高分子膜脱碳系统优化方法探讨

中海石油 (中国) 有限公司湛江分公司乐东15-1气田为采气平台, 由于生产需求设计有两台Solar C40型燃气天然气压缩机进行天然气的压缩外输, 天然气压缩机的燃料气来源于本气田高烃单井, 由于单井天然气烃组份随着气井的开发生产在逐渐下降, 当单井组份低于天然气压缩机燃料气要求时就会导致天然气压缩机无法使用, 影响整个气田的正常生产。因此气田引进了一套高分子膜脱碳处理系统 (以下简称膜脱碳系统) 脱除外输干气中的二氧化碳以满足天然气压缩机的使用, 而在膜脱碳系统运行中出现了膜脱碳效率下降过快的现象。本文针对该问题进行分析, 提出解决该问题的方案。

1 膜脱碳系统简介

膜脱碳法是利用膜对不同组份气体的选择透过性不同, 通过膜前后的压差作为驱动力来脱除处理气中的二氧化碳。该处理系统相比于醇胺法脱碳具有占地空间小、能耗低、操作简便等优点, 其工艺流程如图1。

原料气首先进入聚结过滤器脱除气流中0.3μm以上的液滴和固体颗粒, 再经过原料气电加热器将气体的温度加热至60℃, 然后进入到活性炭过滤器除去C7以上的重烃, 脱除重烃的原料气进入篮式过滤器和二级过滤器除去气流夹带的液滴及固体颗粒后进入一级膜分离器进行二氧化碳的脱除, 为了提高脱除精度, 流程设计有二级膜分离器。一级膜分离器出口经过初次处理的天然气进入级间加热器加热至60℃, 进入二级膜分离器进行深度脱碳, 最终处理合格的天然气供给天然气压缩机燃烧, 富含二氧化碳的尾气排放至火炬系统。

2 膜脱碳系统运行中出现的问题

膜脱碳系统安装完成后, 气田对该系统的脱碳性能进行了测试, 测试结果见表1。

调试阶段处理后天然气组份和设计的理论值基本匹配, 符合设计要求, 可以满足本气田天然气压缩机的正常使用。

但是系统在后期投入运行的过程中出现了处理后气体组份异常持续性降低的现象, 摘取运行过程中具有代表性的数据进行统计, 其变化情况如表2。

由上表可以看出, 在膜脱碳系统正式投用四个多月的时间内, 处理后天然气组份下降明显, 处理后气体甲烷值由65.02%下降至54.56%, 二氧化碳由18.5%上升至31.77%, 很快将不满足天然气压缩机燃料气的组份要求。按照设计该高分子膜使用寿命为2~3年, 而实际使用寿命只有4个多月, 明显和设计不符。

3 原因查找

根据膜脱碳系统运行组份分析表看出, 原料气压力、组份基本稳定, 原料气流量逐渐增长是因为燃料气组份逐渐降低, 天然气压缩机要保证额定的功率而增加的燃料气量。

在正常运行过程中系统各过滤器、加热器均正常使用。

鉴于以上原因我们停用了膜脱碳系统并对系统中各容器进行了开罐检查, 检查结果如下:

a、聚结过滤器:内部结构正常, 整体较干净;

b、活性炭过滤器:瓷球表面很干净, 将活性炭翻到上面后取样, 外观较为松散, 测量新活性炭和吸附后活性炭的装填密度, 新活性炭的装填密度0.5g/cm3, 而吸附后活性炭的装填密度为0.71g/cm3, 增加了42%, 说明活性炭已经吸附饱和。

c、二级过滤器:滤芯较干净, 内部有少量活性炭粉末;

d、C组高分子膜:外侧上半部分干净, 但下半部分有明显的液体干涸痕迹及黑色固体杂质, 内侧较干净, 无明显液固杂质。

e、取原料气进行重烃组份化验, 结果与调研设计时基本一致, 排除原料气中重烃增多的因素;

根据以上检查得出:高分子膜分离效果异常持续降低的原因可能是:

a、高分子膜本身存在质量问题, 无法达到设计要求;

b、处理气有重烃带入并污染了高分子膜组, 影响了高分子膜的脱碳效果。

4 解决方法

与高分子膜厂家确认膜本身是否存在质量问题, 若存在质量问题需要进行膜组的换型, 若膜组本身不存在质量问题, 则应考虑从提高膜脱碳系统预处理撬块脱除重烃的能力, 保证膜组不被重烃污染方面解决该问题:

a、检查聚结过滤器滤芯, 判断滤芯是亲油还是亲水性, 如果是亲水性则需要对滤芯换型, 亲水性滤芯会严重影响聚结过滤器对重烃的分离效果;

b、定期更换活性炭过滤器内的活性炭, 防止活性炭过滤器饱和;

优点:能保证活性炭吸附能力;

缺点:更换时工作量较大, 且更换周期短, 不利于成本控制。

c、进行工艺流程改造, 增加活性炭过滤器再生装置, 使活性炭过滤器一吸附一再生, 保证活性炭对重烃的吸附能力;

优点:吸附再生自动切换, 能有效保证活性炭吸附能力;

缺点:需要较大工艺改造及增加新工艺设备, 受限与平台紧凑的空间及成本控制。

d、在脱碳系统预处理撬块前增加J-T阀, 降低进入预处理撬块的燃料气温度, 提高聚结分离器的重烃分离效果;

优点:改造流程简单, 成本较低;

缺点:经过J-T阀后有较大压力降和温度降, 对膜的分离效果及加热器负荷有影响, 其重烃分离深度受限与聚结分离器的分离效果。

e、在脱碳系统预处理撬块前增加膨胀压缩机和冷分离器, 将原料气中的重烃脱除;

优点:压降小, 重烃分离深度高;

缺点:要增加一套膨胀压缩机和冷分离器, 受限与平台紧凑的空间及成本控制。

f、增加一套新型的高效分离器, 直接分离出原料气中的重烃;

优点:改造幅度小, 分离效果好;

缺点:增加一个高效分离器, 受限与高效分离器的分离精度及平台紧凑的空间和成本控制。

5 结语

综合以上分析的优缺点, 我们决定采取在脱碳系统预处理撬块前增加J-T阀的改造方案进行测试, 检验其分液能力及高分子膜的脱碳效果, 若分液能力效果不好, 则优先尝试增加一套新型的高效分离器或膨胀压缩机及冷分离器的方法对原料气中的重烃进行分离, 以保证高分子膜不被污染, 维持其正常的脱碳能力。

摘要：高分子膜脱碳处理系统在中海石油 (中国) 有限公司湛江分公司乐东15-1气田起着至关重要的作用。本文就高分子膜脱碳处理系统运行中出现的问题进行分析, 提出优化该处理系统的方法。

关键词：高分子膜,脱碳,优化

参考文献

[1] 富含二氧化碳的天然气分离及其利用姚晓龙, 王彦明, 李新奇-《广州化工》.

[2] 分离二氧化碳膜过程技术经济分析王志, 杨东晓, 张晨昕, ...-《化工进展》.