輕烴回收工藝技術發(fā)展現(xiàn)狀

輕烴回收工藝技術發(fā)展現(xiàn)狀張東華;賀瑞萱【摘要】利用輕烴回收將天然氣中相對甲烷或乙烷更重的組分以液態(tài)形式回收,既滿足了外輸天然氣的烴露點要求,又回收了高價值的液態(tài)烴作為燃料和化工原料,保障了安全生產(chǎn)且提高了經(jīng)濟效益.本文對各個輕烴回收方法的特點以及國外先進輕烴回收技術進行了介紹,并闡述了我國輕烴回收工藝存在的問題,在此基礎上提出了提高輕烴回收率的方法,為實際生產(chǎn)提供參考.期刊名稱】《廣州化工》年(卷),期】2014(042)008【總頁數(shù)】4頁(P22-25)【關鍵詞】輕烴回收;方法;現(xiàn)狀;回收率【作者】張東華;賀瑞萱【作者單位】西安石油大學化學化工學院,陜西西安710065;長慶油田分公司第四采氣廠,陜西西安710000【正文語種】中文【中圖分類】TE645在油氣田開發(fā)過程中，為了滿足天然氣質量標準相關的烴露點要求，必須從天然氣尤其是含重烴較多的油田氣中脫除重烴組分。輕烴回收裝置就是用于回收原油伴生氣或天然氣中丙烷(或乙烷)及以上重烴組分，并將這些重烴組分分離成液化石油氣穩(wěn)定輕烴、凈化天然氣及其他有機化工原料的裝置［1］。輕烴回收的主要產(chǎn)品是干氣、液化氣和輕油。干氣具有很好的熱值;液化氣供應民用，也可作為生產(chǎn)乙烯的原料;輕油可用于生產(chǎn)汽油、溶劑油和化工原料。從天然氣中分離出來的乙烷可用于代替石腦油作為生產(chǎn)乙烯的原料。美國、加拿大、墨西哥、法國等利用天然氣分離得到的丙烷、丁烷生產(chǎn)丙烯、丁二烯以及合成醋酸、甲酸等基礎產(chǎn)品，進一步加工成用途廣泛的有機化工產(chǎn)品［2］。進行輕烴回收可以改善天然氣的質量，降低天然氣的露點，防止天然氣在輸送過程中液體烴的凝結，阻塞管道，減少油氣損耗，還能減少大氣污染，對提高天然氣的整體經(jīng)濟和社會效益，具有重要的現(xiàn)實意義［3］。輕烴回收方法輕烴回收工藝方法概括起來主要包括:吸附法、油吸收法和低溫分離法。吸附法吸附法是利用固體吸附劑（如活性氧化鋁和活性炭）對各種烴類吸附容量不同，而使天然氣中各組分得以分離的方法。該法一般用于重烴含量不高的天然氣和伴生氣的加工過程，一般只限于小氣量的天然氣。在吸附過程中一直要進行到吸附劑被重烴所飽和，然后停止吸附;而通過少量的熱氣流，將吸附床上的烴類脫附，經(jīng)冷凝分離出所需的產(chǎn)品。吸附法具有工藝流程簡單、投資少的優(yōu)點，但它不能連續(xù)操作，且運行成本高，產(chǎn)品范圍局限性大，并且吸附劑的吸附容量等問題未能得到很好的解決，因此無論過去還是現(xiàn)在該法在世界范圍內都沒得到廣泛的應用［4］。油吸收法油吸收法是基于天然氣中各組分在吸收油中的溶解度差異，而使不同的烴類得以分離。根據(jù)操作溫度的不同，油吸收法可分為常溫吸收和低溫吸收。常溫吸收多用于中小型裝置，而低溫吸收是在較高壓力下，通過外部冷凍裝置冷卻的吸收油與原料氣直接接觸，將天然氣中的輕烴洗滌下來，然后在較低壓力下將輕烴解吸出來，解吸后的貧油可循環(huán)使用，該法常用于大型天然氣加工廠。采用低溫油吸收法(圖1)C+3收率可達到85%~90%,C2收率可達到20%~60%。