劉改煥 劉慧敏 陳韶華 肖秋濤 程林

中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司

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一種新型的天然氣脫蠟脫水脫烴工藝①

劉改煥 劉慧敏 陳韶華 肖秋濤 程林

中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司

通過對(duì)低溫分離工藝中蠟堵問題的分析和研究，提出了一種新型的低溫分離天然氣脫蠟脫水脫烴裝置及方法，即在傳統(tǒng)低溫脫水脫烴工藝的基礎(chǔ)上，利用低溫醇烴液與原料天然氣中石蠟組成“相似相溶”的原理，將低溫分離器底部的低溫醇烴液通過泵注入到原料天然氣中，改變天然氣的組成，有利于石蠟在原料氣分離器中的分離，降低原料氣分離器分離溫度，從而提高分離效率，減少醇液注入量，降低低溫分離系統(tǒng)與醇液再生系統(tǒng)的能耗，降低操作費(fèi)用，起到節(jié)能減排的作用，同時(shí)還能解決低溫分離過程中的結(jié)蠟問題。

脫蠟 脫水 脫烴 醇烴液 相似相溶 降低能耗

隨著全球天然氣資源的大量開發(fā)，以及天然氣作為清潔能源在工業(yè)與民用中的廣泛應(yīng)用，天然氣在能源領(lǐng)域的作用越來越重要。新疆塔里木盆地天然氣儲(chǔ)量十分豐富，近年來，塔里木油田公司不斷加大天然氣資源的開發(fā)力度，特別是針對(duì)克拉蘇氣田的勘探開發(fā)工作，實(shí)現(xiàn)了新的突破。根據(jù)《塔里木油田天然氣集輸及外輸管網(wǎng)規(guī)劃》，到2020年，塔里木油田公司天然氣年產(chǎn)量將達(dá)到400.22×108m3?？死K氣田天然氣資源量為20 856.65×108m3，預(yù)計(jì)到2020年，克拉蘇氣田天然氣產(chǎn)量將達(dá)到300×108m3/a，有望成為塔里木第一大氣田。但該氣田氣質(zhì)中含有較高含量的蠟，從而導(dǎo)致在天然氣開采、輸送及處理過程中的一系列問題。天然氣脫蠟工藝已成為天然氣加工和處理工藝的一個(gè)重要組成部分。

在克拉蘇氣田的高壓天然氣處理工藝中，低溫分離工藝為一種常用的處理工藝，其工藝原理主要是利用天然氣中各組分露點(diǎn)溫度的不同，通過制冷裝置降溫后進(jìn)行低溫分離，從而得到滿足烴、水露點(diǎn)要求的產(chǎn)品氣[1-4]。而在低溫分離處理工藝中，凍堵問題是一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)。其中，水合物造成的堵塞問題可以通過加入水合物抑制劑的方案降低水合物生成溫度，避免水合物的生成；但石蠟造成的堵塞只能采用加熱或升溫的方式進(jìn)行解決，而加熱升溫又與低溫分離工藝相沖突。由于在天然氣處理過程中尚沒有行之有效的天然氣脫蠟工藝，只能在裝置檢修時(shí)通過人工洗蠟的方式解決蠟堵的問題，從而導(dǎo)致天然氣處理裝置減產(chǎn)甚至停產(chǎn)，可見原料氣脫蠟處理非常必要[5-6]。

石蠟為高級(jí)烷烴混合物，其主要成分的分子式為CnH2n+2，其中n=17～35。主要組分為直鏈烷烴，還有少量帶個(gè)別支鏈的烷烴和帶長側(cè)鏈的單環(huán)環(huán)烷烴；直鏈烷烴中主要是正二十二烷(C22H46)和正二十八烷(C28H58)，沒有嚴(yán)格的熔點(diǎn)和凝固點(diǎn)。如果天然氣壓力較高，天然氣脫蠟就更為困難。

本研究針對(duì)克拉蘇氣田某天然氣處理廠脫水脫烴過程中遇到的蠟堵問題進(jìn)行模擬和分析，提出了一種切實(shí)可行的脫蠟辦法，在有效解決蠟堵問題的同時(shí)，還可以進(jìn)一步降低分離溫度，減少水合物抑制劑的注入量，降低操作費(fèi)用，提高天然氣低溫分離效率，大大降低了工廠能耗，對(duì)含蠟天然氣的處理具有重要的指導(dǎo)意義。

