天然氣集氣和處理

用集氣管網(wǎng)集中氣井所產(chǎn)天然氣，經(jīng)分離計(jì)量，送往天然氣處理廠脫硫、脫水，回收硫黃和液烴，獲得符合標(biāo)準(zhǔn)的外輸天然氣的過(guò)程。

要著重考慮布局、輸送方式、集氣壓力等問(wèn)題。集氣管網(wǎng)的布局取決于:①氣田面積和形狀;②地形和地物;③氣田預(yù)期發(fā)展等。集氣管網(wǎng)布局的基本方式有:放射狀、枝狀、環(huán)狀三種,也可組合使用(圖1)。集氣管網(wǎng)，根據(jù)所輸流體中的含液量，在容許的壓力降范圍內(nèi)可采用單套管網(wǎng)氣、液混輸，也可在井場(chǎng)將氣和液先行分離，利用兩套管網(wǎng)氣、液分輸。如氣田有兩個(gè)以上氣藏同時(shí)開采，則應(yīng)根據(jù)不同產(chǎn)層的氣體質(zhì)量、壓力等情況設(shè)置多套管網(wǎng)。集氣管網(wǎng)的壓力根據(jù)地層壓力，氣液分離工藝和輸氣系統(tǒng)的壓力要求等因素確定。

氣田開采的后期,氣井的產(chǎn)量和壓力同時(shí)降低,在天然氣不能靠自身壓力進(jìn)入集氣管網(wǎng)，又不能就地利用的情況下，可采用壓縮機(jī)集氣。礦場(chǎng)集氣一般選用專用的燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的往復(fù)式壓縮機(jī)機(jī)組，以適應(yīng)排氣量和壓縮比兩者的不斷變化。機(jī)組可裝在井場(chǎng)或集氣站。若就近可取得大量高壓天然氣，又無(wú)其他制約條件，可采用以高壓氣帶低壓氣的引射器，采集低壓天然氣，使之進(jìn)入集氣管網(wǎng)。

含硫氣田的集氣管網(wǎng)，常選用低碳鋼或抗硫低合金鋼管材，以防止硫化物造成應(yīng)力腐蝕(見碳素鋼，合金鋼，應(yīng)力腐蝕斷裂和氫脆)。

從天然氣中分出攜帶的地層水、凝結(jié)水、凝析油，以及從氣井帶出的少量砂子等固相物質(zhì)。在氣田開發(fā)過(guò)程的主要階段，氣井的井口壓力一般都遠(yuǎn)高于集氣管網(wǎng)的壓力,當(dāng)節(jié)流降壓時(shí)，會(huì)產(chǎn)生焦耳-湯姆孫效應(yīng)，使天然氣溫度降低。即使在0℃以上,天然氣中的某些組分，在一定的溫度壓力條件下，仍能與所存在的游離水形成冰雪狀水合物，堵塞管道和設(shè)備。礦場(chǎng)分離過(guò)程，根據(jù)防止形成水合物的方法不同，分常溫分離和低溫分離。

常溫分離 通過(guò)加熱防止形成水合物。來(lái)自井口的天然氣，先加熱，后節(jié)流降壓，再進(jìn)入分離器。氣液分離后應(yīng)分別計(jì)量(圖2)。加熱程度和降壓級(jí)數(shù)取決于井口溫度和井口壓力。常溫分離一般用于干氣(戊烷及以上餾分含量少于10ml/m)，可在井場(chǎng)或集氣站進(jìn)行。

低溫分離 把甘醇(乙二醇、二甘醇)、甲醇等防凍劑注入氣流中以防止形成水合物。以甘醇為防凍劑的低溫分離流程見圖3。

來(lái)自井口的天然氣，先在游離水分離器中分出攜帶的游離水，分離器的壓力控制在天然氣反轉(zhuǎn)凝析壓力以上，以防烴類凝析。然后向天然氣流中注入防凍劑，如甘醇等,并節(jié)流降壓,析出的凝析油進(jìn)入低溫分離器。天然氣經(jīng)換冷后輸出，凝析油吸水后的稀甘醇一起進(jìn)入穩(wěn)定塔,然后在油-甘醇分離器中分開,前者送往貯罐;后者經(jīng)提濃后重復(fù)使用。低溫分離一般用于濕氣(戊烷及以上餾分含量高于10ml/m)。常在集氣站上集中進(jìn)行。在含水量低時(shí)也可以不加防凍劑。