油吸收法廣泛應用于20世紀60年代中期，但由于其工藝流程復雜，投資和操作成本都較高，20世紀70年代后，已逐步被更合理的冷凝分離法所取代［5］。圖1低溫油吸收法原理流程圖低溫分離法低溫分離法是利用原料氣中各烴類組分冷凝溫度的不同，通過將原料氣冷卻至一定溫度從而將沸點高的烴類冷凝分離并經(jīng)過凝液精餾分離成合格產(chǎn)品的方法。該方法最根本的特點是需要提供較低溫位的冷量使原料氣降低溫度，該方法具有工藝流程簡單、運行成本低、輕烴回收率高等優(yōu)點，目前在輕烴回收技術中處于主流地位［6］。低溫冷凝分離法包括:冷劑制冷、膨脹機制冷、熱分離機制冷及復合制冷法由于目前開發(fā)的熱分離機效率低、適應性和技術性能差等原因，利用較少。冷劑制冷法冷劑制冷法分為吸收式制冷和壓縮式制冷兩種。吸收式制冷的特點是直接利用熱能制冷，目前在輕烴回收中應用很少;壓縮式制冷是一種相變制冷，即利用液體冷劑汽化成氣體時的吸熱效應制冷。冷劑有氨、丙烷或乙烷，由于丙烷可以由輕烴裝置自行生產(chǎn)，且其制冷系數(shù)大，制冷溫度一般可以達到-35~-30工，故在輕烴回收中廣泛應用［8］。冷劑制冷法的優(yōu)點是天然氣冷凝分離所需要的冷量由獨立的外部制冷系統(tǒng)提供，該法制冷量不受原料氣貧富程度的限制，對原料氣的壓力無嚴格要求，裝置運行中可改變制冷量的大小以適應原料氣量、原料組成的變化以及季節(jié)性氣候溫度的變化。在我國，大多數(shù)淺冷裝置都采用丙烷制冷法。圖2冷凝分離回收工藝原理流程圖膨脹制冷法膨脹制冷法應用的前提條件是原料氣與外輸干氣是否有一個較高的壓力差可以利輕烴回收系統(tǒng)的模擬研究與應用，其原理是通過膨脹機將氣體的壓力能轉化為機械能并產(chǎn)生冷量。膨脹制冷法的特點是流程簡單、設備數(shù)量少、維護費用低，占用地少，適合于較貧原料氣。我國采用單純的膨脹制冷工藝(ISS)輕烴回收裝置，規(guī)模一般較小，且都采用中低壓膨脹機，膨脹比較小，制冷溫度一般僅能達到-20~-60工，也有部分裝置制冷溫度達到-70~86工。為了獲得更大的輕烴收率，或者有更高的原料氣壓力資源利用時，可采用多級膨脹工藝(MTP)［9］,以滿足更低的制冷溫度要求。復合制冷法復合制冷法采用兩種或兩種以上的制冷方式進行輕烴回收，其目的是最大限度地從天然氣中回收輕烴。若要求更低的溫度，用單一的制冷方法很難達到，用膨脹機制冷能達到溫度要求，但是由于膨脹機的帶液溫度，對富含重烴的天然氣仍不適宜。這時往往采用復合制冷法，即冷凍循環(huán)的多級化和混合冷劑制冷以及膨脹機加外冷的方式來實現(xiàn)［10］。目前，輕烴回收工藝上應用最多的是外加冷劑循環(huán)制冷作為輔助冷源，膨脹制冷作為主要冷源，并采用逐級冷凍和逐級分離冷凝液體的措施來降低冷量消耗和提高冷凍深度，以達到較高的冷凝率，最大限度地回收天然氣中的輕烴。復合制冷法具有許多優(yōu)點:首先，冷源有兩個或兩個以上，因此裝置的運轉適應性較大，即使在外加冷源系統(tǒng)發(fā)生故障時，裝置也能保持在一定的收率下繼續(xù)運行;其次，復合制冷法中外加制冷系統(tǒng)比冷劑制冷法要簡單，外加制冷系統(tǒng)僅僅須解決高沸點烴類的冷凝問題;復合制冷法不僅可以提高丙烷的收率，還能達到較高的乙烷收率，同時還可大大減少裝置的整體能耗。