輕烴回收工藝技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

輕烴回收工藝技術(shù)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(duì)甲烷或乙烷更重的組分以液態(tài)形式回收,既滿(mǎn)足了外輸天然氣的烴露點(diǎn)要求,又回收了高價(jià)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(jì)效益.本文對(duì)各個(gè)輕烴回收方法的特點(diǎn)以及國(guó)外先進(jìn)輕烴回收技術(shù)進(jìn)行了介紹,并闡述了我國(guó)輕烴回收工藝存在的問(wèn)題,在此基礎(chǔ)上提出了提高輕烴回收率的方法,為實(shí)際生產(chǎn)提供參考.期刊名稱(chēng)】《廣州化工》年(卷),期】2014(042)008【總頁(yè)數(shù)】4頁(yè)(P22-25)【關(guān)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(xué)化學(xué)化工學(xué)院,陜西西安710065;長(zhǎng)慶油田分公司第四采氣廠(chǎng),陜西西安710000【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類(lèi)】TE645在油氣田開(kāi)發(fā)過(guò)程中，為了滿(mǎn)足天然氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)的烴露點(diǎn)要求，必須從天然氣尤其是含重?zé)N較多的油田氣中脫除重?zé)N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?zé)N組分，并將這些重?zé)N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(jī)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(yīng)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(lái)的乙烷可用于代替石腦油作為生產(chǎn)乙烯的原料。美國(guó)、加拿大、墨西哥、法國(guó)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(chǔ)產(chǎn)品，進(jìn)一步加工成用途廣泛的有機(jī)化工產(chǎn)品［2］。進(jìn)行輕烴回收可以改善天然氣的質(zhì)量，降低天然氣的露點(diǎn)，防止天然氣在輸送過(guò)程中液體烴的凝結(jié)，阻塞管道，減少油氣損耗，還能減少大氣污染，對(duì)提高天然氣的整體經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義［3］。輕烴回收方法輕烴回收工藝方法概括起來(lái)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(duì)各種烴類(lèi)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?zé)N含量不高的天然氣和伴生氣的加工過(guò)程，一般只限于小氣量的天然氣。在吸附過(guò)程中一直要進(jìn)行到吸附劑被重?zé)N所飽和，然后停止吸附;而通過(guò)少量的熱氣流，將吸附床上的烴類(lèi)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(jiǎn)單、投資少的優(yōu)點(diǎn)，但它不能連續(xù)操作，且運(yùn)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(wèn)題未能得到很好的解決，因此無(wú)論過(guò)去還是現(xiàn)在該法在世界范圍內(nèi)都沒(méi)得到廣泛的應(yīng)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(lèi)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(guò)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(lái)，然后在較低壓力下將輕烴解吸出來(lái)，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(chǎng)。采用低溫油吸收法(圖1)C+3收率可達(dá)到85%~90%,C2收率可達(dá)到20%~60%。油吸收法廣泛應(yīng)用于20世紀(jì)60年代中期，但由于其工藝流程復(fù)雜，投資和操作成本都較高，20世紀(jì)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(lèi)組分冷凝溫度的不同，通過(guò)將原料氣冷卻至一定溫度從而將沸點(diǎn)高的烴類(lèi)冷凝分離并經(jīng)過(guò)凝液精餾分離成合格產(chǎn)品的方法。該方法最根本的特點(diǎn)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(jiǎn)單、運(yùn)行成本低、輕烴回收率高等優(yōu)點(diǎn)，目前在輕烴回收技術(shù)中處于主流地位［6］。