于風杰

中油遼河工程有限公司

新疆塔里木盆地天然氣儲量十分豐富，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，特別是針對克拉蘇氣田的勘探開發(fā)工作，取得了較大突破。到2020年，塔里木油田公司天然氣年產(chǎn)量將達到300×108m3/a，其中，克拉蘇氣田天然氣產(chǎn)量將達到170×108m3/a，有望成為塔里木第一大氣田。克深氣田是克拉蘇氣田的重要組成部分，2018年累計產(chǎn)氣66.79×108m3/a。隨著克深氣田的進一步開發(fā)，逐漸成為克拉蘇氣田的主力產(chǎn)氣區(qū)，但克深氣田地質(zhì)氣藏較為復雜，生產(chǎn)的天然氣組分中含有較多蠟成分，給天然氣的處理過程造成了較大困難。2015年，克深天然氣處理廠投產(chǎn)初期，脫水脫烴裝置蠟堵嚴重，裝置無法連續(xù)運行，增加脫蠟劑工藝后才能平穩(wěn)運行。因此，天然氣脫蠟工藝已成為含蠟天然氣加工和處理工藝的重要組成部分。

克深處理廠的天然氣處理采用低溫冷凝脫水脫烴工藝[1]，其工藝原理主要是利用天然氣中各組分露點溫度的不同，通過制冷裝置降溫后進行低溫分離，從而得到滿足烴、水露點要求的產(chǎn)品氣[2-5]。制冷方式采用J-T閥制冷，工藝原理J-T節(jié)流效應[6]，是高壓天然氣常用的處理工藝。處理過程中，隨著溫度的逐漸降低，會發(fā)生凍堵現(xiàn)象。一方面，由于甲烷會形成水合物，造成堵塞，需要加入防凍劑，將水合物的形成溫度降至制冷溫度以下，常用的防凍劑為乙二醇[7]；另一方面，隨著溫度的逐漸降低，蠟成分結(jié)晶析出，附著在管道設備管壁、分離器的分離元件上，降低了換熱器的換熱效率和分離器的分離效率，嚴重時甚至完全堵塞設備，從而影響天然氣處理廠的平穩(wěn)運行。

蠟是由直鏈飽和烴為主要組成的混合物，化學通式CnH2n+2，碳原子個數(shù)為18～45。一般的除蠟方法為加熱升溫[8]，含蠟量較少的天然氣處理裝置在運行一段時間后，可采用熱水清洗的方法將附著的蠟溶化洗出后再運行，但是對于含蠟量較高的克深天然氣，該方法不可行，運行周期僅1周左右，無法進行平穩(wěn)生產(chǎn)。因此，在天然氣脫水脫烴過程中應將蠟成分予以脫除[9-10]。

目前，克深天然氣處理廠采用在原料氣中注入脫蠟劑的方式，利用“相似相溶”的原理將要析出的蠟成分吸收到液相中，防止其在低溫下結(jié)晶析出，從而消除了蠟堵的風險。雖然蠟堵的問題解決了，但是脫蠟劑的注入成本居高不下，采用的脫蠟劑為迪那輕烴，而克深天然氣組分較貧，其中C1～C4摩爾分數(shù)占比99.95%，導致注入的脫蠟劑大部分氣化到天然氣中，液相回收率較低，實際生產(chǎn)回收率僅為10%。因此，優(yōu)選高液相回收率的脫蠟劑成為亟待解決的問題。

本研究針對克深天然氣處理廠脫水脫烴過程中注入脫蠟劑回收率低的問題，進行了全面分析和模擬計算，從油田范圍內(nèi)和市面常用有機溶劑進行全面篩選，優(yōu)選出1種脫蠟劑，在有效解決蠟堵問題的同時，液相回收率高，進而可實現(xiàn)脫蠟劑循環(huán)工藝[11]，進一步降低注入量。優(yōu)選脫蠟劑可大大降低注入成本，減少操作費用，對含蠟天然氣的處理具有重要的指導意義。

