海上油氣田CO2分離技術(shù)研究

馬麗+柳迎紅

摘要隨著海上油氣田的大量開發(fā)，越來越多的海上油氣田被發(fā)現(xiàn)CO2含量較高。在海上鉆井平臺(tái)上開展CO2的捕集與分離已經(jīng)迫在眉睫。文章研究了膜分離與超重力化學(xué)吸收分離兩種適合海上鉆井平臺(tái)使用的CO2分離方法，比較了二者的優(yōu)缺點(diǎn)以及海上鉆井平臺(tái)應(yīng)用的可行性，為解決海上油氣田的CO2分離指出了研究方向。

關(guān)鍵詞二氧化碳；膜分離法；超重力；分離技術(shù)

中圖分類號(hào)：TE3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）12-0040-02

隨著海上油氣田的大量開發(fā)，越來越多的海上油氣田被發(fā)現(xiàn)CO2含量較高，有些海域的油氣田CO2含量平均達(dá)到約40%。一方面CO2如果直接排空則造成碳排放過高；另一方面這樣的高含CO2的天然氣不能直接燃燒排空也不能用于燃?xì)馔钙接糜诎l(fā)電，因此造成海上鉆井平臺(tái)工作生活的燃料供給不足。所以在海上鉆井平臺(tái)上開展CO2的捕集與分離已經(jīng)迫在眉睫，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)上天然氣與CO2的就地分離，解決平臺(tái)的燃料供給問題，同時(shí)能夠就地天然氣的管輸成本，并且為下一步的海洋CO2地質(zhì)封存做準(zhǔn)備。要在海上鉆井平臺(tái)實(shí)現(xiàn)CO2的分離，需要體積小、重量輕，同時(shí)操作方便、成本低的分離技術(shù)。

1適用于海上油氣田的CO2分離技術(shù)

1.1 海上油氣田CO2分離條件要求

由于海上鉆井平臺(tái)結(jié)構(gòu)復(fù)雜緊湊、空間小、重量要求嚴(yán)格，要在海上鉆井平臺(tái)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的CO2分離，這就要求CO2分離裝置能夠安裝在平臺(tái)有限的空間并且重量在平臺(tái)可承受重量范圍內(nèi)。在此基礎(chǔ)上，還需要操作簡(jiǎn)單，能耗小等特點(diǎn)。

目前世界范圍內(nèi)用于CO2分離的技術(shù)主要有：吸附分離技術(shù)、吸收分離技術(shù)、膜分離技術(shù)、化學(xué)循環(huán)燃燒分離技術(shù)、低溫分離技術(shù)、電化學(xué)分離技術(shù)等[1-3]。綜合考慮海上鉆井平臺(tái)與各種分離技術(shù)的特點(diǎn)，膜分離技術(shù)與超重力化學(xué)吸收分離技術(shù)比較適合在海上鉆井平臺(tái)開展。

1.2 CO2膜分離技術(shù)

膜分離技術(shù)是根據(jù)在一定條件下，利用膜對(duì)氣體滲透的選擇性把CO2和其他氣體分離開。其原理是CO2氣體能快速通過分離膜或吸收膜，從而實(shí)現(xiàn)CO2在膜的一側(cè)濃度降低，而在另一側(cè)富集[4]。膜分離法是一種能耗低、操作簡(jiǎn)單、污染小、保養(yǎng)方便的潔凈技術(shù)，但膜分離法的缺點(diǎn)是需要脫水和過濾等預(yù)處理流程，且難以得到高純度的CO2。近些年膜分離技術(shù)受到世界各技術(shù)先進(jìn)國(guó)家的高度重視。近三十年來，美國(guó)、加拿大、日本和歐洲國(guó)家，一直把膜技術(shù)定位為高新技術(shù)，投入大量資金和人力，促進(jìn)膜技術(shù)迅速發(fā)展，使用范圍日益擴(kuò)大，為許多行業(yè)高質(zhì)量地解決了分離、濃縮和純化的問題，為循環(huán)經(jīng)濟(jì)、清潔生產(chǎn)提供依托技術(shù)。

在海上鉆井平臺(tái)使用的CO2膜分離系統(tǒng)由預(yù)處理和膜分離兩部分組成（見圖1）。預(yù)處理部分主要包括：氣液分離系統(tǒng)及加熱系統(tǒng)等組成。干氣經(jīng)過預(yù)處理脫除顆粒及油霧，預(yù)熱后進(jìn)入膜分離器處理，低壓側(cè)得到濃縮CO2氣（滲透氣）；高壓側(cè)得到富烴脫碳?xì)猓ㄎ矚猓?/p>

圖1一級(jí)膜分離脫除CO2工藝簡(jiǎn)圖

膜分離器是脫碳裝置的核心，為了充分發(fā)揮脫碳裝置中膜分離器的性能，延長(zhǎng)其使用壽命，控制系統(tǒng)要保證其安全穩(wěn)定地運(yùn)行。結(jié)合膜分離技術(shù)的特點(diǎn)，采用先進(jìn)成熟的控制系統(tǒng)，對(duì)生產(chǎn)過程中壓力、溫度、流量等工藝參數(shù)，進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)、調(diào)節(jié)、顯示、報(bào)警等技術(shù)，并采用智能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)集中控制。

