天然氣凝液回收工藝參數(shù)分析研究

王霞　陳遠(yuǎn)勝　張立軍

【摘 要】天然氣凝液回收是當(dāng)前國際油價低迷的情景下各油氣田新的經(jīng)濟(jì)增長點，圍繞國內(nèi)外天然氣凝液回收工藝發(fā)展的現(xiàn)狀，從凝液回收工藝特點和影響回收工藝參數(shù)的主要因素方面進(jìn)行探索分析，確定最佳工藝參數(shù)條件的是提高天然氣凝液回收率的有效途徑，這對擴(kuò)大天然氣資源的高效加工利用具有指導(dǎo)意義。

【關(guān)鍵詞】天然氣凝液；冷凝分離；回收工藝；參數(shù)分析

Analysis and Study on The Parameters of NGL Recovery Process

WANG Xai CHEN Yuan-sheng ZHANG Li-jun

（1.Chongqing University of Science and Technology，Chongqing 401331，China；

2.ENN Energy Holdings Limited，Langfang Hebei 065000，China；

3.The New Energy Engineering Technology Co.Ltd.，Langfang Hebei 065000，China）

【Abstract】NGL recovery is a new economic growth point of various oil and gas fields under the current international oil price downturn scenario. On the current situation of the NGL recovery process development at our country and abroad，exploring and analyzing from the aspect of the characteristics of NGL recovery and the main factors that affect the process parameters，to highlight that the determination of the best process parameters is an effective way is to improve NGL recovery rate，which has guiding significance for expanding efficient processing and utilization of natural gas resources.

【Key words】NGL；Condensing；Separation；Recycling technology；Parameter analysis

0 引言

天然氣凝液回收是將天然氣中相對于甲烷、乙烷等更重組分的烴液以液態(tài)形式回收的過程。凝液的回收及綜合利用率標(biāo)志著油氣田開發(fā)水平的高低，也體現(xiàn)一個國家在石油化工等方面的技術(shù)水平。隨著當(dāng)前國內(nèi)外天然氣凝液回收技術(shù)正朝著低能耗、高回收率的發(fā)展方向，探索出針對天然氣凝液回收工藝的合理參數(shù)，提高凝液回收率，對提升天然氣資源有效利用率具有重要的現(xiàn)實意義。

1 凝液回收技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

早在1904年，美國建立了第一座輕油回收工廠，迄今已有上百年的歷史。國外的凝液回收工藝技術(shù)相對國內(nèi)較先進(jìn)，一些國家在提高加工深度、增加凝液回收率、合理利用油氣資源方面都取得了顯著成就。自20世紀(jì)70年代以來，國外凝液回收技術(shù)對準(zhǔn)了以節(jié)能降耗、提高凝液收率為目標(biāo)。以低溫分離工藝為主，在少投資、深分離、高收率、低能耗、撬裝化、自動化方面取得了長足發(fā)展。在此基礎(chǔ)上，對凝液回收裝置進(jìn)行一些列改進(jìn)后出現(xiàn)了諸多新工藝如：液體過冷工藝（LSP）、氣體過冷工藝（GSP）、殘余氣循環(huán)工藝（RR， residue recycle）、冷殘余氣循環(huán)工藝（CRR， cold residue recycle）、直接換熱法（DHX）等。目前，在美國天然氣凝液回收率已達(dá)到80%以上，凝液產(chǎn)量與原油產(chǎn)量之比達(dá)1：5逐步擴(kuò)大天然氣使用。在加拿大，天然氣凝液日產(chǎn)量達(dá)到m3其中乙烷回收占m3，顯著提高了天然氣資源的再利用率。

我國的天然氣凝液回收技術(shù)開始于20世紀(jì)60年代，一直以來由于受到國內(nèi)技術(shù)水平的限制，凝液回收率較低且回收的產(chǎn)品僅用作工業(yè)生產(chǎn)或作民用燃料。近幾年，隨著我國石油工業(yè)的快速發(fā)展和世界石油能源危機(jī)，回收天然氣中的凝液加以利用成為各油氣田新的經(jīng)濟(jì)增長點，極大地促進(jìn)了我國凝液回收技術(shù)的進(jìn)步，但與國外先進(jìn)技術(shù)水平仍存在一定的差距。主要表現(xiàn)為：

1）回收產(chǎn)品主要來自油田伴生氣，天然氣凝液回收率已達(dá)到國際先進(jìn)水平，但是總產(chǎn)量不大，僅占原油產(chǎn)量的0.5%～1%。

2）除少數(shù)大型裝置和乙烷回收裝置外，其余裝置規(guī)模均較小，分離深度低，回收率小。當(dāng)脫硫不徹底時，凝液中硫含量會出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象。

3）因國內(nèi)回收裝置（設(shè)備）技術(shù)尚未達(dá)到國際先進(jìn)水平，則從國外引進(jìn)先進(jìn)設(shè)備，但對設(shè)備的部分功能和最佳運(yùn)行參數(shù)未能完全掌握，使之凝液回收率不高。