低溫冷凝分離法包括:冷劑制冷、膨脹機(jī)制冷、熱分離機(jī)制冷及復(fù)合制冷法由于目前開(kāi)發(fā)的熱分離機(jī)效率低、適應(yīng)性和技術(shù)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(diǎn)是直接利用熱能制冷，目前在輕烴回收中應(yīng)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(shí)的吸熱效應(yīng)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(dá)到-35~-30工，故在輕烴回收中廣泛應(yīng)用［8］。冷劑制冷法的優(yōu)點(diǎn)是天然氣冷凝分離所需要的冷量由獨(dú)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(duì)原料氣的壓力無(wú)嚴(yán)格要求，裝置運(yùn)行中可改變制冷量的大小以適應(yīng)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(guó)，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(yīng)用的前提條件是原料氣與外輸干氣是否有一個(gè)較高的壓力差可以利輕烴回收系統(tǒng)的模擬研究與應(yīng)用，其原理是通過(guò)膨脹機(jī)將氣體的壓力能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能并產(chǎn)生冷量。膨脹制冷法的特點(diǎn)是流程簡(jiǎn)單、設(shè)備數(shù)量少、維護(hù)費(fèi)用低，占用地少，適合于較貧原料氣。我國(guó)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(jī)，膨脹比較小，制冷溫度一般僅能達(dá)到-20~-60工，也有部分裝置制冷溫度達(dá)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(shí)，可采用多級(jí)膨脹工藝(MTP)［9］,以滿(mǎn)足更低的制冷溫度要求。復(fù)合制冷法復(fù)合制冷法采用兩種或兩種以上的制冷方式進(jìn)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(dá)到，用膨脹機(jī)制冷能達(dá)到溫度要求，但是由于膨脹機(jī)的帶液溫度，對(duì)富含重?zé)N的天然氣仍不適宜。這時(shí)往往采用復(fù)合制冷法，即冷凍循環(huán)的多級(jí)化和混合冷劑制冷以及膨脹機(jī)加外冷的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)［10］。目前，輕烴回收工藝上應(yīng)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(jí)冷凍和逐級(jí)分離冷凝液體的措施來(lái)降低冷量消耗和提高冷凍深度，以達(dá)到較高的冷凝率，最大限度地回收天然氣中的輕烴。復(fù)合制冷法具有許多優(yōu)點(diǎn):首先，冷源有兩個(gè)或兩個(gè)以上，因此裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)適應(yīng)性較大，即使在外加冷源系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，裝置也能保持在一定的收率下繼續(xù)運(yùn)行;其次，復(fù)合制冷法中外加制冷系統(tǒng)比冷劑制冷法要簡(jiǎn)單，外加制冷系統(tǒng)僅僅須解決高沸點(diǎn)烴類(lèi)的冷凝問(wèn)題;復(fù)合制冷法不僅可以提高丙烷的收率，還能達(dá)到較高的乙烷收率，同時(shí)還可大大減少裝置的整體能耗。因此在處理油田氣時(shí)，設(shè)計(jì)冷劑循環(huán)制冷作為輔助冷源是一種很好的技術(shù)方案［11］。國(guó)內(nèi)外輕烴回收工藝發(fā)展現(xiàn)狀國(guó)外輕烴回收工藝發(fā)展現(xiàn)狀國(guó)外的輕烴回收工藝技術(shù)始于美國(guó)在1904年建立的第一座輕油回收工廠(chǎng)，到目前己有近一百多年的歷史。國(guó)外輕烴回收工藝技術(shù)較先進(jìn)，一些國(guó)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(jì)70年代以來(lái)，國(guó)外輕烴回收技術(shù)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(dòng)化等方向發(fā)展。在此基礎(chǔ)上對(duì)輕烴回收裝置進(jìn)行一系列改進(jìn)，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(chǔ)上加以改進(jìn)而發(fā)展起來(lái)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(lái)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(shí)，混合冷劑在一個(gè)溫度范圍內(nèi)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(guò)增加1臺(tái)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(fù)荷，但與提高分離壓力相比所需的能耗較低，對(duì)外冷法工藝不失為一種簡(jiǎn)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(jì)效益比在較高壓力下顯著。