為了使膜分離技術(shù)降低烴的損失率，提高CO2的純度，可以使用二級(jí)膜分離技術(shù)。二級(jí)膜分離脫碳裝置流程見圖2。膜分離部分分為兩級(jí)，原料氣先進(jìn)入一級(jí)膜分離器M-01分離。在高壓側(cè)得到脫碳產(chǎn)品氣（尾氣），在低壓側(cè)得到富CO2氣（滲透氣），一級(jí)滲透氣進(jìn)入壓縮機(jī)壓縮到一定壓力，進(jìn)入二級(jí)膜分離M-02，其尾氣返回原料氣入口，滲透氣為富CO2氣體，排出裝置統(tǒng)一收集處理。

圖2二級(jí)膜分離脫除CO2工藝圖

表1是采用二級(jí)膜分離對(duì)天然氣田的混合氣進(jìn)行CO2與甲烷分離的工況數(shù)據(jù)。這種工況下采用二級(jí)膜分離，烴回收率可以達(dá)到近95%，基本達(dá)到了天然氣生產(chǎn)平臺(tái)的要求，基本可以解決目前海上油氣田遇到的CO2問題。

表1海上天然氣生產(chǎn)平臺(tái)CO2二級(jí)膜分離工況數(shù)據(jù)

原料氣 混合

原料氣 一級(jí)

滲透氣 一級(jí)尾氣

（產(chǎn)品氣） 二級(jí)

滲透氣 二級(jí)尾氣

（循環(huán)氣）

壓力MPa（A） 3.1 3.1 0.15

/3.2 3.0 0.15 3.1

溫度℃ 60 65 70 70 70 70

流量Nm3h-1 10416 15168 9886 5282 5134 4752

組成摩爾含量%

CO2 47.99 49.35 74.17 2.90 94.37 52.36

N2 0.04 0.05 0.04 0.07 0.01 0.07

C1 37.99 39.54 23.45 69.65 5.42 42.92

C2 7.94 6.59 1.83 15.48 0.18 3.62

C3 3.55 2.63 0.31 6.99 0.01 0.62

其他 2.49 1.85 0.2 4.91 0.008 0.42

CH4回收率% 92.97

烴回收率% 94.72

1.3 CO2超重力化學(xué)吸收法

化學(xué)吸收法是指利用吸收劑與混合氣體中CO2的化學(xué)反應(yīng)，形成一種聯(lián)結(jié)性較弱的中間化合物，再經(jīng)過加熱該中間化合物使CO2解析分離出來，從而使吸收劑再生的方法。超重力技術(shù)則是利用比地球重力加速度大得多的超重力環(huán)境進(jìn)行過程強(qiáng)化的高新技術(shù)。在地球上通過旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生高加速度環(huán)境而模擬實(shí)現(xiàn)，即旋轉(zhuǎn)床技術(shù)（RPB）。CO2超重力化學(xué)吸收法是使用旋轉(zhuǎn)的環(huán)狀多孔填料床代替垂直靜止的塔器，使氣-液在旋轉(zhuǎn)填料層中充分接觸，在液相的高度分散、表面急速更新和相界面得到強(qiáng)烈擾動(dòng)的情況下進(jìn)行傳質(zhì)、傳熱，使吸收劑與混合氣體中CO2的化學(xué)反應(yīng)過程得到強(qiáng)化，從而實(shí)現(xiàn)CO2與天然氣分離的技術(shù)。與塔式設(shè)備相比，這種體積傳質(zhì)系數(shù)高一到三個(gè)數(shù)量級(jí)，設(shè)備的體積和重量?jī)H是塔式設(shè)備的百分之幾。

圖3給出了一個(gè)超重力法分離CO2氣體的實(shí)驗(yàn)室流程圖。圖中流程為配制好的吸收液在原料儲(chǔ)罐1中由液體泵2打入旋轉(zhuǎn)床3中；從鋼瓶中釋放的N2和CO2氣體則分別通過流量計(jì)5進(jìn)入旋轉(zhuǎn)床。在旋轉(zhuǎn)床內(nèi)，氣液逆流接觸反應(yīng)。反應(yīng)后的液體從旋轉(zhuǎn)床底部排出，進(jìn)入儲(chǔ)罐4；氣體則從旋轉(zhuǎn)床頂部放空排出。通過該實(shí)驗(yàn)流程可以將原料氣中CO2含量為18%的混合氣凈化為出口氣中的CO2含量為0.3%，脫除率約97%。

通常用的CO2的吸收液有一乙醇胺（MEA）、二乙醇胺（DEA）、三乙醇胺（TEA）、氨水、二甘醇胺、甲基二乙醇胺（MEDA）等，但超重力化學(xué)吸收法目前研究的重點(diǎn)是選擇有效的CO2吸收劑，能夠在超重力環(huán)境下快速、高效的與CO2反應(yīng)形成中間化合物。MEA是研究較多的一種，但它和超重力作用的結(jié)合還需要進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與優(yōu)化。另外，開發(fā)新的吸收劑也是目前研究的重點(diǎn)。