1 含蠟天然氣處理現(xiàn)狀

1.1 天然氣組成簡介

對克深天然氣處理廠的生產(chǎn)分離器入口天然氣取樣進行全組分分析，原料氣組成見表1。從表1可以看出，C1～C4摩爾分數(shù)占比非常高，直鏈烷烴的碳原子數(shù)量達到28，其中C13、C14、C20、C23、C25、C26、C27還出現(xiàn)缺失。

表1 原料氣組成Table 1 Composition of feed gas組分名稱峰面積/%y/%組分名稱峰面積/%y/%C1～C499.702 499.955 3C170.001 50.000 1i-C50.009 60.002 1C180.011 00.000 7n-C50.007 60.001 7C190.005 00.000 3C60.014 70.002 7C200.000 00.000 0C70.201 40.032 3C210.001 60.000 1C80.009 00.001 3C220.002 90.000 2C90.004 00.000 5C230.000 00.000 0C100.007 20.000 8C240.001 60.000 1C110.003 60.000 4C250.000 00.000 0C120.005 00.000 5C260.000 00.000 0C130.000 00.000 0C270.000 00.000 0C140.000 00.000 0C280.001 30.000 1C150.008 10.000 6C160.002 50.000 2合計100.000 0100.000 0

1.2 含蠟天然氣處理工藝簡介

原料氣自集氣裝置的氣液分離器來，經(jīng)空冷器和原料氣預冷器降低溫度后進原料氣分離器再次分離，再經(jīng)原料氣后冷器與干氣換熱后進J-T閥節(jié)流制冷，進入低溫分離器和干氣聚結(jié)器進行分離，干氣經(jīng)后冷器和預冷器換熱后外輸，原料氣分離器液相出口去凝析油處理裝置，低溫分離器分離的醇烴液去乙二醇再生裝置。為防止蠟組分在低溫下結(jié)晶析出，在空冷器前注入脫蠟劑，與原料氣充分混合后進入下游。為防止水合物形成，在后冷器中注入乙二醇，以降低水合物形成溫度，工藝流程見圖1。

干氣組成見表2，計算結(jié)果烴露點-16.19 ℃，水露點-16.01 ℃，滿足在天然氣交接點的壓力和溫度條件下天然氣中不應存在液態(tài)水和液態(tài)烴的要求[12]，經(jīng)過處理后的干氣通過外輸管線進入西氣東輸管線。

表2 干氣組成Table 2 Composition of dry gas組分名稱y/%組分名稱y/%C199.756 3甲基環(huán)己烷0.005 3C20.080 0甲苯0.005 0C30.040 3C80.004 6i-C40.015 81,4-二甲苯0.001 2n-C40.016 81,2-二甲苯0.000 3i-C50.005 1C90.001 0n-C50.004 5C100.000 4C60.011 4C110.000 1苯0.016 3H2O0.002 7C70.032 9合計100.000 0

1.3 裝置運行現(xiàn)狀

采用在原料氣中注入迪那穩(wěn)定輕烴的方法，雖然克深天然氣處理廠的脫水脫烴裝置能夠穩(wěn)定運行，但注入迪那輕烴的回收量僅為10%，其他部分進入干氣，為了提高回收率，于2017年7月檢修時更換第2套脫水脫烴低溫分離器內(nèi)構(gòu)件，但更換后回收量未見明顯提高，低溫分離器分離效果改善不明顯。更換的內(nèi)構(gòu)件仍為旋流高效分離元件，采用SMSM結(jié)構(gòu)形式[13]。進入分離器的氣液混合物通過進口進入雙列葉片分布器(Schoepentoeter)完成氣體分布，氣體上升經(jīng)過液體聚結(jié)絲網(wǎng)(mistmat)將小顆粒聚結(jié)成大顆粒，然后經(jīng)過渦流管(Swirldeck)和分離絲網(wǎng)分離完成氣液分離。液體通過降液管降至下端儲液空間。低溫分離器結(jié)構(gòu)見圖2。