過(guò)冷工藝(GSP，LSP)過(guò)冷工藝包括氣體過(guò)冷工藝(GSP)和液體過(guò)冷工藝(LSP)，是對(duì)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)單級(jí)膨脹制冷工藝(ISS)和多級(jí)膨脹制冷工藝(MTP)的改進(jìn)。GSP工藝是針對(duì)較貧氣體(v100mL/m3)處理裝置而改進(jìn)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(duì)較富氣體(>400mL/m3)處理裝置而改進(jìn)的工藝，Ortloff公司對(duì)LSP工藝作過(guò)論證，證明采用LSP技術(shù)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(zhuān)門(mén)設(shè)置脫除CO2的設(shè)施［13］。圖3氣體過(guò)冷工藝(GSP)流程圖圖4液體過(guò)冷工藝(LSP)流程圖DHX工藝DHX工藝又稱(chēng)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(shí)踐，并獲得成功的新工藝［14］。國(guó)內(nèi)也將DHX工藝稱(chēng)為重接觸塔技術(shù)。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(shí)質(zhì)是脫乙烷塔回流罐的液烴經(jīng)換熱、節(jié)流降溫后進(jìn)入DHX塔，吸收膨脹機(jī)出口低溫分離器出來(lái)的氣相中的組分，從而提高C3收率。實(shí)踐證明，若不回收乙烷，利用DHX工藝可以很容易地對(duì)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(shù)近年在國(guó)外膜分離技術(shù)應(yīng)于氣體分離有較大發(fā)展。用于氣體分離的膜材料按材質(zhì)分為多孔質(zhì)膜和非多孔質(zhì)膜。它們的滲透機(jī)理完全不同:多孔質(zhì)膜分離是依靠各種氣體分子滲透速度的不同達(dá)到分離日的;而非多孔質(zhì)膜分離屬溶解擴(kuò)散機(jī)理。氣體滲透過(guò)程分為二個(gè)階段:氣體分子溶解于膜表面;溶解的氣體分子在膜內(nèi)擴(kuò)散、移動(dòng);氣體分子從膜的另一側(cè)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(zhì)膜美國(guó)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?zé)N，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(shù)在輕烴回收方面的應(yīng)用具有很好的發(fā)展前景。據(jù)國(guó)外預(yù)測(cè):氣體分離膜將是21世紀(jì)產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)技術(shù)之一。我國(guó)輕烴回收工藝的進(jìn)展我國(guó)的天然氣輕烴分離分離技術(shù)起步較晚，四川約在20世紀(jì)60年代開(kāi)展了從天然氣中分離、回收C+3液體產(chǎn)物的試驗(yàn)工作，僅相當(dāng)于國(guó)外20世紀(jì)30-40年代“天然氣汽油”時(shí)代。由于工藝技術(shù)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(jì)70-80年代，隨著北方各大油田的陸續(xù)開(kāi)發(fā)，油田伴生氣也登上了加工的舞臺(tái)，天然氣加工對(duì)象擴(kuò)大到C+2產(chǎn)物。近年來(lái)，隨著我國(guó)石油工業(yè)的飛速發(fā)展和世界的石油能源危機(jī)，使天然氣及輕烴的需求量急劇增長(zhǎng)，促進(jìn)了我國(guó)輕烴回收技術(shù)的發(fā)展［16］。在引進(jìn)、吸收、消化國(guó)外先進(jìn)回收工藝技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出了適合我國(guó)油氣田特點(diǎn)的輕烴回收工藝技術(shù)方法。盡管我國(guó)的輕烴回收技術(shù)水平取得了較大的進(jìn)步，但是與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)還有一定的差距。國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)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(wèn)題。具體表現(xiàn)在幾個(gè)方面:回收工藝方法選擇不當(dāng)，主要工藝參數(shù)設(shè)計(jì)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(jì)效益差;壓縮機(jī)、制冷機(jī)組運(yùn)行參數(shù)未能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，造成冷凝壓力偏低、冷量不足，使冷凝分離出來(lái)的液烴量減少。同時(shí)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(lái)的液烴被損失，產(chǎn)品收率低;國(guó)內(nèi)輕烴回收裝置是以回收丙烷以上組分的烴類(lèi)為主，由于深冷工藝的裝置少和制冷工藝的單一，裝置對(duì)原料氣組分、壓力及氣候條件等變化的適應(yīng)性差;過(guò)程控制方案沒(méi)有從整體優(yōu)化，先進(jìn)的集散控制系統(tǒng)未能得到遍應(yīng)用。