增压至 7.2 MPa 作商品气输出。该气流完全满足气体烃和水露点在 4.0 MPa 时-13的管输标准。来自透平膨胀机入口旋风式三相分离器的混合甲醇凝析水用泵打到IFPEX-1 塔的上部。IFPEX-1 塔内装有 Koch/Sulzer 公司生产的特定表面体积比的 BX 型填料。原料气自塔底进入 IFPEX-1 塔,与低温甲醇水溶液逆流接触,汽提出甲醇并排出分离水。 原料气完全水饱和及排放水流中甲醇浓度极低的性质使甲醇几乎可得到全部回收。 汽提回收的甲醇与塔顶气流混合并进而与旁路原料气一起再进入低温加工工段。另一股来自冷凝液闪蒸/洗涤罐的含水甲醇物流送到IFPEX-1 塔中部。上游不含甲醇(即原料气进口分离器所得)的凝析液和由透平膨胀提取的约含 2 400 ppm 甲醇的凝析液混合后在闪蒸/洗涤罐闪蒸。为保证洗涤水量充足,从 IFPEX-1 接触塔塔底取水补充。 由于甲醇在水中的溶解度远高于在烃中的溶解度,因而用一个简单的一步清洗就能回收 90%以上的甲醇。如前所述,收集到的约510 wt%的稀甲醇用泵返回到IFPEX-1塔的中部,低压闪蒸得到的含甲醇的闪蒸气则用二级压缩机压缩后作为热汽提气进入 IFPEX-1 塔。剩余的甲醇含量不足200 ppm 的 NGL 离开闪蒸罐,进入 NGL 贮罐。1.3 IFPEX-21.3 IFPEX-2 工艺工艺IFPEX-2 工艺用于天然气脱除 H2S、 CO2 等酸性气体,其基本流程见图 3 所示。来自IFPEX-1的经过水及烃露点调整达到要求后的酸性气体进入IFPEX-2吸收塔,与低温甲醇溶剂逆流接触。气流中的 H2S 和 CO2 等酸气被溶剂吸收,流出吸收塔的气体即达到所要求的商品气指标,且 COS 和硫醇也可脱除干净。出吸收塔的净化气经与丙烷制冷前段原料气换热后(即将 IFPEX-2 连入 IFPEX-1 的三相分离器与丙烷制冷之间)作商品气销售。图 3IFPEX-2 工艺流程简图1IFPEX-2 吸收塔;2冷冻;3闪蒸罐;4热汽提塔;5冷冻离开 IFPEX-2 吸收塔塔底的富液进入闪蒸和溶剂热汽提进行再生,同时得到富烃闪蒸气和富酸气的汽提废气。除了用贫液预冷和汽提塔冷凝甲醇回流外,IFPEX-2 工艺的再生过程与传统醇胺工艺的再生工艺过程基本相同。溶剂再生的操作条件要高于 1 大气压,但不需要高耗热,一般的废热、 热水及低压蒸汽均可使用,但工艺需一定的冷却条件。经再生后的溶剂循环回到 IFPEX-2 吸收塔。在 IFPEX-2 工艺中利用 CO2 和 H2S 在甲醇中溶解度不同的特性,可选择性地脱除掉天然气中的 H2S,而部分脱除 CO2。 并且,由于 H2S 在甲醇中的溶解度很高,因而完全可将 H2S 浓度脱除到低于 3.0 ppm。在一般应用中若要求产品气 CO2 浓度低于 500 ppm,则会由于溶剂循环速率太高而使能耗增加。由于酸气在甲醇中的吸收是物理性吸收,因而大部分 CO2 和少量的共吸收烃可用富液闪蒸的简单方法将其分离出来。 但是,溶解度较高的 H2S 则必须进行热汽提再生,且可以在高于l atm 条件下再生。而对于仅含 CO2 溶剂的再生,当产品气中残余 CO2 浓度允许高于 1.0 mol%时,可在高于 1.5 MPa 下热再生。对于一些高含 CO2 天然气的脱除,若残余量允许超过 5 mol%,则热再生汽提可略去,仅闪蒸即可。