一种脱除天然气中CO2的工艺及装置的制作方法

本发明属于天然气加工领域，尤其是涉及一种脱除天然气中CO₂的工艺及装置。

背景技术：

天然气是石油的气态烃类采出物质，是优质燃料和化工原料。天然气中甲烷占绝大多数，另有少量的乙烷、丙烷和丁烷，此外一般还含有硫化氢、二氧化碳、水气等。天然气中的二氧化碳是油田生产中常见的腐蚀介质，也是天然气输送管道腐蚀的重要因素。腐蚀会造成天然气井套的断裂、输送管线爆破等故障。腐蚀造成的泄漏很可能引起火灾事故，给输气管道的安全运行造成威胁。此外，二氧化碳含量过高还会降低天然气的热值，使之无法满足我国商品天然气的技术指标所规定的要求。因此，有必要将天然气中富含的二氧化碳进行有效的脱除。

现有的天然气脱碳技术主要包括溶剂吸收法、膜分离法、低温分馏法、变压吸附法等几大类。溶剂吸收法又可进一步细分为醇胺法、热钾碱法、物理溶剂法等。醇胺法和热钾碱法是利用溶剂与CO₂发生化学反应而实现脱碳的方法。醇胺法主要集中在复配溶剂组份的选择和改进上。但醇胺法流程较复杂，设备腐蚀严重，溶液循环量大，能耗高，二氧化碳吸收效果不理想。热钾碱法的设备腐蚀问题也较严重，能耗也较高。物理溶剂法是利用CO₂在吸收剂中进行溶解而实现脱除的方法，该方法由于有一定量的烃类损失，用于天然气脱碳之前应先脱去天然气中的重烃。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种流程简单、能耗低、二氧化碳脱除率高的天然气脱碳工艺，该工艺属于物理溶剂法。该工艺不需加热，只需电能及少量冷却水，总能耗低，操作费用低，还可同时脱除少量的硫化氢和水，产品CO₂气纯度较高，且可以提高烃类的回收率。

本发明的工艺步骤为：含CO₂的原料天然气首先进行旋风分离，分离出游离的水、重烃及固体颗粒，旋风分离出来的天然气进入吸收塔底并与吸收塔顶注入的吸收剂接触，在3.0-12.0MPa下进行CO₂脱除，脱CO₂后的净化气自吸收塔顶排出，净化气CO₂含量可控制在0.5％-3％范围内，吸收塔底富液进行高压闪蒸，高压闪蒸压力为2.0-4.0MPa，高压闪蒸出的气体经循环压缩机循环至原料气中，高压闪蒸出的液体再进行中压闪蒸，中压闪蒸压力为1.0-2.0MPa，中压闪蒸出的气体经循环压缩机循环至原料气中，中压闪蒸出的液体再进行低压闪蒸，低压闪蒸压力为0.2-1.0MPa，低压闪蒸出的气体经循环压缩机循环至原料气中，低压闪蒸出的液体去常压解析，解析出CO₂、H₂S、H₂O和重烃，常压解析液再进行真空解析，进一步解析出CO₂、H₂S、H₂O和重烃，真空解析液作为循环吸收剂，经过溶剂循环泵升压至3.4-12.4MPa去吸收塔顶循环。

上述工艺中，高压闪蒸出的气体可以经高压压缩机循环至原料气中，中压闪蒸出的气体经中压压缩机循环至原料气中，低压闪蒸出的气体经低压压缩机循环至原料气中。另外，也可以将低压压缩机排出的气体与中压闪蒸气合并后进入中压压缩机，然后将中压压缩机排出的气体与高压闪蒸气合并进入高压压缩机，最终一起压缩后循环至原料气中。本发明的循环压缩装置在回收天然气时可以较大程度浓缩吸收塔中的二氧化碳，利于吸收。

为了充分利用系统能量，吸收塔底富液可经过高压液力透平降压后进行高压闪蒸，高压液力透平的动力再提供给溶剂循环泵；高压闪蒸出的液体经过中压液力透平降压后进行中压闪蒸，中压液力透平的动力提供给溶剂循环泵。

本发明的工艺采用的吸收剂为碳酸丙烯酯(PC)、或碳酸丙烯酯与二芥酰磷脂酰甘油(DEPG)的组合，原料天然气中CO₂的分压≥0.5MPa，C₃以上重烃含量≤2％，以减小重烃损失。

本发明还涉及一种脱除天然气中CO₂的装置，如图1所示，包括旋风分离器1、吸收塔2、高压闪蒸塔3、中压闪蒸塔4、低压闪蒸塔5、常压解析塔6、真空解析塔7、循环泵10、真空泵11、循环压缩装置12，原料天然气进气管路S0与旋风分离器1相连，初步分离的天然气出口管路S1的两端分别位于旋风分离器1顶部和吸收塔2底部，净化天然气排出管路S12位于吸收塔2顶部，吸收塔富液排出管路S2上设置高压液力透平8，S2的两端分别位于吸收塔2底部和高压闪蒸塔3顶部，高压闪蒸液排出管路S3上设置中压液力透平9，S3的两端分别位于高压闪蒸塔3底部和中压闪蒸塔4顶部，高压闪蒸气排出管路S101的两端分别连接高压闪蒸塔3顶部和循环压缩装置12，中压闪蒸液排出管路S4的两端分别位于中压闪蒸塔4底部和低压闪蒸塔5顶部，中压闪蒸气排出管路S102的两端分别连接中压闪蒸塔4顶部和循环压缩装置12，低压闪蒸液排出管路S5的两端分别位于低压闪蒸塔5底部和常压解析塔6顶部，低压闪蒸气排出管路S103的两端分别连接低压闪蒸塔5顶部和循环压缩装置12，循环压缩装置出气管路S11与原料天然气进气管路S0相通，常压解析气排出管路S8位于常压解析塔顶部，常压解析液排出管路S6的两端分别连接常压解析塔6底部和真空解析塔7顶部，真空解析气排出管路S9上设置有真空泵11，S9位于真空解析塔7顶部，S8和S9汇合后作为排气管路，真空解析液排出管路S7上设置有溶剂循环泵10，S7的两端分别连接真空解析塔7底部和吸收塔2顶部。

