天然气凝液回收方法

天然气凝液回收方法天然气凝液回收方法 ngl 回收可在油气田矿场进行 也可在天然气处理厂 气体回注厂中进行 回 收方法基本上可分为吸附法 吸收法及冷凝分离法三种 一一 吸附法吸附法 吸附法系利用固体吸附剂 例如活性炭 对各种烃类的吸附容量不同 从而使天 然气中一些组分得以分离的方法 在北美 有时用这种方法从湿天然气中回收 较重烃类 且多用于处理量较小及较重烃类含量少的天然气 也可用来同时 从天然气中脱水和回收丙 丁烷等烃类 吸附剂多为分子筛 使天然气水 烃 露点都符合管输要求 吸附法的优点是装置比较简单 不需特殊材料和设备 投资较少 缺点是需要 几个吸附塔切换操作 产品局限性大 能耗与成本高 燃料气量约为所处理天 然气量的 5 因而目前很少应用 二二 油吸收法油吸收法 油吸收法系利用不同烃类在吸收油中溶解度不同 从而将天然气中各个组分得 以分离 吸收油一般为石脑油 煤油 柴油或装置自己得到的稳定天然汽油 稳 定凝析油 吸收油相对分子质量越小 ngl 收率越高 但吸收油蒸发损失越大 因此 当要求乙烷收率较高时 一般才采用相对分子质量较小的吸收油 1 工艺流程简介 按照吸收温度不同 油吸收法又可分为常温 中温和低温油吸收法 冷冻油吸收 法 三种 常温油吸收法吸收温度一般为 30 左右 中温油吸收法吸收温度一 般为 20 以上 c3收率约为 40 左右 低温油吸收法吸收温度一般在 40 左 右 c3收率一般为 80 90 c3收率一般为 35 50 低温油吸收法原理流 程图见图 5 1 图中原料气先与离开吸收塔的冷干气换热 再经冷冻 冷剂制冷 后进入吸收塔 与冷吸收油逆流接触 使气体中大部分丙 丁烷及戊烷以上烃类被吸收下来 从吸收塔顶流出的冷干气与原料气换热后外输 由吸收塔底部流出的富吸收油 富油 进入富油稳定塔中 由塔顶脱除甲烷等作为燃料 然后进入富油蒸馏塔 蒸出 ngl 并去 ngl 蒸馏塔分离为液化石油气 lpg 和稳定天然汽油 c5 重烃 从富油蒸馏塔底流出的贫吸收油 贫油 经冷冻 冷剂制冷 后返回吸收塔循环使 用 如果采用装置自己得到的稳定天然汽油作为吸收油 则可取消富油蒸馏塔 将富油稳定塔塔底的 ngl 直接进入 ngl 蒸馏塔即可 2 国内外现状 1 国外 油吸收法是 20 世纪五六十年代广泛使用的一种 ngl 回收方法 尤其是在 60 年 代初由于低温油吸收法收率较高 压降较小 而且允许使用碳钢 对原料气处 理要求不高 且单套装置处理量较大 故一直在油吸收法中占主导地位 但因 低温油吸收法能耗及投资较高 因而在 70 年代以后已逐渐被更加经济与先进的 冷凝分离法取代 目前 仅美国个别已建油吸收法 ngl 回收装置仍在运行外 大多数装置均已关闭或改为采用冷凝分离法回收 ngl 2 国内 我国自 20 世纪六七十年代以来已建成了上百套 ngl 回收装置 基本上都是采用 冷凝分离法 但在 2001 年后个别油田新建或改建的 ngl 回收装置还采用了低温 油吸收法 例如 大庆油田萨中 30 104m3 d 的 ngl 回收装置 原设计采用氨 压缩制冷的浅冷分离工艺 改建后采用了浅冷分离 油吸收组合工艺 冷冻温度 为 17 因而实质上是采用氨压缩制冷的中温油吸收法 c3收率由原来的 30 1 质量分数 下同 提高到 68 5 见表 5 1 另外 海南福山油田新建的 第一套 ngl 回收装置 30 104m3 d 采用的也是油吸收法 冷冻温度为 30 因而实质上是采用丙烷压缩制冷的低温油吸收法 c3收率设计值在 80 以上 表表 5 15 1 大庆萨中大庆萨中 