2膜分離與超重力CO2分離技術(shù)比較

比較膜分離與超重力CO2分離兩種技術(shù)，可以看出兩種技術(shù)都能夠滿足海上鉆井平臺(tái)緊湊空間，重量小的要求。

超重力吸收法流程相對(duì)較多，并且含有動(dòng)設(shè)備耗能較高，穩(wěn)定性有待提高，同時(shí)超重力機(jī)與CO2吸收液的匹配選擇目前正在研究試驗(yàn)，需要進(jìn)一步篩選試驗(yàn)才能提高分離效率，達(dá)到工業(yè)化使用的要求。使用案例為世界上第一臺(tái)300噸每小時(shí)油田注水脫氧超重力示范裝置已經(jīng)在勝利油田成功運(yùn)行。

與超重力法相比，膜分離技術(shù)沒有運(yùn)動(dòng)部件，操作維護(hù)費(fèi)用低；開停車都非常方便。但膜分離技術(shù)需要增加氣體預(yù)處理過程，另外膜組件通常3-5年需要更換，目前成本還是比較高的，因此國(guó)內(nèi)多個(gè)研究單位正在開發(fā)低成本、高效率的膜分離材料，從而降低膜分離成本，促進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)一步工業(yè)化。現(xiàn)在使用的案例為海南福山油田膜分離脫CO2裝置，處理量30萬方每天，提純至80%以上。

1.原料儲(chǔ)罐；2.齒輪泵；3.廢液儲(chǔ)罐；4.靜態(tài)環(huán)形擋板；

5.旋轉(zhuǎn)床；6.轉(zhuǎn)子；7.氣體取樣系統(tǒng)；8.CO2分析儀；9.轉(zhuǎn)子流量計(jì)；10.CO2鋼瓶；11.N2鋼瓶；12.夾套

圖3超重力分離CO2實(shí)驗(yàn)室流程圖

3結(jié)束語(yǔ)

隨著海上油氣田的開發(fā)，為了更加清潔合理的海上高含CO2的油氣田，在海上鉆井平臺(tái)安裝CO2分離裝置降低管輸成本，降低碳排放并將分離捕集到的CO2合理利用。因此，越來越多海上鉆井平臺(tái)CO2分離技術(shù)被開發(fā)出來。

本文研究了膜分離與超重力化學(xué)吸收分離兩種適合海上鉆井平臺(tái)使用的CO2分離方法，比較了二者的優(yōu)缺點(diǎn)以及海上鉆井平臺(tái)應(yīng)用的可行性，為解決海上油氣田的CO2分離指出了研究方向。

綜合比較CO2膜分離與超重力化學(xué)吸收分離兩種方法，應(yīng)該根據(jù)不同的需求以及海上鉆井平臺(tái)建設(shè)以及配套設(shè)施的不同，選擇合適的CO2分離技術(shù)，解決海上油氣田CO2問題。

參考文獻(xiàn)

[1]Jeremy D.Economic evaluation of leading technology options for sequestration of carbon dioxide[D].MA：Massachusetts Institute of Technology，2000.

[2]夏明珠，嚴(yán)蓮荷，雷武，等.二氧化碳的分離回收技術(shù)與綜合利用[J].現(xiàn)代化工，1999，15（5）：53-56.

[3]王曉剛，李立清.CO2資源化利用的現(xiàn)狀及前景[J].化工環(huán)保，2006，26（3）：198-201.

[4]金宇，王廣才，李子江.CO2的回收和捕集技術(shù)進(jìn)展[J].化學(xué)工程師，2008，22（1）：40-41，25.

作者簡(jiǎn)介

馬麗（1980-），女，內(nèi)蒙古烏海人，中級(jí)工程師職稱，碩士學(xué)位，現(xiàn)在中海油研究總院新能源研究中心從事低碳技術(shù)研究工作。

endprint

摘要隨著海上油氣田的大量開發(fā)，越來越多的海上油氣田被發(fā)現(xiàn)CO2含量較高。在海上鉆井平臺(tái)上開展CO2的捕集與分離已經(jīng)迫在眉睫。文章研究了膜分離與超重力化學(xué)吸收分離兩種適合海上鉆井平臺(tái)使用的CO2分離方法，比較了二者的優(yōu)缺點(diǎn)以及海上鉆井平臺(tái)應(yīng)用的可行性，為解決海上油氣田的CO2分離指出了研究方向。

關(guān)鍵詞二氧化碳；膜分離法；超重力；分離技術(shù)

中圖分類號(hào)：TE3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）12-0040-02

隨著海上油氣田的大量開發(fā)，越來越多的海上油氣田被發(fā)現(xiàn)CO2含量較高，有些海域的油氣田CO2含量平均達(dá)到約40%。一方面CO2如果直接排空則造成碳排放過高；另一方面這樣的高含CO2的天然氣不能直接燃燒排空也不能用于燃?xì)馔钙接糜诎l(fā)電，因此造成海上鉆井平臺(tái)工作生活的燃料供給不足。所以在海上鉆井平臺(tái)上開展CO2的捕集與分離已經(jīng)迫在眉睫，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)上天然氣與CO2的就地分離，解決平臺(tái)的燃料供給問題，同時(shí)能夠就地天然氣的管輸成本，并且為下一步的海洋CO2地質(zhì)封存做準(zhǔn)備。要在海上鉆井平臺(tái)實(shí)現(xiàn)CO2的分離，需要體積小、重量輕，同時(shí)操作方便、成本低的分離技術(shù)。