脫除天然氣中HS、CO等酸氣組分后外輸。方法大體有四類:

化學(xué)吸收法 以醇胺類或堿性鹽類溶液為溶劑，在吸收塔中吸收天然氣內(nèi)HS、CO等酸性氣體組分，以凈化天然氣。然后在溫度較高、壓力較低的再生塔中產(chǎn)生反方向化學(xué)反應(yīng),而放出被吸收的HS、CO,使溶劑再生，各種化學(xué)吸收方法的工藝流程基本相同(圖4)。溶劑在吸收塔中與酸性天然氣逆流接觸，吸收HS、CO。凈化后的天然氣從吸收塔頂流出，脫水后外輸。吸收酸氣后的溶劑(富液)從吸收塔底流出，減壓后與再生后的溶劑(貧液)換熱，然后進(jìn)入再生塔。富液在再生塔中進(jìn)一步減壓,并由重沸器加熱,放出吸收的酸氣，成為貧液。酸氣從再生塔頂排出，經(jīng)冷卻、分離，送往硫黃回收裝置。貧液從再生塔底部流出，經(jīng)換熱、冷卻后，由溶液循環(huán)泵送至吸收塔，循環(huán)使用，常用的醇胺類溶液有一乙醇胺、二乙醇胺、甘醇胺、二異丙醇胺、甲基二乙醇胺等。一乙醇胺法從30年代開始逐步推廣，由于工藝成熟、溶劑反應(yīng)力強(qiáng)、變質(zhì)溶劑容易回收處理、價(jià)格較廉等，至今仍廣泛應(yīng)用于天然氣脫硫。60年代以來(lái)，二異丙醇胺法不斷得到改進(jìn)，也逐步得到推廣。

以堿性鹽類溶液為溶劑的脫硫方法,如熱鉀堿法,和在此法基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的卡塔卡勃(Catacarb)法、本菲爾德(Benfield)法等,主要用于處理CO含量較高的氣體。

物理吸收法 利用多乙二醇二甲醚、碳酸丙烯酯、N-甲基吡咯烷酮等有機(jī)溶劑,對(duì)烴類和HS、CO等酸氣組分的不同溶解度,在高壓下吸收天然氣中的酸氣組分,使之凈化。在再生過(guò)程中，壓力降低，溫度升高，釋出被吸收的酸氣組分,溶劑得到再生,上述吸收和再生純屬物理過(guò)程，溶劑和氣之間不產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。物理吸收法用于處理含CO高的天然氣。此外,一般還將砜胺法也歸屬于這一類。但砜胺法溶劑以環(huán)丁砜二異丙醇胺和水按一定比例配制而成，兼具物理吸收和化學(xué)吸收的作用。宜用于凈化高酸氣分壓的天然氣，并能部分脫除有機(jī)硫化物(如硫醇、硫醚、羰基硫等)。此法有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，應(yīng)用較廣泛。其流程與醇胺法類似,只是富液再生前,需先在一定壓力下閃蒸，除去所溶烴類。

液相直接氧化法 借加入堿性溶液中氧載體的作用，把被溶劑吸收的HS直接氧化為元素硫,然后用空氣鼓泡使溶劑再生。這類方法能選擇吸收酸性組分中的HS,用于處理HS含量低、CO與HS含量的比值高的天然氣,或用于處理硫黃回收裝置的尾氣。較有代表性的有:蒽醌法、改良砷堿法、鐵堿法等。

干床法 以海綿狀氧化鐵、分子篩、氧化鋅等固定床,脫除天然氣中的HS。海綿狀氧化鐵固定床脫硫是一個(gè)出現(xiàn)較早的方法，由于裝置龐大，不能回收硫黃等缺陷，目前僅用于處理分散而量少的低含硫天然氣。

硫黃回收 用化學(xué)吸收法和物理吸收法兩類脫硫裝置脫除的酸氣,須送往硫黃回收裝置用克勞斯(Claus)法回收硫黃。其原理是將酸氣中三分之一的HS燃燒成SO，然后在催化劑 (活性鋁礬土等)作用下與剩余的HS按下式反應(yīng)得到元素硫:2HS+SO─→3S+2HO。多數(shù)工業(yè)裝置采用兩級(jí)催化反應(yīng)，硫的轉(zhuǎn)化率可達(dá)90~96%。