在 IFPEX-2 工艺中烃的竞争共吸收对于操作是十分不利的,IFP 经过多年的研究已开发出专用于IFPEX-2 的溶剂再生方法,回收几乎是纯的共吸收烃,从而解决了这一难题。最近,IFP 又对其常规 IFPEX-2 工艺进行了改进,提出了更为先进的 IFPEX-2工艺技术。 改良新工艺的主要改进是用一个新型换热器式汽提塔进行连续的闪蒸汽提。在常规的 IFPEX-2 工艺中,富液经闪蒸和二级汽提再生完成溶剂的再生。来自闪蒸罐的冷富液虽然与来自第二热汽提塔塔底的热贫液在第一热汽提塔内进行了交叉换热,但冷富液仍含有大量的 CO2 和烃。改良新工艺用一个垂直管壳式换热器代替传统使用的交叉换热器。 垂直管壳式换热器自上而下的敞开槽路可进行闪蒸,并使热气体向上流动,其顶端与管线相连,向外输出富 CO2 循环气。每一根管路内物质传递和热传递效率的增加使得总传质和传热更有效。 这种改进的结果是 CO2 和烃的减少,降低了连续热汽提的负荷。并且,酸气质量大大提高了,可为 Claus 硫回收装置提供较大浓度 H2S 的原料气。与传统的醇胺洗净化工艺相比,IFPEX-2 工艺具有回收酸气压力高;产品气和酸气均为干燥气体;溶液不发泡、无腐蚀;再生热负荷低等优点。 表 3 列出了其与 NDEA 工艺的操作性能比较。评价条件为日处理 850 万 m3酸性天然气且原料气先经透平膨胀降压至 4.90 MPa 和206;气质条件为：CO213.68%(mol) ,COS0.001%(mol),硫醇 0.001%(mol),H2S0032（mol),C17592（mol），其它 2.93%;商品气标准为:CO24.0（mol），H2S26 ppm，压力 4.83 MPa。表 3IFPEX-2 与 MDEA 经济性能比较表公用工程消耗,1036a投资,10热电溶剂总计酸气脱除 商品气脱水 酸气压缩 酸气脱水 总计201604811022833IFPEX-2 2 610 4 1502507 010MDEA4 820 3 4003108 350评价标准:年操作时间 8 300 hr,热能价格 15.0/Gcal,电价 0.05/kWh,甲醇价格 0.10/kg,MDEA 价格 2.00/kg,TEG 价格 1.10/kg。在该评价中,由于评价目标是一海上平台,因而酸气需脱水加压后进入外输管线,输往陆地再作进一步的处理。 而一般应用中酸气加压及脱水是并不需要的,但就表3中数据可看出,IFPEX-2工艺投资比MDEA 工艺降低了500万 ,即可节省投资约 18%。并且,操作费用每年要低 134 万 。然而在评价中,MDEA 考虑了商品气的脱水部分,而 IFPEX-2 工艺则未考虑(IFPEX-2 的商品气为干燥气体)。FPEX-2 的产品气为干燥气体是因为其前一步骤 IFPEX-1 作用的结果,因而,若不考虑 IFPEX-1 的存在,其比较似乎还缺乏说服力。应当说,在原料气既需脱水、 NGL 回收又需脱除酸气的情况下,将 IFPEX-1 和 IFPEX-2 联合使用的 IFPEXOL工艺在经济上极具吸引力,而仅就酸气脱除而言则未必如此。2 2、甲醇在我国天然气集输工艺中的应用、甲醇在我国天然气集输工艺中的应用目前， 甲醇在我国天然气集输工艺中主要是作为防止天然气水合物生成的抑制剂使用。