1適用于海上油氣田的CO2分離技術(shù)

1.1 海上油氣田CO2分離條件要求

由于海上鉆井平臺(tái)結(jié)構(gòu)復(fù)雜緊湊、空間小、重量要求嚴(yán)格，要在海上鉆井平臺(tái)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的CO2分離，這就要求CO2分離裝置能夠安裝在平臺(tái)有限的空間并且重量在平臺(tái)可承受重量范圍內(nèi)。在此基礎(chǔ)上，還需要操作簡(jiǎn)單，能耗小等特點(diǎn)。

目前世界范圍內(nèi)用于CO2分離的技術(shù)主要有：吸附分離技術(shù)、吸收分離技術(shù)、膜分離技術(shù)、化學(xué)循環(huán)燃燒分離技術(shù)、低溫分離技術(shù)、電化學(xué)分離技術(shù)等[1-3]。綜合考慮海上鉆井平臺(tái)與各種分離技術(shù)的特點(diǎn)，膜分離技術(shù)與超重力化學(xué)吸收分離技術(shù)比較適合在海上鉆井平臺(tái)開展。

1.2 CO2膜分離技術(shù)

膜分離技術(shù)是根據(jù)在一定條件下，利用膜對(duì)氣體滲透的選擇性把CO2和其他氣體分離開。其原理是CO2氣體能快速通過分離膜或吸收膜，從而實(shí)現(xiàn)CO2在膜的一側(cè)濃度降低，而在另一側(cè)富集[4]。膜分離法是一種能耗低、操作簡(jiǎn)單、污染小、保養(yǎng)方便的潔凈技術(shù)，但膜分離法的缺點(diǎn)是需要脫水和過濾等預(yù)處理流程，且難以得到高純度的CO2。近些年膜分離技術(shù)受到世界各技術(shù)先進(jìn)國(guó)家的高度重視。近三十年來，美國(guó)、加拿大、日本和歐洲國(guó)家，一直把膜技術(shù)定位為高新技術(shù)，投入大量資金和人力，促進(jìn)膜技術(shù)迅速發(fā)展，使用范圍日益擴(kuò)大，為許多行業(yè)高質(zhì)量地解決了分離、濃縮和純化的問題，為循環(huán)經(jīng)濟(jì)、清潔生產(chǎn)提供依托技術(shù)。

在海上鉆井平臺(tái)使用的CO2膜分離系統(tǒng)由預(yù)處理和膜分離兩部分組成（見圖1）。預(yù)處理部分主要包括：氣液分離系統(tǒng)及加熱系統(tǒng)等組成。干氣經(jīng)過預(yù)處理脫除顆粒及油霧，預(yù)熱后進(jìn)入膜分離器處理，低壓側(cè)得到濃縮CO2氣（滲透氣）；高壓側(cè)得到富烴脫碳?xì)猓ㄎ矚猓?/p>

圖1一級(jí)膜分離脫除CO2工藝簡(jiǎn)圖

膜分離器是脫碳裝置的核心，為了充分發(fā)揮脫碳裝置中膜分離器的性能，延長(zhǎng)其使用壽命，控制系統(tǒng)要保證其安全穩(wěn)定地運(yùn)行。結(jié)合膜分離技術(shù)的特點(diǎn)，采用先進(jìn)成熟的控制系統(tǒng)，對(duì)生產(chǎn)過程中壓力、溫度、流量等工藝參數(shù)，進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)、調(diào)節(jié)、顯示、報(bào)警等技術(shù)，并采用智能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)集中控制。

為了使膜分離技術(shù)降低烴的損失率，提高CO2的純度，可以使用二級(jí)膜分離技術(shù)。二級(jí)膜分離脫碳裝置流程見圖2。膜分離部分分為兩級(jí)，原料氣先進(jìn)入一級(jí)膜分離器M-01分離。在高壓側(cè)得到脫碳產(chǎn)品氣（尾氣），在低壓側(cè)得到富CO2氣（滲透氣），一級(jí)滲透氣進(jìn)入壓縮機(jī)壓縮到一定壓力，進(jìn)入二級(jí)膜分離M-02，其尾氣返回原料氣入口，滲透氣為富CO2氣體，排出裝置統(tǒng)一收集處理。

圖2二級(jí)膜分離脫除CO2工藝圖

表1是采用二級(jí)膜分離對(duì)天然氣田的混合氣進(jìn)行CO2與甲烷分離的工況數(shù)據(jù)。這種工況下采用二級(jí)膜分離，烴回收率可以達(dá)到近95%，基本達(dá)到了天然氣生產(chǎn)平臺(tái)的要求，基本可以解決目前海上油氣田遇到的CO2問題。

表1海上天然氣生產(chǎn)平臺(tái)CO2二級(jí)膜分離工況數(shù)據(jù)

原料氣 混合

原料氣 一級(jí)

滲透氣 一級(jí)尾氣

（產(chǎn)品氣） 二級(jí)