nglngl 回收装置改建前后收率比较回收装置改建前后收率比较 时间冷冻温度 凝液收率 t 104m3 c3 收率 质量 分数 c4 收率要 质量分数 改建前 改建 19 5 17 3 1 85 2 68 30 1 68 5 54 9 88 9 后 大庆油田萨中 ngl 回收装置原料气为低压伴生气 先压缩至 1 3mpa 再经冷却 冷冻至约 20 进行气液分离 然后气体去吸收塔 凝液去脱乙烷塔等 吸收油 为本装置的稳定天然汽油 我国习惯上称为稳定轻烃 由于报道中未介绍不同 改建方案投资 收率 能耗等综合比较结果 故只能从其原工艺流程推测该装 置改建时采用浅冷分离一油吸收组合工艺的原因是 原料气仅压缩至 1 3mpa 即使采用透平膨胀机制冷法效果也不显著 改建前采用浅冷分离工 艺 原料气冷冻温度在 20 以上 设备 管线均采用碳钢 如果采用透平膨胀 机制冷法 则需采用低温钢材 改建前采用乙二醇作为水合物抑制剂 如果 采用透平膨胀机制冷法 则必须改用分子筛脱水 所以 针对该装置改建前具 体情况 从投资 收率等角度考虑 该装置改造为浅冷 油吸收组合工艺还是合 适的 但是 如果是新建装置 就应对浅冷分离 油吸收组合工艺和其他工艺方 案进行技术经济综合比较后 从而确定最佳方案 海南福山油田新建第一套 ngl 回收装置原设计考虑到原料气为高压凝析气 3 5mpa 外输干气压力仅要求为 1 6mpa 故拟采用丙烷预冷一透平膨胀机制 冷的深冷分离工艺 c3收率设计值在 85 以上 但之后考虑到该油田处于开发 初期 原料气压力与规模有待落实 故改用低温油吸收法 2003 年该装置投产 后的实践表明 原料气压力稳定 天然气产量仍在不断增加 所以在 2005 年又 新建了第二套 ngl 回收装置 50 104m3 d 这套装置在总结以往经验教训的 基础上 考虑到原料气中 c1 c2比值 体积分数比 在 3 5 因而采用了有重接 触塔 见本章第三节所述 的丙烷预冷 透平膨胀机制冷联合工艺 c3收率设计 值在 90 以上 此外 为了提高第一套装置的 c3收率及降低装置能耗 在 2004 年改建中也增加了一个重接触塔 并将冷油吸收系统停运 改建后装置的 液化石油气及稳定天然汽油产量都有明显增加 实际上我国自 20 世纪六七十年代以来 除最早建设的某油田凝析气田 ngl 回收 装置由于受当时条件限制而采用冷剂制冷的浅冷分离工艺外 国内以后建成的 高压凝析气田 ngl 回收装置几乎都无一例外地采用了冷剂预冷 透平膨胀机制冷 联合工艺 一实践证明 这种工艺是先进可靠 经济合理的 只要在设计中考 虑周到 就可以较好地适应高压凝析气田在开发过程中的变化情况 三 冷凝分离法 冷凝分离法是利用在一定压力下天然气中各组分的沸点不同 将天然气冷却至 露点温度以下某一值 使其部分冷凝与气液分离 从而得到富含较重烃类的天 然气凝液 这部分天然气凝液一般又采用精馏的方法进一步分离成所需要的液 烃产品 通常 这种冷凝分离过程又是在几个不同温度等级下完成的 由于天然气的压力 组成及所要求的 ngl 回收率或液烃收率不同 故 ngl 回收 过程中的冷凝温度也有所不同 根据其最低冷凝分离温度 通常又将冷凝分离 法分为浅冷分离与深冷分离两种 前者最低冷凝分离温度一般在 20 35 后者一般均低于 45 最低在 100 以下 深冷分离 cryogenic separation 或 deepcut 有时也称为低温分离 但是 天 然气处理工艺中提到的低温分离 low temperature separation 就其冷凝分离 温度来讲 