甲醇在天然气集输工艺中的应用2008年8月29日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、IFPEXOL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-1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1 IFPEX-1工艺流程简图1－气液分离器;2－IFPEX-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-1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9.91×106 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1 IFPEX-1与乙二醇脱水方案的技术比较从表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;2－IFPEX-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5～10 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-2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3 IFPEX-2工艺流程简图1－IFPEX-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－20．6℃;气质条件为：CO213.68%(mol) ,COS0.001%(mol),硫醇0.001%(mol),H2S0．032％（mol),C175．92％（mol），其它2.93%;商品气标准为:CO24.0％（mol），H2S2．6 ppm，压力4.83 MPa。