因此在處理油田氣時，設計冷劑循環(huán)制冷作為輔助冷源是一種很好的技術方案［11］。國內外輕烴回收工藝發(fā)展現(xiàn)狀國外輕烴回收工藝發(fā)展現(xiàn)狀國外的輕烴回收工藝技術始于美國在1904年建立的第一座輕油回收工廠，到目前己有近一百多年的歷史。國外輕烴回收工藝技術較先進，一些國家在提高加工深度、增加輕烴收率、合理利用油氣資源上都取得了顯著的成就。自20世紀70年代以來，國外輕烴回收技術以節(jié)能降耗、提高輕烴收率為目的，以低溫分離法為主，向投資少、深分離、高效率、低能耗、撬裝化、自動化等方向發(fā)展。在此基礎上對輕烴回收裝置進行一系列改進，出現(xiàn)了許多新工藝。這些新工藝主要是在膨脹制冷法流程和冷劑制冷法流程的基礎上加以改進而發(fā)展起來的。混合冷劑制冷工藝混合冷劑制冷(MRC)工藝使用的冷劑可根據(jù)冷凍溫度的高低要求來配置冷劑的組分與組成，混合冷劑一般以乙烷、丙烷為主［12］。壓力一定時，混合冷劑在一個溫度范圍內隨著溫度逐漸升高而逐步汽化，因而在換熱器中與被冷卻的天然氣的傳熱溫差很小，故其效率高。若原料氣與外輸干氣壓差小，或原料氣較富的情況下，采用混合冷劑制冷工藝更為有利。輕油回流輕油回流是利用油的吸收作用，通過增加1臺輕油回流泵將液化氣塔后的部分輕油返注入蒸發(fā)器之前，提高液化率。這一方法增加了制冷系統(tǒng)的冷負荷，但與提高分離壓力相比所需的能耗較低，對外冷法工藝不失為一種簡單有效的方法。研究表明，輕油回流主要用于外冷淺冷工藝，且在較低壓力下的經(jīng)濟效益比在較高壓力下顯著。過冷工藝(GSP，LSP)過冷工藝包括氣體過冷工藝(GSP)和液體過冷工藝(LSP)，是對工業(yè)標準單級膨脹制冷工藝(ISS)和多級膨脹制冷工藝(MTP)的改進。GSP工藝是針對較貧氣體(v100mL/m3)處理裝置而改進的工藝，采用GSP工藝可以在保持較高C2收率的情況下，使原料氣中C02的容許含量高于膨脹制冷工藝的容許含量，而且所消耗的功耗較低。LSP工藝是針對較富氣體(>400mL/m3)處理裝置而改進的工藝，Ortloff公司對LSP工藝作過論證，證明采用LSP技術可以減少常規(guī)流程的高壓和低溫，從而節(jié)省功率，該工藝還能處理含CO2較多的天然氣，而不用專門設置脫除CO2的設施［13］。圖3氣體過冷工藝(GSP)流程圖圖4液體過冷工藝(LSP)流程圖DHX工藝DHX工藝又稱為直接換熱工藝，是加拿大埃索資源公司(EssoResourcesCanadaLtd.)于1984年首先提出并在JudyCreek裝置上得以實踐，并獲得成功的新工藝［14］。國內也將DHX工藝稱為重接觸塔技術。一套常規(guī)的ISS膨脹制冷裝置改造采用DHX工藝，在相同條件下可使C3收率由72%提高到95%。該工藝的實質是脫乙烷塔回流罐的液烴經(jīng)換熱、節(jié)流降溫后進入DHX塔，吸收膨脹機出口低溫分離器出來的氣相中的組分，從而提高C3收率。實踐證明，若不回收乙烷，利用DHX工藝可以很容易地對現(xiàn)有的膨脹制冷流程加以改造，多數(shù)情況下其改造所用投資較少。圖5直接換熱法工藝(DHX)流程圖膜分離技術近年在國外膜分離技術應于氣體分離有較大發(fā)展。用于氣體分離的膜材料按材質分為多孔質膜和非多孔質膜。它們的滲透機理完全不同:多孔質膜分離是依靠各種氣體分子滲透速度的不同達到分離日的;而非多孔質膜分離屬溶解擴散機理。