所述循环压缩装置12是由高压压缩机121、中压压缩机122以及低压压缩机123组成的压缩机组，高压闪蒸气排出管路S101与高压压缩机121相连，中压闪蒸气排出管路S102与中压压缩机122相连，低压闪蒸气排出管路S103与低压压缩机123相连，高压压缩机121的出气管路S111、中压压缩机122的出气管路S112以及低压压缩机123的出气管路S113与原料天然气进气管路S0相接。

此外，所述高、中、低压压缩机的管路也可以如图2设置：低压压缩机排出管路S113与中压闪蒸气排出管路S102相接，中压压缩机排出管路S112与高压闪蒸气排出管路S101相接，高压压缩机排出管路S111与管路S11相接。

本发明的装置利用高压液力透平8、中压液力透平9给富液降压并回收系统的能量，其中高压液力透平8设置在吸收塔富液排出管路S2上，中压液力透平9设置在高压闪蒸液排出管路S3上。

本发明具有的优点和积极效果是：1、能耗低，本发明只消耗电能，压缩机出口天然气冷却器可采用空冷器，或采用先空冷器后水冷器的方法，冷却水量很少，工艺能耗远低于eMDEA工艺能耗；2、吸收剂再生仅采用闪蒸，不需加热，不像其它工艺那样需要加热再生；3、产品CO₂气纯度较高，可燃天然气成分少，在重烃及H₂S含量不高时，产品CO₂纯度可高达97％以上；4、净化天然气回收率高，产品损失少；5、可同时降低饱和天然气中的水露点，后续天然气烃露点控制可不用加脱水装置，可同时满足天然气脱水TEG装置的要求；6、净化气中少量的H2S可同时被吸收，吸收率约95％。

附图说明

图1是本发明的装置示意图

图2是本发明装置采用第二种压缩机组时的示意图

图中：

设备：

1、旋风分离器 2、吸收塔 3、高压闪蒸塔

4、中压闪蒸塔 5、低压闪蒸塔 6、常压解析塔

7、真空解析塔 8、高压液力透平 9、中压液力透平

10、循环泵 11、真空泵 12、循环压缩装置

121、高压压缩机 122、中压压缩机 123、低压压缩机

管路：

S0、原料天然气进气管路

S1、初步分离的天然气出口管路

S2、吸收塔富液排出管路

S3、高压闪蒸液排出管路

S4、中压闪蒸液排出管路

S5、低压闪蒸液排出管路

S6、常压解析液排出管路

S7、真空解析液排出管路

S8、常压解析气排出管路

S9、真空解析气排出管路

S101、高压闪蒸气排出管路

S102、中压闪蒸气排出管路

S103、低压闪蒸气排出管路

S11、循环压缩装置出气管路

S111、高压压缩机出气管路

S112、中压压缩机出气管路

S113、低压压缩机出气管路

S12、净化天然气排出管路

具体实施方式

原料天然气处理量：100×10⁴m³/d(20℃，101.325kPa)

原料天然气组份：

工艺步骤如图2所示：10MPa、35℃的含CO₂的原料天然气首先进入旋风分离器1，分离出游离的水、重烃及固体颗粒；旋风分离器1出来的天然气经管路S1进入吸收塔2底部并与吸收塔顶注入的吸收剂碳酸丙烯酯接触，在9.9MPa压力下进行脱CO₂，脱CO₂后的净化气自吸收塔顶管路S12排出；吸收塔底富液经过高压液力透平8降压后经管路S2进入高压闪蒸塔3进行高压闪蒸，高压闪蒸压力为4.0MPa，高压闪蒸出的气体经管路S101进入高压压缩机121再循环至原料气中，高压闪蒸出的液体经过中压液力透平9降压后经管路S3进入中压闪蒸塔4进行中压闪蒸，中压闪蒸压力为1.5MPa，中压闪蒸出的气体经管路S102进入中压压缩机122循环至原料气中，中压闪蒸出的液体降压后经管路S4进入低压闪蒸塔5进行低压闪蒸，低压闪蒸压力为0.5MPa，低压闪蒸出的气体经管路S103进入低压压缩机123循环至原料气中，低压闪蒸出的液体经管路S5去常压解析塔6，解析出CO₂、H₂S、H₂O和少量重烃并经管路S8排出，常压解析液经管路S6进入真空解析塔7，进一步解析出CO₂、H₂S、H₂O和少量重烃并经管路S9排出，真空解析液作为循环吸收剂，经过溶剂循环泵10升压至10.4MPa经管路S7去吸收塔顶循环。

C1回收率为99.88％，C2回收率为80％；

净化气中CO₂的含量1.42％；

净化气中H₂O为0％，通过装置后，饱和的天然气变为非常干的天然气，后续天然气烃露点控制可不用加脱水装置；

产品CO₂气的纯度为95.4％；

产品CO₂的气量为：9.88x10⁴m³/d(20℃，101.325kPa)；

净化天然气：90.1x10⁴m³/d(20℃，101.325kPa)；

H₂S的收率为98％。

以上描述了本发明的优选实施方案，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方案做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。