滲透氣 二級(jí)尾氣

（循環(huán)氣）

壓力MPa（A） 3.1 3.1 0.15

/3.2 3.0 0.15 3.1

溫度℃ 60 65 70 70 70 70

流量Nm3h-1 10416 15168 9886 5282 5134 4752

組成摩爾含量%

CO2 47.99 49.35 74.17 2.90 94.37 52.36

N2 0.04 0.05 0.04 0.07 0.01 0.07

C1 37.99 39.54 23.45 69.65 5.42 42.92

C2 7.94 6.59 1.83 15.48 0.18 3.62

C3 3.55 2.63 0.31 6.99 0.01 0.62

其他 2.49 1.85 0.2 4.91 0.008 0.42

CH4回收率% 92.97

烴回收率% 94.72

1.3 CO2超重力化學(xué)吸收法

化學(xué)吸收法是指利用吸收劑與混合氣體中CO2的化學(xué)反應(yīng)，形成一種聯(lián)結(jié)性較弱的中間化合物，再經(jīng)過加熱該中間化合物使CO2解析分離出來，從而使吸收劑再生的方法。超重力技術(shù)則是利用比地球重力加速度大得多的超重力環(huán)境進(jìn)行過程強(qiáng)化的高新技術(shù)。在地球上通過旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生高加速度環(huán)境而模擬實(shí)現(xiàn)，即旋轉(zhuǎn)床技術(shù)（RPB）。CO2超重力化學(xué)吸收法是使用旋轉(zhuǎn)的環(huán)狀多孔填料床代替垂直靜止的塔器，使氣-液在旋轉(zhuǎn)填料層中充分接觸，在液相的高度分散、表面急速更新和相界面得到強(qiáng)烈擾動(dòng)的情況下進(jìn)行傳質(zhì)、傳熱，使吸收劑與混合氣體中CO2的化學(xué)反應(yīng)過程得到強(qiáng)化，從而實(shí)現(xiàn)CO2與天然氣分離的技術(shù)。與塔式設(shè)備相比，這種體積傳質(zhì)系數(shù)高一到三個(gè)數(shù)量級(jí)，設(shè)備的體積和重量?jī)H是塔式設(shè)備的百分之幾。

圖3給出了一個(gè)超重力法分離CO2氣體的實(shí)驗(yàn)室流程圖。圖中流程為配制好的吸收液在原料儲(chǔ)罐1中由液體泵2打入旋轉(zhuǎn)床3中；從鋼瓶中釋放的N2和CO2氣體則分別通過流量計(jì)5進(jìn)入旋轉(zhuǎn)床。在旋轉(zhuǎn)床內(nèi)，氣液逆流接觸反應(yīng)。反應(yīng)后的液體從旋轉(zhuǎn)床底部排出，進(jìn)入儲(chǔ)罐4；氣體則從旋轉(zhuǎn)床頂部放空排出。通過該實(shí)驗(yàn)流程可以將原料氣中CO2含量為18%的混合氣凈化為出口氣中的CO2含量為0.3%，脫除率約97%。

通常用的CO2的吸收液有一乙醇胺（MEA）、二乙醇胺（DEA）、三乙醇胺（TEA）、氨水、二甘醇胺、甲基二乙醇胺（MEDA）等，但超重力化學(xué)吸收法目前研究的重點(diǎn)是選擇有效的CO2吸收劑，能夠在超重力環(huán)境下快速、高效的與CO2反應(yīng)形成中間化合物。MEA是研究較多的一種，但它和超重力作用的結(jié)合還需要進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與優(yōu)化。另外，開發(fā)新的吸收劑也是目前研究的重點(diǎn)。

2膜分離與超重力CO2分離技術(shù)比較

比較膜分離與超重力CO2分離兩種技術(shù)，可以看出兩種技術(shù)都能夠滿足海上鉆井平臺(tái)緊湊空間，重量小的要求。

超重力吸收法流程相對(duì)較多，并且含有動(dòng)設(shè)備耗能較高，穩(wěn)定性有待提高，同時(shí)超重力機(jī)與CO2吸收液的匹配選擇目前正在研究試驗(yàn)，需要進(jìn)一步篩選試驗(yàn)才能提高分離效率，達(dá)到工業(yè)化使用的要求。使用案例為世界上第一臺(tái)300噸每小時(shí)油田注水脫氧超重力示范裝置已經(jīng)在勝利油田成功運(yùn)行。

與超重力法相比，膜分離技術(shù)沒有運(yùn)動(dòng)部件，操作維護(hù)費(fèi)用低；開停車都非常方便。但膜分離技術(shù)需要增加氣體預(yù)處理過程，另外膜組件通常3-5年需要更換，目前成本還是比較高的，因此國(guó)內(nèi)多個(gè)研究單位正在開發(fā)低成本、高效率的膜分離材料，從而降低膜分離成本，促進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)一步工業(yè)化。現(xiàn)在使用的案例為海南福山油田膜分離脫CO2裝置，處理量30萬方每天，提純至80%以上。

1.原料儲(chǔ)罐；2.齒輪泵；3.廢液儲(chǔ)罐；4.靜態(tài)環(huán)形擋板；

5.旋轉(zhuǎn)床；6.轉(zhuǎn)子；7.氣體取樣系統(tǒng)；8.CO2分析儀；9.轉(zhuǎn)子流量計(jì)；10.CO2鋼瓶；11.N2鋼瓶；12.夾套

圖3超重力分離CO2實(shí)驗(yàn)室流程圖

3結(jié)束語(yǔ)