氣體滲透過程分為二個階段:氣體分子溶解于膜表面;溶解的氣體分子在膜內擴散、移動;氣體分子從膜的另一側解吸。目前輕烴回收包括其它氣體分離上常用的是非多孔質膜美國GRACE公司在德克薩斯州用膜分離裝置處理1~3次采油的高含重烴，壓力為3.45MPa，處理量為3.48x104m3/d的裝置，輕烴收率＞97%［15］。膜分離技術在輕烴回收方面的應用具有很好的發(fā)展前景。據(jù)國外預測:氣體分離膜將是21世紀產(chǎn)業(yè)的基礎技術之一。我國輕烴回收工藝的進展我國的天然氣輕烴分離分離技術起步較晚，四川約在20世紀60年代開展了從天然氣中分離、回收C+3液體產(chǎn)物的試驗工作，僅相當于國外20世紀30-40年代“天然氣汽油”時代。由于工藝技術的限制，輕烴回收率很低，回收的產(chǎn)品僅僅作為工業(yè)或民用燃料，發(fā)展緩慢。到20世紀70-80年代，隨著北方各大油田的陸續(xù)開發(fā)，油田伴生氣也登上了加工的舞臺，天然氣加工對象擴大到C+2產(chǎn)物。近年來，隨著我國石油工業(yè)的飛速發(fā)展和世界的石油能源危機，使天然氣及輕烴的需求量急劇增長，促進了我國輕烴回收技術的發(fā)展［16］。在引進、吸收、消化國外先進回收工藝技術的基礎上，設計出了適合我國油氣田特點的輕烴回收工藝技術方法。盡管我國的輕烴回收技術水平取得了較大的進步，但是與國外先進技術還有一定的差距。國內設計的輕烴回收裝置，特別是一些早期建成的裝置仍然存在許多問題。具體表現(xiàn)在幾個方面:回收工藝方法選擇不當，主要工藝參數(shù)設計不合理，造成裝置液烴回收率較低，工程投資大，生產(chǎn)成本高，整套裝置的經(jīng)濟效益差;壓縮機、制冷機組運行參數(shù)未能達到設計要求，造成冷凝壓力偏低、冷量不足，使冷凝分離出來的液烴量減少。同時脫乙烷塔塔頂冷量提供不足，造成塔頂溫度偏高，使冷凝下來的液烴被損失，產(chǎn)品收率低;國內輕烴回收裝置是以回收丙烷以上組分的烴類為主，由于深冷工藝的裝置少和制冷工藝的單一，裝置對原料氣組分、壓力及氣候條件等變化的適應性差;過程控制方案沒有從整體優(yōu)化，先進的集散控制系統(tǒng)未能得到遍應用。目前，輕烴裝置主要以滿足工藝過程為主，對降低生產(chǎn)成本、節(jié)能降耗、生產(chǎn)操作管理考慮不夠;設備維護和管理水平不高，裝置開工率較低。提高輕烴回收率的主要途徑提高輕烴回收率的途徑歸納起來為有優(yōu)化操作參數(shù)、改變制冷方法、推廣應用新技術［17］。3.1優(yōu)化操作參數(shù)天然氣組成、分離溫度和系統(tǒng)壓力都要影響天然氣中C3、液化率即輕烴收率。在相同溫度、壓力條件下，氣體組分越富，液化率越高;對同一種天然氣，增壓、降溫均有利于液化率的提高。因此，可以采用平衡計算方法繪制C3，C3+與溫度、壓力的關系曲線，適時調整、優(yōu)化操作條件，提高輕烴收率。優(yōu)化原料氣組成由于在溫度、壓力不變的條件下、原料氣組成越富，液化率越高，所以在處理貧氣時，如果條件許可，可將原油穩(wěn)定氣、大罐揮發(fā)氣引入輕烴回收裝置來改變原料氣的組成，使之變富。同時，利用采用輕油回流法，利用油的吸收作用，通過增加一臺輕油回流泵將液化氣塔底的部分輕油返注入蒸發(fā)器之前，從而提高回收率。