2 脫蠟劑回收率低原因分析

采用HYSYS軟件進行工藝模擬，模擬流程見圖3，注入脫蠟劑為迪那輕烴，每100×104m3天然氣的注入量為95 kg/h，迪那輕烴的組成見表3。

計算注入脫蠟劑的總體液相回收率為23.43%，其中各組分回收率見表4，而實際液相回收率只有10%，說明已建的SMSM結(jié)構(gòu)低溫分離器的分離效率未達到預期效果。

表3 迪那輕烴組成Table 3 Composition of Dina light hydrocarbon組分w/%組分w/%C20.021 8甲苯9.914 8C30.377 3C810.300 8i-C40.923 31,4-二甲苯3.669 9n-C41.996 81,2-二甲苯0.819 4i-C54.017 6C93.253 2n-C53.736 9C101.951 8C614.443 6C110.506 0苯24.521 4C120.075 7C78.613 6甲基環(huán)己烷10.856 1合計100.000 0

表4 迪那輕烴回收率Table 4 Recovery rate of Dina light hydrocarbon組分原料氣質(zhì)量流量/(kg·h-1)不加注脫蠟劑干氣質(zhì)量流量/(kg·h-1)加注脫蠟劑干氣質(zhì)量流量/(kg·h-1)迪那輕烴質(zhì)量流量/(kg·h-1)回收率/%C2416.687 8416.647 4416.723 80.207 163.14C3305.532 8305.443 4308.702 43.584 49.08i-C4151.020 4150.920 1159.278 38.771 44.71n-C4151.020 4150.882 6169.210 018.969 63.39i-C526.245 226.191 063.743 538.167 21.61n-C521.246 121.187 455.946 835.500 62.09C640.304 039.975 0170.161 7137.214 25.12苯0.000 00.000 0220.093 4232.953 35.52C7560.635 7547.579 0570.759 981.829 271.67甲基環(huán)己烷0.000 00.000 089.402 3103.133 013.31甲苯0.000 00.000 079.850 694.190 615.22C825.722 924.043 691.030 597.857 631.551,4-二甲苯0.000 00.000 021.725 534.864 137.691,2-二甲苯0.000 00.000 04.676 57.784 339.92C911.108 39.293 321.142 630.905 461.66C1019.716 912.887 410.762 318.542 1111.46C1110.830 44.269 91.908 14.807 0149.13C1214.752 73.134 10.886 00.719 2412.60

分析如下：

(1)原料氣中含量少的組分相對應的迪那輕烴中該組分的回收率較低，輕組分部分(C3～C6)回收率較低，僅為1.61%～9.08%。

(2)隨著組分變重,各組分的回收率逐漸變大，C10～C12組分平衡向液相轉(zhuǎn)移了11.46%～312.60%。

雖然C2回收率達到63.14%，但由于原料氣中C2含量相對較高，要提高脫蠟劑的液相回收率，需要減少C2～C6占比。

3 脫蠟劑優(yōu)選分析

3.1 優(yōu)選范圍確定

塔里木油田范圍生產(chǎn)的輕烴、凝析油產(chǎn)品主要有迪那輕烴、英買輕烴、輪南400萬輕烴、輕烴廠輕烴、迪那凝析油、英買凝析油、牙哈凝析油、塔一聯(lián)凝析油、塔二聯(lián)凝析油、塔三聯(lián)凝析油，其中塔二聯(lián)凝析油和塔三聯(lián)凝析油含H2S，不適合用作脫蠟劑。各脫蠟劑組分分布占比見表5。其中英買輕烴、輪南400萬輕烴、輕烴廠輕烴的C2～C6占比均高于迪那輕烴，也不適合作為脫蠟劑。因此，優(yōu)選范圍只包括迪那凝析油、英買凝析油、牙哈凝析油、塔一聯(lián)凝析油。同時，另外選取市面上常見的便宜有機溶劑作為脫蠟劑，包括甲苯、二甲苯和三甲苯。