并不都是属于深冷分离范畴 例如 第三章中所述的低温分离法即 为一例 此外 天然气处理工艺中习惯上区分浅冷及深冷分离的温度范围与低 温工程中区分普冷 中冷和深冷的温度范围也是有所区别的 冷凝分离法的特点是需要向气体提供温度等级合适的足够冷量使其降温至所需 值 按照提供冷量的制冷方法不同 冷凝分离发又可分为冷剂制冷法 膨胀制 冷法和联合制冷法三种 1 冷剂制冷法 冷剂制冷法也称外加冷源法 外冷法 机械制冷法或压缩制冷法等 它是由独 立设置的冷剂制冷系统向题啊人南汽提供冷量 其制冷能力与天然气无直接关 系 根据天然气的压力 组成及 ngl 回收率要求 冷剂 制冷剂 制冷工质 可 以是氨 丙烷或乙烷 也可以是丙烷 乙烷等混合物 混合冷剂 制冷循环可 以是单级多级串联 也可以是阶式制冷 覆叠式制冷 循环 天然气处理工艺中 几种常见冷剂的编号 安全性分类及主要物理性质见表 5 2 表表 5 25 2 几种常用冷剂的编号 安全性分类及物理性质几种常用冷剂的编号 安全性分类及物理性质 空气中爆炸极限 体积分数 冷剂 冷剂编 号 安全性 分类 常压沸 点 凝点 蒸发相变 焓 kj kg 临界温 度 临界压力 mpa 绝 上限下限 氨 丙烷 丙烯 乙烷 717 290 1270 170 b2 a3 a3 a3 33 42 48 89 77 7 187 7 185 0 183 2 1369 427 439 491 132 4 96 7 91 7 32 1 11 28 4 25 4 60 4 88 15 5 2 1 2 3 22 27 9 5 11 1 12 45 乙烯 甲烷 1150 50 a3 a3 104 161 169 5 182 5 484 511 9 2 82 5 5 04 4 58 3 05 5 28 6 15 表中冷剂安全性分类包括两个字母 大写英文字母表不毒性危害分类 a 表 示低毒性 b 表示高毒性 阿拉伯字母表示燃烧性危害分类 1 表示不可燃及无 火焰蔓延 2 表示有燃烧性 3 表示有爆炸性 应该说明的是 表 5 2 中的毒性危害分类是按照 制冷剂编号方法和安全性分 类 gb t 7778 2001 对其所列各种冷剂毒性的相对分类 例如 氨在该标准 中属于高毒性冷剂 但按照我国 职业性接触毒物危害程度分级 gb 5044 85 将职业性接触毒物分为极度危害 级 高度危害 级 中度危害 级 和轻度危害 级 四种级别 氨只属于轻度危害毒物 这也是氨目前仍广泛用 作冷剂的原因之一 1 适用范围在下述情况下可采用冷剂制冷法 以控制外输气露点为主 同时回收一部分凝液的装置 例如低温法脱油脱水 装置 外输气实际烃露点应低于最低环境温度 原料气冷凝分离温度与外输气 露点之间的温度差按照第三章中有关内容确定 原料气中 c3以上烃类较多 但其压力与外输气压力之间没有足够压差可供 利用 或为回收凝液必须将原料气适当增压 增压后的压力与外输气压力之间 没有压差可供利用 而且采用冷剂又可经济地达到所要求的凝液收率 2 冷剂制冷温度冷剂制冷温度主要与其性质和蒸发压力有关 如原料气的冷 凝分离温度已经确定 可先根据表 5 2 中冷剂的常压沸点 正常沸点 冷剂蒸 发器类型及冷端温差初选一两种冷剂 再对其他因素 例如冷剂性质 安全环保 制冷负荷 装置投资 设备布置及运行成本等 进行综合比较后最终确定所需冷 剂 初选时需要考虑的因素如下 氨适用于原料气冷凝分离温度高于 25 30 时的工况 丙烷适用于原料气冷凝分离温度高于 35 40 时的工况 以乙烷 丙烷为主的混合冷剂适用于原料气冷凝分离温度低于 35 