1 工藝流程改進(jìn)

原脫水脫烴流程采用兩級(jí)預(yù)冷+節(jié)流制冷+低溫分離的方式進(jìn)行脫水脫烴，其中包括原料氣預(yù)冷器、原料氣分離器、原料氣后冷器、制冷設(shè)施和低溫分離器[7-8]。工藝流程示意見圖1。原料氣進(jìn)口溫度為40 ℃，原料氣水合物形成溫度約15 ℃，蠟的析出溫度為19～23 ℃，考慮到原料氣氣質(zhì)條件，將原料氣分離器溫度控制在20 ℃。實(shí)際操作時(shí)，有少部分蠟從原料氣分離器中析出，但仍有很大一部分蠟從原料氣分離器頂部被帶入原料氣后冷器中。由于蠟的凝固點(diǎn)為4～6 ℃，低溫分離器的工作溫度為-26 ℃，在進(jìn)一步冷卻的過程中，造成了原料氣后冷器管程發(fā)生嚴(yán)重的蠟堵，從而影響裝置的正常運(yùn)行。

新流程中采用了一種回注低溫醇烴液以改變天然氣組成進(jìn)行低溫脫蠟脫水脫烴的裝置及方法，采用原料氣預(yù)冷器、原料氣分離器、原料氣后冷器、制冷設(shè)施、低溫分離器和低溫醇烴液注入泵組成的低溫分離脫蠟脫水脫烴系統(tǒng)。將低溫分離器底部的小部分低溫醇烴液回注到原料天然氣中，改變?cè)咸烊粴饨M成，降低了天然氣水合物生成溫度，從而使原料氣預(yù)冷器操作溫度降低，使天然氣中的石蠟組分在原料氣分離器中分離出來，然后再經(jīng)過換熱和制冷設(shè)施降溫后，進(jìn)入低溫分離器，進(jìn)一步分離出水和重?zé)N，以獲得滿足要求的產(chǎn)品天然氣，整個(gè)過程自成體系[9-12]，流程示意見圖2。

2 新舊工藝效果對(duì)比分析

傳統(tǒng)的脫水脫烴工藝僅包括兩級(jí)預(yù)冷+制冷設(shè)施+兩級(jí)分離，受原料氣分離器分離效果的限制，造成大量蠟組分被帶入原料氣后冷器中，在冷卻過程中，蠟組分析出并堵塞原料氣后冷器的管程，導(dǎo)致裝置停產(chǎn)。新工藝在傳統(tǒng)脫水脫烴工藝的基礎(chǔ)上，將低溫分離器底部的醇烴液采用注入泵回注至進(jìn)口原料氣中。

針對(duì)處理廠脫水脫烴裝置原料氣處理量為500×104m3/d、壓力12 MPa、回注醇烴液量為300 kg/h的情況，對(duì)比分析了傳統(tǒng)工藝和新工藝的原料氣分離器溫度、原料氣分離器出口氣相中蠟含量及乙二醇注入量等參數(shù)，闡述了現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況及新工藝的其他優(yōu)點(diǎn)。

2.1 原料氣分離溫度

新舊工藝原料氣分離器的溫度對(duì)比見表1[13-15]。

表1 不同工藝原料氣分離器溫度對(duì)比Table1 Feedgasseparatortemperaturecontrastfordifferentprocesses工藝方案原料氣量/(104m3·d-1)原料氣水合物形成溫度/℃原料氣分離器溫度/℃?zhèn)鹘y(tǒng)脫水脫烴工藝5001520新型脫蠟脫水脫烴工藝500712

從表1中可以看出，采用新型脫蠟脫水脫烴工藝，原料氣水合物形成溫度較低，同時(shí)，可以降低原料氣分離器的溫度，這是因?yàn)榛刈⒌牡蜏卮紵N液中含有醇液，醇液注入原料氣中，起到水合物抑制劑的作用，可降低原料氣的水合物形成溫度，從而適當(dāng)降低原料氣初級(jí)分離的溫度。一方面，使得更多的蠟質(zhì)組分從原料氣分離器中分出；另一方面，分離溫度降低也可以使原料氣中大量的飽和水析出繼而被分離出去，從而降低原料氣后冷器及低溫分離器的負(fù)荷。