2.12.1 甲醇在靖边气田的应用甲醇在靖边气田的应用靖边气田采用的多井高压集中注醇工艺是在集气站内设高压注醇泵， 通过与采气管线同沟敷设的注醇管线向气井井筒油管、套管或采气管线注入防冻剂甲醇。由于气田大面积采用注醇工艺，一是注醇量大，二是不回收会污染环境，因此必须对甲醇进行回收。大规模工业化甲醇回收在国内还没有成功范例，在靖边气田是首次采用。含甲醇污水在集气站通过分离器分离和收集， 各集气站含甲醇污水通过罐车拉运到净化厂甲醇回收装置集中进行处理， 对污水中的甲醇通过精馏进行回收以达到再生利用。甲醇回收装置的工艺流程示意图见图 4。冷凝器集 气 站 拉运污水进料泵过滤器加热换热器回流罐冷却换热器釜式重沸器去水处理预 加 热换热器冷凝水加热蒸汽精馏塔回流泵甲醇储罐去用户图4甲醇回收装置工艺流程图采用这种回收工艺，生产的甲醇纯度大于90%。回收的甲醇又用于气井生产过程中水合物防治。2.22.2 甲醇在克拉玛油田的应用甲醇在克拉玛油田的应用甲醇在克拉玛依油田的天然气生产上， 主要也是作为解冻剂及防止天然气水合物生成的抑制剂使用，2007 年在盆 5 气田首次采用 IFPEXOL 工艺，从而将天然气防冻、脱水脱烃及甲醇回收有机地结合成一体。图 5 给出了盆 5 气田低压气脱水工艺的简单流程,其处理的是 P5004、 P5005、P5002 共 3 口低压气井来气 16104Nm3/d。主要工艺运行参数如表 2。图 5盆 5 气田低压气处理工艺流程表 2 主要工艺运行参数表名名称称天然气处理量（10 Nm /d）43运行值运行值16备备注注凝析油处理量（t/d）液态水处理量（t/d）进口压力（MPa）进口温度（）气提气流量（10 Nm /d）气提气控制温度（）节流后温度（）外输压力（MPa）外输温度（）432325.02635565-12-63.51015与预冷气量有关压差为 1.5 MPa 时，节流后温度-12-6。在没有预冷气量时，低温温度-6，达到预处理目的。 该橇分离出的水清澈透明，排除的水中甲醇含量小于 1，汽提甲醇回收率达 98%，消耗的甲醇基本上外输作为商品气，没有浪费。而乙二醇再生回收率仅能达到 92%。2.32.3 我国天然气集输中甲醇工艺的改进我国天然气集输中甲醇工艺的改进在我国天然气集输中，应用 IFPEXOL 工艺时，进行了一些优化改进。一是进行橇装化设计，采用合一装置技术。优化设计分离与汽提装置，制造多功能组合设备，减少现场组装工程量，提高建设水平。 利用超重力分离技术和甲醇汽提技术，实现装置组合，达到低成本、小尺寸、高效率。如图 6 所示，在盆 5 气田设计的低压气处理撬中， 立式三相分离器整合了旋流分离、重力分离及甲醇气提三项技术，是一台将预分离器和汽提器组合的多功能设备。二是采用小膨胀比、极限换热技术。 利用小压差制冷产生温度降，制图 7 绕管换热器绕管加工现场图 6 分离与汽提组合设备冷后的低温气与制冷前原料气进行纯逆流换热，最终达到低温分离的目的。该技术关键因素之一是换热器能否达到需要的条件。 如图 7 所示， 采用绕管换热技术，为“小温差极限换热”提供了可靠技术保证。2.42.4 我国天然气集输中甲醇工艺的应用前景我国天然气集输中甲醇工艺的应用前景目前， 我国天然气工业正处在快速发展的初期， 而在我国天然气矿场集输中，防止水合物生成的主要方法是加热升温和加注甲醇等抑制剂。 