隨著海上油氣田的開發(fā)，為了更加清潔合理的海上高含CO2的油氣田，在海上鉆井平臺(tái)安裝CO2分離裝置降低管輸成本，降低碳排放并將分離捕集到的CO2合理利用。因此，越來越多海上鉆井平臺(tái)CO2分離技術(shù)被開發(fā)出來。

本文研究了膜分離與超重力化學(xué)吸收分離兩種適合海上鉆井平臺(tái)使用的CO2分離方法，比較了二者的優(yōu)缺點(diǎn)以及海上鉆井平臺(tái)應(yīng)用的可行性，為解決海上油氣田的CO2分離指出了研究方向。

綜合比較CO2膜分離與超重力化學(xué)吸收分離兩種方法，應(yīng)該根據(jù)不同的需求以及海上鉆井平臺(tái)建設(shè)以及配套設(shè)施的不同，選擇合適的CO2分離技術(shù)，解決海上油氣田CO2問題。

參考文獻(xiàn)

[1]Jeremy D.Economic evaluation of leading technology options for sequestration of carbon dioxide[D].MA：Massachusetts Institute of Technology，2000.

[2]夏明珠，嚴(yán)蓮荷，雷武，等.二氧化碳的分離回收技術(shù)與綜合利用[J].現(xiàn)代化工，1999，15（5）：53-56.

[3]王曉剛，李立清.CO2資源化利用的現(xiàn)狀及前景[J].化工環(huán)保，2006，26（3）：198-201.

[4]金宇，王廣才，李子江.CO2的回收和捕集技術(shù)進(jìn)展[J].化學(xué)工程師，2008，22（1）：40-41，25.

作者簡(jiǎn)介

馬麗（1980-），女，內(nèi)蒙古烏海人，中級(jí)工程師職稱，碩士學(xué)位，現(xiàn)在中海油研究總院新能源研究中心從事低碳技術(shù)研究工作。

endprint

摘要隨著海上油氣田的大量開發(fā)，越來越多的海上油氣田被發(fā)現(xiàn)CO2含量較高。在海上鉆井平臺(tái)上開展CO2的捕集與分離已經(jīng)迫在眉睫。文章研究了膜分離與超重力化學(xué)吸收分離兩種適合海上鉆井平臺(tái)使用的CO2分離方法，比較了二者的優(yōu)缺點(diǎn)以及海上鉆井平臺(tái)應(yīng)用的可行性，為解決海上油氣田的CO2分離指出了研究方向。

關(guān)鍵詞二氧化碳；膜分離法；超重力；分離技術(shù)

中圖分類號(hào)：TE3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）12-0040-02

隨著海上油氣田的大量開發(fā)，越來越多的海上油氣田被發(fā)現(xiàn)CO2含量較高，有些海域的油氣田CO2含量平均達(dá)到約40%。一方面CO2如果直接排空則造成碳排放過高；另一方面這樣的高含CO2的天然氣不能直接燃燒排空也不能用于燃?xì)馔钙接糜诎l(fā)電，因此造成海上鉆井平臺(tái)工作生活的燃料供給不足。所以在海上鉆井平臺(tái)上開展CO2的捕集與分離已經(jīng)迫在眉睫，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)上天然氣與CO2的就地分離，解決平臺(tái)的燃料供給問題，同時(shí)能夠就地天然氣的管輸成本，并且為下一步的海洋CO2地質(zhì)封存做準(zhǔn)備。要在海上鉆井平臺(tái)實(shí)現(xiàn)CO2的分離，需要體積小、重量輕，同時(shí)操作方便、成本低的分離技術(shù)。

1適用于海上油氣田的CO2分離技術(shù)

1.1 海上油氣田CO2分離條件要求

由于海上鉆井平臺(tái)結(jié)構(gòu)復(fù)雜緊湊、空間小、重量要求嚴(yán)格，要在海上鉆井平臺(tái)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的CO2分離，這就要求CO2分離裝置能夠安裝在平臺(tái)有限的空間并且重量在平臺(tái)可承受重量范圍內(nèi)。在此基礎(chǔ)上，還需要操作簡(jiǎn)單，能耗小等特點(diǎn)。

目前世界范圍內(nèi)用于CO2分離的技術(shù)主要有：吸附分離技術(shù)、吸收分離技術(shù)、膜分離技術(shù)、化學(xué)循環(huán)燃燒分離技術(shù)、低溫分離技術(shù)、電化學(xué)分離技術(shù)等[1-3]。綜合考慮海上鉆井平臺(tái)與各種分離技術(shù)的特點(diǎn)，膜分離技術(shù)與超重力化學(xué)吸收分離技術(shù)比較適合在海上鉆井平臺(tái)開展。

1.2 CO2膜分離技術(shù)

膜分離技術(shù)是根據(jù)在一定條件下，利用膜對(duì)氣體滲透的選擇性把CO2和其他氣體分離開。其原理是CO2氣體能快速通過分離膜或吸收膜，從而實(shí)現(xiàn)CO2在膜的一側(cè)濃度降低，而在另一側(cè)富集[4]。膜分離法是一種能耗低、操作簡(jiǎn)單、污染小、保養(yǎng)方便的潔凈技術(shù)，但膜分離法的缺點(diǎn)是需要脫水和過濾等預(yù)處理流程，且難以得到高純度的CO2。近些年膜分離技術(shù)受到世界各技術(shù)先進(jìn)國(guó)家的高度重視。近三十年來，美國(guó)、加拿大、日本和歐洲國(guó)家，一直把膜技術(shù)定位為高新技術(shù)，投入大量資金和人力，促進(jìn)膜技術(shù)迅速發(fā)展，使用范圍日益擴(kuò)大，為許多行業(yè)高質(zhì)量地解決了分離、濃縮和純化的問題，為循環(huán)經(jīng)濟(jì)、清潔生產(chǎn)提供依托技術(shù)。