表5 各脫蠟劑組分分布占比Table 5 Composition distribution ratio of different dewaxing agents脫蠟劑名稱w(C2～C6)/%w(苯～C11)/%w(C12+)/%迪那輕烴25.574.40.1英買輕烴48.251.80輪南400萬輕烴65.334.70輕烴廠輕烴74.425.60迪那凝析油7.051.141.9英買凝析油13.041.945.1牙哈凝析油13.140.846.1塔一聯(lián)凝析油10.740.748.6

3.2 優(yōu)選計算分析

同樣采用HYSYS軟件進行工藝模擬，模擬流程見圖3，注入脫蠟劑分別為迪那凝析油、英買凝析油、牙哈凝析油、塔一聯(lián)凝析油、甲苯、二甲苯和三甲苯。工況條件：脫水脫烴裝置處理量為1000×104m3/d，J-T制冷溫度-15 ℃，達到相同的防蠟效果時各種脫蠟劑的計算結(jié)果見圖4。

分析如下：

(1)注入凝析油的液相回收率為74.52%～82.86%，遠高于當前迪那輕烴液相回收率23.43%，二甲苯和三甲苯的液相回收率遠高于當前迪那輕烴液相回收率。

(2)迪那凝析油的苯～C11組分質(zhì)量分數(shù)比其他凝析油高約25%，迪那凝析油的注入量比其他3個樣品少16.48%～28.57%。

(3)隨著碳原子數(shù)量的增加，苯系列溶劑注入量逐漸降低。同時，液相回收率依次增加，三甲苯的回收率超過100%。

3.3 對干氣影響分析

不同脫蠟劑下的干氣組成及露點見表6。

分析如下：

(1)三甲苯具有較高毒性，人經(jīng)吸入TCLo(lowest published toxic concentration，最低中毒濃度)為10 μmol/mol，注入三甲苯后干氣中脫蠟劑的摩爾分數(shù)為25 μmol/mol，由于外輸干氣作為燃料氣的可能性較大，即與人接觸的幾率較大，從環(huán)保的角度而言，處理過程中引入有害物質(zhì)是不合理的。因此，不推薦將三甲苯作為天然氣處理過程中的脫蠟劑。

(2)迪那凝析油、英買凝析油、牙哈凝析油和塔一聯(lián)凝析油作為脫蠟劑注入后，干氣中的苯、甲苯含量依次降低，有害物質(zhì)含量低于注入當前脫蠟。因此，4種凝析油作為脫蠟劑是合適的。