脱水脱烃的主要方法是分子筛脱水-低温脱烃工艺、乙二醇防冻-低温脱水脱烃工艺及常温分离-三甘醇脱水工艺。 天然气脱硫主要采用的是醇胺法。而利用甲醇防冻并脱水脱烃的工艺仅在克拉玛依盆 5 气田得到应用。在天然气集输过程， 利用甲醇最多的是靖边气田，其仅将甲醇作为抑制剂使用，天然气净化采用的是醇胺法脱硫、三甘醇脱水工艺，这种集输工艺使靖边气田专门单独建有甲醇回收装置， 且其天然气需经过集气站三甘醇脱水橇及净化厂集中脱硫后的三甘醇脱水工艺的二次脱水，投资及运行成本较高。在塔里木油田及克拉玛依油田， 天然气中酸气含量极少或没有，天然气净化主要是脱水脱烃， 其采用的工艺主要是分子筛脱水-低温脱烃工艺及乙二醇防冻-低温脱水脱烃工艺，投资及运行成本也是相对较高。利用甲醇的 IFPEX-1 工艺与其它天然气脱水工艺相比(乙二醇脱水或分子筛脱水),IFPEX-1 工艺由于无烃或温室气体的排放,因而对环境无害。其技术经济性能可通过与传统的商业化技术,如分子筛脱水和三甘醇(TEG)、乙二醇(MEG)脱水的比较得到,见表 3。表 3天然气脱水工艺投资费用比较(103美元)（九十年代统计）处理量分子筛106m3(露点可至d50）033060525MEG（2050）350TEGIFPEX-1（20室（80室温）温）1 240105195740节省420155500在传统的脱水工艺中,脱水溶剂的再生需消耗热能,而 IFPEX-1 工艺除需一定的冷量外(丙烷制冷),不需耗热或耗热量很少（原料气温度低时需稍加热）而仅只需要一定的电力驱动一台低压泵即可。以日处理量为 600 万 m3的天然气脱水装置为例,若以每度电0.05美元及每百万大卡热需耗燃料成本为12美元计算,与 TEG 法相比较,IFPEX-1 工艺年操作费用可节省 10 万美元。如考虑丙烷制冷在内,其在经济性能上的优势可能要大打折扣。此外，如果水矿化度较高，在天然气防冻时加入乙二醇，溶入到游离水中的乙二醇在高温再生时随着水分的蒸发易产生析盐结垢现象。 而甲醇的再生主要依靠汽提，是甲醇从水中脱出，再生温度不高，故不会产生盐从水中析出而结垢现象。目前我国有研究人员正在加大对甲醇工艺的研究及现场应用， 图 8 是一种将气井注醇防冻、 脱水脱烃及甲醇再生有机结合起来的天然气集输工艺。该工艺流程简单，设备数量少，操作管理方便，是一种非常经济实惠的工艺。图图8 8 甲甲醇汽醇汽 提技提技术工艺流程术工艺流程75甲醇4去气井注醇装置干气外输气来气闪蒸气作燃料或压缩后作为热汽提气38油21甲醇/水6甲醇/水油甲醇/水水凝析物1、预分离器与汽提塔组合;2、换热器与低温分离器组合;3、制冷;4、储罐; 5、气液分离器;6、闪蒸/洗涤罐 7、冷凝; 8、复热;我国天然气工业正处在快速发展的初期， 而甲醇工艺在天然气集输中有以下优点：1）将脱水、脱烃工艺完美结合起来，缩短了流程；2）甲醇防冻、脱水、脱烃实现了自循环再生；3）全套气净化工艺只用一种中间介质，节能、降耗、方便管理；4）甲醇可用于天然气中酸气的脱除。正因如此，甲醇在我国天然气集输工艺中的应用前景相当广阔。结束语结束语甲醇工艺仅用甲醇一种溶剂进行天然气防冻、脱水、NGL 回收和酸气脱除,从而大大简化了工艺流程,拓宽了甲醇在气体净化工业中的应用。 与传统的脱水、酸气净化技术相比,IFPEXOL 具有较强的技术优势。