2.2 原料氣分離器出口氣相中蠟含量

作為初級(jí)分離，原料氣分離器出口氣相中蠟質(zhì)組分的量是決定后續(xù)降溫過程中是否發(fā)生蠟堵的一個(gè)關(guān)鍵因素。兩種工藝原料氣分離器出口蠟組分的含量對(duì)比如表2所示。

表2中的數(shù)據(jù)顯示，在進(jìn)裝置原料氣中蠟?zāi)柗謹(jǐn)?shù)相同的情況下，采用新型脫蠟脫水脫烴工藝，原料氣出口氣相中的蠟?zāi)柗謹(jǐn)?shù)相對(duì)于傳統(tǒng)工藝降低40%，蠟的脫除率較高，可以有效地解決低溫過程中的蠟堵問題。這一方面是因?yàn)椴捎昧诵鹿に?，可適當(dāng)降低原料氣分離器溫度，有利于蠟質(zhì)組分的分離；另一方面是由于低溫醇烴液中含有C5～C10的油品組分，而這些油品組分與石蠟成分相近，根據(jù)物質(zhì)“相似相溶”的原理，將其注入到原料氣中，改變了原料氣的組成，有利于更多的石蠟溶解于油品組分中并得以分離[16]。

表2 不同工藝原料氣分離器出口氣相中蠟含量對(duì)比Table2 Contrastofwaxcontentinthegasphasefromtheoutletoffeedgasseparatorofdifferentprocesses工藝方案進(jìn)裝置原料氣中蠟?zāi)柗謹(jǐn)?shù)/%原料氣分離器溫度/℃原料分離器出口氣相中蠟?zāi)柗謹(jǐn)?shù)/%傳統(tǒng)脫水脫烴工藝0．00073200．00032新型脫蠟脫水脫烴工藝0．00073120．00019

2.3 乙二醇注入量對(duì)比

在低溫脫水脫烴工藝中，為避免低溫過程中形成水合物而發(fā)生凍堵，需注入乙二醇，不同工藝的乙二醇注入量對(duì)比如表3所示[17-18]。

表3 不同工藝乙二醇注入量對(duì)比Table3 ContrastofMEGinjectionratewithdifferentprocesses工藝方案原料氣量/(104m3·d-1)原料氣分離器出口氣相中水質(zhì)量流率/(kg·h-1)制冷溫度/℃乙二醇注入量/(kg·h-1)傳統(tǒng)脫水脫烴工藝50055．4-26680新型脫蠟脫水脫烴工藝50031．6-26380

通過表3可以看出，在原料氣處理量均為500×104m3/d，制冷溫度均為-26 ℃的情況下，采用傳統(tǒng)工藝，乙二醇的注入量為680 kg/h。而采用新型脫蠟脫水脫烴工藝，乙二醇的注入量僅為380 kg/h。這是由于新型脫蠟脫水脫烴工藝可降低原料氣初級(jí)分離溫度，導(dǎo)致原料氣中大量的飽和水析出并實(shí)現(xiàn)分離，降低了進(jìn)入原料氣后冷器及低溫分離器中天然氣的飽和水含量，從而有利于降低原料氣后冷器中醇液的注入量，同時(shí)也降低了醇液再生裝置的負(fù)荷，達(dá)到節(jié)能降耗的效果。

2.4 新工藝的其他優(yōu)點(diǎn)

新工藝在醇烴液回注時(shí)，僅回注極少量的醇烴液即可達(dá)到脫蠟的效果。選擇在節(jié)流降壓前回注，充分利用了高壓醇烴液的壓力能，降低了低溫醇烴液注入泵的負(fù)荷，起到節(jié)能降耗的作用。

2.5 新舊工藝現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況

現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)，蠟堵的直接表現(xiàn)為原料氣后冷器管程壓差的升高，當(dāng)壓差升高到一定值時(shí)，即會(huì)影響到后冷器的換熱效果。原料氣后冷器的管程壓差超過200 kPa，即需要對(duì)裝置進(jìn)行停產(chǎn)洗蠟。在原料氣處理量為500×104m3/d時(shí)，新舊工藝運(yùn)行情況見表4。