40 时 的工况 能使用凝液作冷剂的场合应尽量使用凝液 3 工艺参数冷剂制冷工艺参数可根据下述情况确定 冷剂蒸发温度应根据工艺要求和所选用的蒸发器类型确定 板翅式蒸发器的冷端温差一般取 3 5 管壳式蒸发器的冷端温差一般取 5 7 蒸发器中原料气与冷剂蒸气的平均温差一般在 10 以下 不宜大于 15 如果偏大 应采用分级压缩 分级制冷提供不同温度等级 温位 的冷量 丙烷 冷剂可分为 2 3 级 确定制冷负荷时应考虑散热损失等因素 可取 5 10 的裕量 天然气采用各种制冷方法回收凝液时在相图上轨迹见图 5 2 2 膨胀制冷法 膨胀制冷法也称自制冷法 自冷法 此法不另设置独立的制冷系统 原料气降 温所需冷量由气体直接经过串接在本系统中的各种膨胀制冷设备或机械来提供 因此 制冷能力取决于气体压力 组成 膨胀比及膨胀设备的热力学效率等 常用的膨胀设备有节流阀 焦耳 汤姆逊阀 透平膨胀机及热分离机等 1 节流阀制冷在下述情况下可考虑采用节流阀制冷 压力很高的气藏气 一般在 10mpa 或更高 特别是其压力随开采过程逐渐递 减时 应首先考虑采用节流阀制冷 节流后的压力应满足外输气要求 不再另 设增压压缩机 如果气体压力已递减到不足以获得所要求的低温时 可采用冷 剂预冷 原料气压力较高 或适宜的冷凝分离压力高于外输气压力 仅靠节流阀制冷 也可获得所需的低温 或气量较小不适合采用透平膨胀机制冷时 可采用节流 阀制冷 如果气体中含有较多重烃 仅靠节流阀制冷不能满足冷量要求时 可 采用冷剂预冷 原料气与外输气之间有压差可供利用 但因原料气较贫故回收凝液的价值不 大时 可采用节流阀制冷 仅控制其水 烃露点以满足外输气要求 如节流后 温度不够低 可采用冷剂预冷 采用节流阀制冷的低温分离法工艺流程见图 3 3 2 热分离机制冷热分离机是 20 世纪 70 年代由法国 elf bertin 公司开发的一 种简易可行的气体膨胀制冷设备 有转动喷嘴式 rts 和固定喷嘴式 sts 两种 类型 见图 5 3 热分离机的膨胀比一般为 3 5 不宜超过 7 处理能力一般小于 104m3 d 按进 气状态计 20 世纪 80 年代以来 我国一些 ngl 回收装置曾采用过热分离机制冷 但因各 种原因目前多已停用或改用透平膨胀机制冷 例如 川中油气矿曾建成一套 10 104m3 d 采用热分离机制冷的 ngl 回收装置 长期在膨胀比为 3 5 左右运 行 但凝液收率很低 故在以后改用透平膨胀机制冷 凝液收率有了很大提高 3 透平膨胀机制冷当节流阀制冷不能达到所要求的凝液收率时 如果具备以 下一个或多个条件时可考虑采用透平膨胀机制冷 即 原料气压力高于外输 气压力 有足够无偿压差可供利用 原料气为单相气体 要求有较高的乙 烷收率 要求装置布置紧凑 要求公用工程费用低 要求适应较宽范围 的压力及产品变化 要求投资少 透平膨胀机的膨胀比 进入和离开透平膨胀机的流体绝压之比 一般为 2 4 不 宜大于 7 如果膨胀比大于 7 可考虑采用两级膨胀 但需进行技术经济分析及 比较 1964 年美国首先将透平膨胀机制冷技术用于 ngl 回收过程中 由于此法具有流 程简单 操作方便 对原料气组成变化适应性大 投资低及效率高等优点 因 此近几十年来发展很快 在美国 新建或改建的 ngl 回收装置有 90 以上都采 用了透平膨胀机制冷法 在我国 目前绝大部分 ngl 回收装置也都采用透平膨 胀机制冷法 3 联合制冷法 联合制冷法又称冷剂与膨胀联合制冷法 顾名思义 此法是冷剂制冷法及膨胀 制冷法二者的组合 即冷量来自两部分 高温位 45