2 凝液回收工藝

天然氣凝液回收可在油、氣田礦場進(jìn)行，也可在天然氣處理廠、氣體回注廠中進(jìn)行。目前，凝液回收的基本方法主要有：吸附法、冷油吸收法和冷凝分離法等。

2.1 固定床吸附工藝

固體吸附法原理是利用固體吸附劑對不同種類烴的吸附量不同，使天然氣中某些組分得以分離。固定床吸附裝置一般處理量為m3/d的小流量天然氣。吸附塔中填滿固體吸附劑如：顆粒狀或片狀的活性氧化鋁、活性炭等。向吸附塔中通入源源不斷的濕天然氣，吸附劑吸附濕天然氣中的重?zé)N、水蒸氣等直至飽和，然后向吸附塔通入少量260℃熱氣流，脫出吸附劑里飽和的重?zé)N并冷卻，最后對脫出的重?zé)N分離成所需產(chǎn)品。

固體吸附法的優(yōu)點是裝置比較簡單，無需要特殊材料的設(shè)備，投資少；缺點是需要幾個吸附塔切換操作，產(chǎn)品的局限性大，加之能耗較大、成本高，燃料氣消耗約為所處理氣量的5%（油吸附法一般在1%以下），因而目前應(yīng)用較少。

2.2 冷油吸收工藝

冷油吸收工藝是在較高壓力下，通過外部冷凍裝置冷卻的吸收油與原料天然氣直接接觸，將天然氣中的凝液洗滌吸收，然后在較低壓力下將凝液解吸出來，解吸后的貧油循環(huán)使用。

采用此方法丙烷的收率達(dá)80%～90%，乙烷收率20%～60%，欲進(jìn)一步提高丙烷收率，則需低分子量的吸收油，這將使解吸過程中吸收油損失增加。該工藝由于投資和操作費(fèi)用較高，近年來已經(jīng)逐步被冷凝分離工藝法所取代。

冷油吸收法的優(yōu)點是系統(tǒng)壓降小，設(shè)備允許采用碳鋼，對原料氣預(yù)處理沒有苛刻要求，單套裝置處理量較大（最大可達(dá)到m3/d；缺點是該工藝吸收油投資和操作費(fèi)用較高，近年來逐漸被更經(jīng)濟(jì)與先進(jìn)的低溫冷凝分離工藝所取代。

2.3 低溫冷凝分離工藝

冷凝分離工藝?yán)迷现懈鹘M分冷凝溫度不同，在逐步降溫過程中依次將較高沸點烴類冷凝分離出來。該工藝具有流程簡單、易操作、運(yùn)行成本低、對被分離天然氣組分適應(yīng)性大、凝液回收率高等優(yōu)點，目前在凝液回收技術(shù)中處于主流地位。低溫冷凝分離工藝主要包括冷劑制冷、膨脹機(jī)制冷、熱分離機(jī)制冷及復(fù)合制冷工藝等。

2.3.1 冷劑制冷法

冷劑制冷工藝分為吸收式制冷和壓縮式制冷兩種。吸收式制冷是直接利用熱能制冷，目前在凝液回收中應(yīng)用較少；壓縮式制冷是一種變相制冷，即利用液體冷劑汽化成氣體時的吸熱效應(yīng)制冷。根據(jù)被分離氣體的壓力、組分及分離深度要求，制冷介質(zhì)可是氨、氟利昂、丙烷或乙烷，也可采用多種制冷劑配合使用。制冷循環(huán)可以是單級或多級串聯(lián)，也可是階式制冷循環(huán)。由于環(huán)保因素，在新建裝置中大都采用丙烷制冷。

2.3.2 膨脹機(jī)制冷法

膨脹制冷工藝應(yīng)用的前提是原料氣與外輸干氣是否有一個較高的壓力差可利用，其核心是通過膨脹機(jī)將氣體的壓力能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能并產(chǎn)生冷量。我國采用單純膨脹制冷工藝（ISS）的凝液回收裝置規(guī)模較小，中低壓時，膨脹機(jī)做功量小，制冷溫度一般可達(dá)-20℃～60℃，有時可達(dá) -70℃～86℃。對技術(shù)和工藝進(jìn)行深度研究時發(fā)現(xiàn)，若要獲得高回收率或充分利用原料氣的高壓能，可采用多級膨脹制冷工藝（MTP）。

2.3.3 復(fù)合制冷法

復(fù)合制冷工藝采用兩種或兩種以上的制冷方式進(jìn)行凝液回收。由于回收溫度要求較低，一方面，采用單一制冷方式很難達(dá)到，另一方面，由于膨脹機(jī)的帶液溫度較高，對富含重?zé)N的天然氣不適宜。因此，凝液回收工藝多采用外加冷劑循環(huán)制冷作為輔助冷源，膨脹機(jī)制冷作為主要冷源，并采用逐級冷凍和逐級分離凝液的方式來降低冷量消耗和提高冷凍深度，以達(dá)到較高的凝液回收率，最大限度的回收天然氣中的凝液。