表4 不同工藝原料氣后冷器管程壓差對(duì)比Table4 Contrastofdifferentialpressureintubeofafter?coolerwithdifferentprocesses工藝方案運(yùn)行1周后壓差/kPa運(yùn)行2周后壓差/kPa運(yùn)行3個(gè)月后壓差/kPa傳統(tǒng)脫水脫烴工藝120>200-新型脫蠟脫水脫烴工藝30～5070180

從表4可以看出，采用傳統(tǒng)工藝運(yùn)行時(shí)，原料氣后冷器管程壓差升高較快，運(yùn)行1周多的時(shí)間，就需要對(duì)裝置進(jìn)行停產(chǎn)洗蠟，頻繁洗蠟及裝置開停耗費(fèi)了大量的人力物力，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)操作難以正常運(yùn)行。采用新型工藝，可以平穩(wěn)運(yùn)行3個(gè)月以上，加之原料氣后冷器采用固定管板式換熱器，清洗較為方便，解決了傳統(tǒng)工藝由于蠟堵造成的操作困難。若能在后續(xù)設(shè)計(jì)時(shí)適當(dāng)放大原料氣后冷器的設(shè)計(jì)裕量，提高原料氣后冷器管程壓差上限，可進(jìn)一步延長洗蠟周期。

3 結(jié) 論

通過對(duì)傳統(tǒng)低溫脫水脫烴工藝及新型的脫蠟脫水脫烴工藝進(jìn)行對(duì)比分析研究，可得出以下結(jié)論：

(1) 新型脫蠟脫水脫烴工藝通過回注醇烴液改變了進(jìn)料天然氣的組成，能夠有效地分離出天然氣中的石蠟組分，避免在后續(xù)節(jié)流制冷低溫分離過程中因結(jié)蠟問題導(dǎo)致凍堵。

(2) 采用新工藝可以降低天然氣的預(yù)冷溫度，不僅有利于重?zé)N和水的分離，還能有效減少乙二醇注入量，從而降低系統(tǒng)的操作費(fèi)用。

(3) 部分高壓低溫醇烴液在節(jié)流前通過泵回注到原料氣中，很大程度上利用了低溫醇烴液的壓力能，有效地降低了運(yùn)行費(fèi)用。

通過以上分析，新型脫蠟脫水脫烴工藝的應(yīng)用，可以解決含蠟天然氣氣田處理過程中石蠟造成的堵塞問題，使裝置操作運(yùn)行更加平穩(wěn)可靠，填補(bǔ)了國內(nèi)天然氣低溫分離中脫蠟工藝的空白，從而可保障天然氣處理廠的安全平穩(wěn)生產(chǎn)。

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A novel process of natural gas dewaxing, dehydration and dehydrocarbon

Liu Gaihuan, Liu Huimin, Chen Shaohua, Xiao Qiutao, Cheng Lin

(ChinaPetroleumEngineeringCo.,Ltd.SouthwestCompany,Chengdu610041,China)

According to the study on wax plugging problem of low-temperature separation process, a novel method of natural gas dewaxing, dehydration and dehydrocarbon was proposed, which is based on the similarity-intermiscibility theory of alcohol-hydrocarbon liquid and wax ingredients. The low-temperature alcohol-hydrocarbon liquid was injected into the feed gas to change the composition of the feed natural gas, which is beneficial for the separation of wax from the feed gas separator and lowering the separation temperature of the feed gas separator. As a result, the high separation efficiency can be obtained. Meanwhile, the injection rate of alcohol liquid could be reduced, which lead to energy reduction of the low-temperature separation system and alcohol liquid regeneration system, lowering the operating cost. It has a positive effect on energy conservation and emissions reduction, and it can also solve the problem of wax plugging in the process of low temperature separation.

dewaxing, dehydration, dehydrocarbon, alcohol-hydrocarbon liquid, similarity-intermiscibility, energy consumption reduction

國家重大科技專項(xiàng)“阿姆河右岸中區(qū)天然氣開發(fā)示范工程”(2011ZX05059)。

劉改煥(1982-)，女，河南南陽人，工程師，2008年畢業(yè)于四川大學(xué)化工專業(yè)，碩士，現(xiàn)就職于中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司，從事天然氣處理工藝設(shè)計(jì)工作。E?mail：76617206@qq．com

TE644

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10.3969/j.issn.1007-3426.2016.06.001

2016-06-21；編輯：溫冬云