表6 不同脫蠟劑下的干氣組成及露點Table 6 Composition of dry gas and dew point of different dewaxing agents脫蠟劑y(C1)y(C2)y(C3)y(i-C4)y(n-C4)y(i-C5)y(n-C5)y(C6)y(苯)y(C7)y(甲基環(huán)己烷)y(甲苯)迪那輕烴99.756 50.080 00.040 40.015 80.016 80.005 10.004 50.011 40.016 30.032 90.005 30.005 0迪那凝析油99.791 00.080 10.040 70.015 40.015 70.002 70.002 20.004 40.005 90.028 10.002 10.002 8英買凝析油99.784 70.080 10.040 60.015 40.016 10.004 10.003 70.007 20.005 10.029 90.002 10.001 7牙哈凝析油99.784 10.080 00.040 90.015 60.016 50.004 10.003 90.006 90.005 10.029 50.002 40.001 7塔一聯(lián)凝析油99.792 20.080 10.040 30.015 20.015 90.002 90.003 20.006 80.001 30.030 20.001 00.001 6甲苯99.773 80.079 90.039 90.014 90.014 90.002 10.001 70.002 500.027 700.038 5二甲苯99.800 80.080 00.039 90.014 90.014 90.002 10.001 70.002 500.027 000三甲苯99.810 90.080 00.039 90.014 90.014 90.002 10.001 70.002 500.026 700脫蠟劑y(C8)y(1,4-二甲苯)y(1,2-二甲苯)y(C9)y(C10)y(C11)y(三甲苯)y(水)合計烴露點/℃水露點/℃迪那輕烴0.004 60.001 20.000 30.001 00.000 40.000 100.002 7100-16.19-16.01迪那凝析油0.003 10.000 90.000 30.000 90.000 60.000 200.002 7100-16.16-16.15英買凝析油0.003 80.000 60.000 20.001 00.000 70.000 200.002 7100-16.09-16.09牙哈凝析油0.003 80.000 60.000 20.001 00.000 70.000 200.002 7100-16.12-20.29塔一聯(lián)凝析油0.003 60.000 50.000 20.001 10.000 80.000 200.002 7100-16.02-20.28甲苯0.000 9000.000 20.000 2000.002 7100-15.62-20.30二甲苯0.000 80.005 40.006 80.000 20.000 2000.002 7100-14.78-20.26三甲苯0.000 8000.000 20.000 200.002 50.002 7100-14.71-20.23 注:摩爾分數(shù)單位為%。

(3)注入其他脫蠟劑后，外輸干氣的水露點均低于注入當前脫蠟劑后干氣的水露點；由于甲苯、二甲苯、三甲苯的分子量依次增大，殘留在干氣中的重組分相對變重，烴露點呈略微上升的趨勢。但總體而言，烴、水露點均滿足要求。

3.4 注入成本分析

對以上各種脫蠟劑進行注入成本分析，損失的脫蠟劑以氣態(tài)形式進入天然氣中，該部分不進行收益計算，分析公式見式(1)，注入成本分析結(jié)果見圖5。

F=84A(B+0.0001S·f-Φ·C)

(1)

式中：F為單套裝置處理規(guī)模1000×104m3/d脫水脫烴裝置的注入成本，萬元/a；A為每100×104m3天然氣的脫蠟劑注入量，kg/h；B為脫蠟劑價格，輕烴價格按0.42萬元/t計，凝析油價格按0.4萬元/t計，甲苯、二甲苯、三甲苯價格按0.6萬元/t計；Φ為脫蠟劑液相回收率；C為回收液相價格，以凝析油計算；S為脫蠟劑拉運距離，km；f為拉運單價，0.4元/(t·km)。

根據(jù)圖5，注入迪那凝析油的成本最少。因此，迪那凝析油作為脫蠟劑最優(yōu)。

4 結(jié)論

通過對目前脫蠟劑的組成分析和多種脫蠟劑的分析計算，同時進行了干氣組成和注入成本分析，可得出以下結(jié)論：

(1)目前的脫蠟劑迪那輕烴中C2～C6占比較高，該部分回收率非常低，而高回收率的C12+幾乎沒有。因此,迪那輕烴的液相回收率較低，計算值僅為23.43%；英買輕烴、輪南400萬輕烴、輕烴廠輕烴的C2～C6占比均高于迪那輕烴，也不適合作為脫蠟劑。

(2)注入二甲苯和三甲苯的液相回收率遠高于迪那輕烴，注入量遠小于迪那輕烴，但外輸干氣中也因此引入了有害物質(zhì)，故甲苯、二甲苯和三甲苯均不適合作為脫蠟劑。

(3)注入各種凝析油的液相回收率遠高于目前的脫蠟劑，通過進行注入成本分析，迪那凝析油為最佳脫蠟劑，與目前注入迪那輕烴成本相比，節(jié)省了72.77%。本研究為天然氣脫蠟處理拓展了新的理論依據(jù)，為降低現(xiàn)場裝置運行時的操作成本提供了積極的指導意義。