目前，輕烴裝置主要以滿(mǎn)足工藝過(guò)程為主，對(duì)降低生產(chǎn)成本、節(jié)能降耗、生產(chǎn)操作管理考慮不夠;設(shè)備維護(hù)和管理水平不高，裝置開(kāi)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(lái)為有優(yōu)化操作參數(shù)、改變制冷方法、推廣應(yīng)用新技術(shù)［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(duì)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(jì)算方法繪制C3，C3+與溫度、壓力的關(guān)系曲線(xiàn)，適時(shí)調(diào)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(shí)，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(lái)改變?cè)蠚獾慕M成，使之變富。同時(shí)，利用采用輕油回流法，利用油的吸收作用，通過(guò)增加一臺(tái)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(fù)荷，但與提高分離壓力相比所需的能耗較低，對(duì)外冷法工藝不失為一種簡(jiǎn)單有效的方法。優(yōu)化系統(tǒng)壓力在進(jìn)行輕烴回收工藝設(shè)計(jì)與運(yùn)行操作時(shí)，根據(jù)原料氣的液化率與溫度壓力關(guān)系曲線(xiàn)來(lái)確定最佳系統(tǒng)壓力是非常重要的。一般而言，采用三級(jí)或三級(jí)以上壓縮是不適宜的，但若原料氣壓力較低時(shí)，采用增壓方法以提高的液化率是非常經(jīng)濟(jì)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(shí)，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(guò)低的溫度一方面會(huì)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(huì)造成設(shè)備投資大大增加。因此，在進(jìn)行輕烴回收工藝設(shè)計(jì)與運(yùn)行操作時(shí)，根據(jù)原料氣的液化率與溫度壓力關(guān)系曲線(xiàn)來(lái)確定最佳系統(tǒng)冷凝溫度也是至關(guān)重要的。改變制冷方法從發(fā)展角度看，采用復(fù)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(jī)制冷，冷凝溫度可達(dá)-80~-100工，使輕烴收率達(dá)到較高水平。近兩年新建的中深冷裝置大部分采用了復(fù)合制冷方式，C2收率可達(dá)75%~85%。開(kāi)發(fā)利用新技術(shù)近幾年國(guó)外開(kāi)發(fā)利用多種輕烴回收新技術(shù)，在節(jié)能降耗，提高輕烴收率方起著重要的作用，引進(jìn)、吸收、再次開(kāi)發(fā)利用這些新技術(shù)是提高我國(guó)輕烴回收技術(shù)水平的一條很有發(fā)展前景的新路子。可以針對(duì)原料氣的組成，壓力和處理量等條件，選擇適宜的新工藝技術(shù)，如輕油回流技術(shù)，馬拉（Mehra）法油吸收技術(shù)，氣體過(guò)冷工藝（GSP）技術(shù)、液體過(guò)冷工藝（LSP）技術(shù)、直接換熱（DHX）工藝技術(shù)、渦流管技術(shù)及膜分離技術(shù)等［18］。另外還可通過(guò)工藝改進(jìn)，盡可能地回收利用輕烴回收裝置內(nèi)的冷量，如低溫干氣將原料氣先預(yù)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(jìn)行預(yù)冷等方法。一方面可以降低裝置能耗，同時(shí)也可達(dá)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(shè)備以及效率高，運(yùn)行周期長(zhǎng)，安全可靠的膨脹制冷設(shè)備，也會(huì)對(duì)提高輕烴回收率有很大好處。參考文獻(xiàn)［1］汪壽建?天然氣綜合利用技術(shù).1版［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2003:25-27.［2］徐文淵，蔣長(zhǎng)安?天然氣利用手冊(cè).2版［M］.北京:中國(guó)石化出版社，2006:14－18.[3]李國(guó)誠(chéng)，諸林?油氣田地面輕烴回收技術(shù).1版[M].成都:四川科學(xué)技術(shù)出版社，1998:38－45.[4]莊建遠(yuǎn)，王國(guó)麗.國(guó)外油氣田地面工藝技術(shù)發(fā)展動(dòng)向[J].石油規(guī)劃設(shè)計(jì)，2003，14(1):45－53.楊介德，龍懷祖譯.實(shí)踐證明在輕烴回收工藝過(guò)程利用混合冷劑制冷是經(jīng)濟(jì)的[J].國(guó)外油田工程，1987,3(2):11-17.諸林，尹平，鄧蘭?輕油部分循環(huán)對(duì)丙丁烷收率的影響及其應(yīng)用[J].西南石油學(xué)院學(xué)報(bào)，1998，20(1):78-83.KnamS.A.CryogeniecexpanderprocessimrovesC3+recoverybyJudyCreekplantofEssoCanadaresource[J].HydrocarbonProeess.，1985，64(5):75-76