在海上鉆井平臺(tái)使用的CO2膜分離系統(tǒng)由預(yù)處理和膜分離兩部分組成（見圖1）。預(yù)處理部分主要包括：氣液分離系統(tǒng)及加熱系統(tǒng)等組成。干氣經(jīng)過預(yù)處理脫除顆粒及油霧，預(yù)熱后進(jìn)入膜分離器處理，低壓側(cè)得到濃縮CO2氣（滲透氣）；高壓側(cè)得到富烴脫碳?xì)猓ㄎ矚猓?/p>

圖1一級(jí)膜分離脫除CO2工藝簡(jiǎn)圖

膜分離器是脫碳裝置的核心，為了充分發(fā)揮脫碳裝置中膜分離器的性能，延長(zhǎng)其使用壽命，控制系統(tǒng)要保證其安全穩(wěn)定地運(yùn)行。結(jié)合膜分離技術(shù)的特點(diǎn)，采用先進(jìn)成熟的控制系統(tǒng)，對(duì)生產(chǎn)過程中壓力、溫度、流量等工藝參數(shù)，進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)、調(diào)節(jié)、顯示、報(bào)警等技術(shù)，并采用智能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)集中控制。

為了使膜分離技術(shù)降低烴的損失率，提高CO2的純度，可以使用二級(jí)膜分離技術(shù)。二級(jí)膜分離脫碳裝置流程見圖2。膜分離部分分為兩級(jí)，原料氣先進(jìn)入一級(jí)膜分離器M-01分離。在高壓側(cè)得到脫碳產(chǎn)品氣（尾氣），在低壓側(cè)得到富CO2氣（滲透氣），一級(jí)滲透氣進(jìn)入壓縮機(jī)壓縮到一定壓力，進(jìn)入二級(jí)膜分離M-02，其尾氣返回原料氣入口，滲透氣為富CO2氣體，排出裝置統(tǒng)一收集處理。

圖2二級(jí)膜分離脫除CO2工藝圖

表1是采用二級(jí)膜分離對(duì)天然氣田的混合氣進(jìn)行CO2與甲烷分離的工況數(shù)據(jù)。這種工況下采用二級(jí)膜分離，烴回收率可以達(dá)到近95%，基本達(dá)到了天然氣生產(chǎn)平臺(tái)的要求，基本可以解決目前海上油氣田遇到的CO2問題。

表1海上天然氣生產(chǎn)平臺(tái)CO2二級(jí)膜分離工況數(shù)據(jù)

原料氣 混合

原料氣 一級(jí)

滲透氣 一級(jí)尾氣

（產(chǎn)品氣） 二級(jí)

滲透氣 二級(jí)尾氣

（循環(huán)氣）

壓力MPa（A） 3.1 3.1 0.15

/3.2 3.0 0.15 3.1

溫度℃ 60 65 70 70 70 70

流量Nm3h-1 10416 15168 9886 5282 5134 4752

組成摩爾含量%

CO2 47.99 49.35 74.17 2.90 94.37 52.36

N2 0.04 0.05 0.04 0.07 0.01 0.07

C1 37.99 39.54 23.45 69.65 5.42 42.92

C2 7.94 6.59 1.83 15.48 0.18 3.62

C3 3.55 2.63 0.31 6.99 0.01 0.62

其他 2.49 1.85 0.2 4.91 0.008 0.42

CH4回收率% 92.97

烴回收率% 94.72

1.3 CO2超重力化學(xué)吸收法

化學(xué)吸收法是指利用吸收劑與混合氣體中CO2的化學(xué)反應(yīng)，形成一種聯(lián)結(jié)性較弱的中間化合物，再經(jīng)過加熱該中間化合物使CO2解析分離出來，從而使吸收劑再生的方法。超重力技術(shù)則是利用比地球重力加速度大得多的超重力環(huán)境進(jìn)行過程強(qiáng)化的高新技術(shù)。在地球上通過旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生高加速度環(huán)境而模擬實(shí)現(xiàn)，即旋轉(zhuǎn)床技術(shù)（RPB）。CO2超重力化學(xué)吸收法是使用旋轉(zhuǎn)的環(huán)狀多孔填料床代替垂直靜止的塔器，使氣-液在旋轉(zhuǎn)填料層中充分接觸，在液相的高度分散、表面急速更新和相界面得到強(qiáng)烈擾動(dòng)的情況下進(jìn)行傳質(zhì)、傳熱，使吸收劑與混合氣體中CO2的化學(xué)反應(yīng)過程得到強(qiáng)化，從而實(shí)現(xiàn)CO2與天然氣分離的技術(shù)。與塔式設(shè)備相比，這種體積傳質(zhì)系數(shù)高一到三個(gè)數(shù)量級(jí)，設(shè)備的體積和重量?jī)H是塔式設(shè)備的百分之幾。