這一方法雖增加了制冷系統(tǒng)的冷負荷，但與提高分離壓力相比所需的能耗較低，對外冷法工藝不失為一種簡單有效的方法。優(yōu)化系統(tǒng)壓力在進行輕烴回收工藝設計與運行操作時，根據(jù)原料氣的液化率與溫度壓力關系曲線來確定最佳系統(tǒng)壓力是非常重要的。一般而言，采用三級或三級以上壓縮是不適宜的，但若原料氣壓力較低時，采用增壓方法以提高的液化率是非常經(jīng)濟可行的。優(yōu)化系統(tǒng)冷凝溫度在原料氣組成和分離壓力一定時，冷凝溫度越低，C2、、C3和C3+液化率越高，降低溫度是提高液化率的有效手段，但過低的溫度一方面會造成甲烷或乙烷的液化率上升幅度增加，增加能耗和操作成本，另一方面會造成設備投資大大增加。因此，在進行輕烴回收工藝設計與運行操作時，根據(jù)原料氣的液化率與溫度壓力關系曲線來確定最佳系統(tǒng)冷凝溫度也是至關重要的。改變制冷方法從發(fā)展角度看，采用復合制冷法是提高輕烴收率的很好途徑。其典型例子是丙烷制冷加膨脹機制冷，冷凝溫度可達-80~-100工，使輕烴收率達到較高水平。近兩年新建的中深冷裝置大部分采用了復合制冷方式，C2收率可達75%~85%。開發(fā)利用新技術近幾年國外開發(fā)利用多種輕烴回收新技術，在節(jié)能降耗，提高輕烴收率方起著重要的作用，引進、吸收、再次開發(fā)利用這些新技術是提高我國輕烴回收技術水平的一條很有發(fā)展前景的新路子?？梢葬槍υ蠚獾慕M成，壓力和處理量等條件，選擇適宜的新工藝技術，如輕油回流技術，馬拉（Mehra）法油吸收技術，氣體過冷工藝（GSP）技術、液體過冷工藝（LSP）技術、直接換熱（DHX）工藝技術、渦流管技術及膜分離技術等［18］。另外還可通過工藝改進，盡可能地回收利用輕烴回收裝置內的冷量，如低溫干氣將原料氣先預冷后再外輸，也可從脫甲烷塔或脫乙烷塔下部引出低溫液體將原料氣進行預冷等方法。一方面可以降低裝置能耗，同時也可達到提高所要回收輕烴的液化率。此外，選用高效的分離器，精餾塔和冷換設備以及效率高，運行周期長，安全可靠的膨脹制冷設備，也會對提高輕烴回收率有很大好處。參考文獻［1］汪壽建?天然氣綜合利用技術.1版［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2003:25-27.［2］徐文淵，蔣長安?天然氣利用手冊.2版［M］.北京:中國石化出版社，2006:14－18.[3]李國誠，諸林?油氣田地面輕烴回收技術.1版[M].成都:四川科學技術出版社，1998:38－45.[4]莊建遠，王國麗.國外油氣田地面工藝技術發(fā)展動向[J].石油規(guī)劃設計，2003，14(1):45－53.楊介德，龍懷祖譯.實踐證明在輕烴回收工藝過程利用混合冷劑制冷是經(jīng)濟的[J].國外油田工程，1987,3(2):11-17.諸林，尹平，鄧蘭?輕油部分循環(huán)對丙丁烷收率的影響及其應用[J].西南石油學院學報，1998，20(1):78-83.KnamS.A.CryogeniecexpanderprocessimrovesC3+recoverybyJudyCreekplantofEssoCanadaresource[J].HydrocarbonProeess.，1985，64(5):75-76