為防止硫黃回收裝置尾氣中殘余HS和SO對(duì)環(huán)境的污染，還必須進(jìn)行尾氣處理。尾氣處理的方法很多，根據(jù)工廠硫黃產(chǎn)量和當(dāng)?shù)丨h(huán)境保護(hù)的要求選擇。位于人口稠密地區(qū)的大型工廠，通常采用的方法是將尾氣中殘余的SO,通過(guò)催化加氫,還原成HS;再用二異丙醇胺法或直接氧化法選擇性地脫除HS，如斯科特(Scott)法和比文(Beavon)法;脫除的HS返回硫黃回收裝置;處理后的尾氣經(jīng)灼燒后排入大氣。帶有這種尾氣處理裝置的天然氣處理廠，硫的總回收率可高達(dá)99.9%以上，排放的尾氣中SO含量不超過(guò)300ppm。

對(duì)于硫黃產(chǎn)量較小、經(jīng)兩級(jí)催化反應(yīng)后排放的尾氣達(dá)不到環(huán)境保護(hù)要求的克勞斯法裝置，可采用三級(jí)催化反應(yīng)或另加低溫克勞斯法裝置，如薩弗林(Sulfreen)法和克勞斯波爾(Clauspol)法裝置，使排放的尾氣達(dá)到環(huán)境保護(hù)要求。

直接來(lái)自氣井或經(jīng)脫硫后的天然氣一般都含有飽和的水蒸氣。在管道輸送過(guò)程中，隨著壓力和溫度的變化，可能析出凝結(jié)水，甚至結(jié)成冰或固體水合物,堵塞管道,影響天然氣輸送。凝結(jié)水還將使天然氣中的酸性氣體組分對(duì)鋼材起電化學(xué)腐蝕作用。因此，天然氣進(jìn)入輸氣系統(tǒng)前須經(jīng)脫水處理，使其露點(diǎn)較輸氣過(guò)程中最低環(huán)境溫度低5℃以上。

礦場(chǎng)天然氣脫水主要采用三甘醇(或二甘醇)作吸濕劑。甘醇在脫水塔中自上而下與天然氣逆流接觸。吸收其中水分，使天然氣的露點(diǎn)降低至符合輸氣要求，并送往輸氣系統(tǒng)或下一工序。吸水后的醇由塔底流出，經(jīng)換熱、加熱，氣提干天然氣，濃度提高后，用泵送往脫水塔循環(huán)使用，流程見圖5。

三甘醇法脫水的露點(diǎn)降一般可達(dá)50~70℃，對(duì)于露點(diǎn)降要求更高或含HS較高的天然氣,可采用分子篩、氧化鋁、硅膠、氯化鈣等作為吸附劑，進(jìn)行固定床吸附脫水。

回收天然氣中乙烷以上烴類的目的有二:①控制烴露點(diǎn)，使輸氣過(guò)程中不致有液烴析出，影響輸氣效率;②回收乙烷、液化氣(液態(tài)的丙烷、丁烷或兩者的混合物)、天然汽油，作為化工原料或液態(tài)燃料?；厥找簾N目前主要采用低溫凝析法，按照致冷方法，分為:利用天然氣自身"壓力能"的節(jié)流膨脹法或渦輪膨脹機(jī)法,以及外加冷源法。冷凝溫度一般低至-45℃或更低，視產(chǎn)品方案、經(jīng)濟(jì)效益，特別是回收乙烷的程度而定(圖6)。對(duì)于富含乙烷和丙烷以上烴類的油田氣，若以回收丙烷以上液烴為目的物，一般可采用冷凝溫度為-20~-25℃的外加冷源法，合理回收液烴。70年代以前，曾被廣泛采用的常溫或低溫油吸收法，因經(jīng)濟(jì)上缺少競(jìng)爭(zhēng)力，目前都已較少采用。

脫硫、脫水、液烴回收等處理過(guò)程是否需全部進(jìn)行，應(yīng)視天然氣組分和外輸氣體質(zhì)量要求而定，并與集氣系統(tǒng)統(tǒng)一考慮。如果天然氣中含有較高品位的氦等組分，也應(yīng)考慮提取。