圖3給出了一個(gè)超重力法分離CO2氣體的實(shí)驗(yàn)室流程圖。圖中流程為配制好的吸收液在原料儲(chǔ)罐1中由液體泵2打入旋轉(zhuǎn)床3中；從鋼瓶中釋放的N2和CO2氣體則分別通過流量計(jì)5進(jìn)入旋轉(zhuǎn)床。在旋轉(zhuǎn)床內(nèi)，氣液逆流接觸反應(yīng)。反應(yīng)后的液體從旋轉(zhuǎn)床底部排出，進(jìn)入儲(chǔ)罐4；氣體則從旋轉(zhuǎn)床頂部放空排出。通過該實(shí)驗(yàn)流程可以將原料氣中CO2含量為18%的混合氣凈化為出口氣中的CO2含量為0.3%，脫除率約97%。

通常用的CO2的吸收液有一乙醇胺（MEA）、二乙醇胺（DEA）、三乙醇胺（TEA）、氨水、二甘醇胺、甲基二乙醇胺（MEDA）等，但超重力化學(xué)吸收法目前研究的重點(diǎn)是選擇有效的CO2吸收劑，能夠在超重力環(huán)境下快速、高效的與CO2反應(yīng)形成中間化合物。MEA是研究較多的一種，但它和超重力作用的結(jié)合還需要進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與優(yōu)化。另外，開發(fā)新的吸收劑也是目前研究的重點(diǎn)。

2膜分離與超重力CO2分離技術(shù)比較

比較膜分離與超重力CO2分離兩種技術(shù)，可以看出兩種技術(shù)都能夠滿足海上鉆井平臺(tái)緊湊空間，重量小的要求。

超重力吸收法流程相對(duì)較多，并且含有動(dòng)設(shè)備耗能較高，穩(wěn)定性有待提高，同時(shí)超重力機(jī)與CO2吸收液的匹配選擇目前正在研究試驗(yàn)，需要進(jìn)一步篩選試驗(yàn)才能提高分離效率，達(dá)到工業(yè)化使用的要求。使用案例為世界上第一臺(tái)300噸每小時(shí)油田注水脫氧超重力示范裝置已經(jīng)在勝利油田成功運(yùn)行。

與超重力法相比，膜分離技術(shù)沒有運(yùn)動(dòng)部件，操作維護(hù)費(fèi)用低；開停車都非常方便。但膜分離技術(shù)需要增加氣體預(yù)處理過程，另外膜組件通常3-5年需要更換，目前成本還是比較高的，因此國(guó)內(nèi)多個(gè)研究單位正在開發(fā)低成本、高效率的膜分離材料，從而降低膜分離成本，促進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)一步工業(yè)化?，F(xiàn)在使用的案例為海南福山油田膜分離脫CO2裝置，處理量30萬方每天，提純至80%以上。

1.原料儲(chǔ)罐；2.齒輪泵；3.廢液儲(chǔ)罐；4.靜態(tài)環(huán)形擋板；

5.旋轉(zhuǎn)床；6.轉(zhuǎn)子；7.氣體取樣系統(tǒng)；8.CO2分析儀；9.轉(zhuǎn)子流量計(jì)；10.CO2鋼瓶；11.N2鋼瓶；12.夾套

圖3超重力分離CO2實(shí)驗(yàn)室流程圖

3結(jié)束語(yǔ)

隨著海上油氣田的開發(fā)，為了更加清潔合理的海上高含CO2的油氣田，在海上鉆井平臺(tái)安裝CO2分離裝置降低管輸成本，降低碳排放并將分離捕集到的CO2合理利用。因此，越來越多海上鉆井平臺(tái)CO2分離技術(shù)被開發(fā)出來。

本文研究了膜分離與超重力化學(xué)吸收分離兩種適合海上鉆井平臺(tái)使用的CO2分離方法，比較了二者的優(yōu)缺點(diǎn)以及海上鉆井平臺(tái)應(yīng)用的可行性，為解決海上油氣田的CO2分離指出了研究方向。

綜合比較CO2膜分離與超重力化學(xué)吸收分離兩種方法，應(yīng)該根據(jù)不同的需求以及海上鉆井平臺(tái)建設(shè)以及配套設(shè)施的不同，選擇合適的CO2分離技術(shù)，解決海上油氣田CO2問題。

參考文獻(xiàn)

[1]Jeremy D.Economic evaluation of leading technology options for sequestration of carbon dioxide[D].MA：Massachusetts Institute of Technology，2000.

[2]夏明珠，嚴(yán)蓮荷，雷武，等.二氧化碳的分離回收技術(shù)與綜合利用[J].現(xiàn)代化工，1999，15（5）：53-56.

[3]王曉剛，李立清.CO2資源化利用的現(xiàn)狀及前景[J].化工環(huán)保，2006，26（3）：198-201.

[4]金宇，王廣才，李子江.CO2的回收和捕集技術(shù)進(jìn)展[J].化學(xué)工程師，2008，22（1）：40-41，25.

作者簡(jiǎn)介

馬麗（1980-），女，內(nèi)蒙古烏海人，中級(jí)工程師職稱，碩士學(xué)位，現(xiàn)在中海油研究總院新能源研究中心從事低碳技術(shù)研究工作。

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