上述幾種凝液回收工藝都有其不同適用范圍、條件，各有利弊，工藝選取時應(yīng)綜合考慮經(jīng)濟(jì)和分析參數(shù)對工藝的影響并做出合理的選擇。

3 工藝參數(shù)對凝液回收的影響

3.1 氣體組成影響

天然氣的組分主要為甲烷，其余為天然氣凝液、H2S（包括有機(jī)硫化合物）、CO2、N2、He等。大部分氣田產(chǎn)出天然氣中甲烷之外的組分含量較少，其中油田伴生氣和凝析氣田氣中甲烷含量一般為65%～80%，含有一定量的C2～C3烴類成分；含硫氣田天然氣中還含有極少量He。

天然氣組成對凝液回收工藝方法的選擇及流程安排有重要影響。由運(yùn)行工況知，在溫度為-50℃、冷凝壓力為4MPa時，乙烷的液化率為30%而丙烷液化率為70%，則不同組成的天然氣，其在相同溫度和壓力條件下的液化率不同。因此，當(dāng)氣質(zhì)較富（如油田伴生氣）時，回收凝液就需更多的冷量，應(yīng)選擇能耗較低的方法。天然氣中若含有CO2或H2S等雜質(zhì)，在流程中則需增設(shè)脫酸、脫硫工藝。

3.2 溫度及壓力影響

多組分系統(tǒng)在一定壓力下達(dá)到其露點時，開始出現(xiàn)液相，隨著溫度的降低，較重的烴類的液化率急劇增大，到一定的程度后重?zé)N凝液在更低溫度下出現(xiàn)同樣的趨勢。則不同溫度下，氣相的量和組分是不同的。因而，凝液回收時，天然氣的溫度、壓力、氣相量和組分間相互影響。

因此，在工藝選擇則時，需綜合考慮壓力、溫度等條件的影響。特別是原料壓力與外輸干氣壓力之間的壓差決定工藝方法有無壓能可利用，并壓差大小影響裝置整體經(jīng)濟(jì)性。如當(dāng)原料氣壓力顯著高于外輸干氣壓力時（如氣田氣），綜合利用其壓差采用膨脹制冷工藝。對于某些組分，壓力增高，其沸點也相應(yīng)增高，對于低壓原料氣（如油田伴生氣），為達(dá)到較好的冷凝效果，需設(shè)壓縮機(jī)增壓。由運(yùn)行工況知，當(dāng)冷凝壓力在4MPa時，-30℃ 與-50℃時，對應(yīng)丙烷的液化率分別為45%和78%；當(dāng)冷凝溫度在-50℃，要達(dá)到30%的相同凝液回收率，乙烷需要的冷凝壓力為4.5MPa，丙烷對應(yīng)的冷凝壓力為1MPa。可知，冷凝溫度、冷凝壓力對于天然氣凝液回收率有著緊密的聯(lián)系。

3.3 天然氣處理量影響

天然氣處理量決定了裝置的整體規(guī)模，較小的裝置則宜選擇投資不大的工藝，小型的天然氣凝液回收裝置的價位約為幾百萬；當(dāng)較大的裝置可選擇投資較大而效率較高工藝，一套大型凝液回收裝置的價位上億；因此，在選擇裝置時，需要綜合考慮多因素。

3.4 產(chǎn)品方案影響

生產(chǎn)裝置的產(chǎn)品方案中所要求的乙烷收率或丙烷收率對工藝選擇也有重要影響。當(dāng)需要大量回收乙烷以制備乙烯時，冷凍溫度為-45℃～-100℃，應(yīng)采用深冷分離工藝；當(dāng)需回收輕油或部分液化石油氣（LPG）及要求較高的丙烷收率時，冷凍溫度為-20℃～-35℃，應(yīng)采用淺冷分離工藝。

4 結(jié)論

通過對天然氣凝液回收工藝技術(shù)現(xiàn)狀分析，剖析了不同凝液回收工藝特點，探討了天然氣凝液回收工藝參數(shù)確定的關(guān)系，可知：

1）應(yīng)天然氣凝液回收深度不斷提升的要求，當(dāng)前低溫冷凝分離工藝仍處于天然氣凝液回收領(lǐng)域的主導(dǎo)地位，可預(yù)見未來天然氣凝液回收必然向著投資少、深分離、高收率、效益高、低能耗、模塊集成化、撬裝化和全自動化的方向發(fā)展。

2）不同組分的天然氣凝液回收工藝針對一定條件的天然氣條件（組分、壓力、溫度和處理量等）而設(shè)計，若某一工藝參數(shù)發(fā)生較大變化則凝液回收工藝也應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的改變，才能保證較高的凝液回收率和良好的經(jīng)濟(jì)效益。

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[責(zé)任編輯：田吉捷]