赵新

摘 要：天然气脱碳工艺有很多种，本文主要优化天然气脱碳工艺，有效的降低能耗，提升资金利用率。

关键词：天然气;脱碳;工艺

天然气是一类常见的清洁型能源，受到人们的青睐。油气田生产过程中，要对天然气进行有效的净化处理，除去其中的有害成分，达到净化的效果。天然气净化的主要步骤是脱碳，能够有效的降低二氧化碳的含量。本文分析高效的天然气脱碳工艺，提升脱碳效果，降低成本。

1 天然气脱碳工艺

天然气脱碳是将天然气分解成固体碳和氢，甲烷是天然气（天然气）的主要载体，甲烷分解反应如下：

CH4→C+2H2（ΔHO=32.43kJ/molH2）

甲烷分解反应是吸热的，需要施加能量来去除强的C-H键，能量要求意味着开始甲烷分解需要温度超过500℃，在1100℃以上达到高转化率，使用不同的催化剂，转化率从500℃时的10%到1050℃时的95%。催化剂在工业规模实施过程中表现出一些困难，这是由于金属催化剂中活性表面的积炭或含碳催化剂表面性质的降低而导致的失活，特别是在非均相催化剂的情况下，其再生依赖于焦炭的空气氧化，产生二氧化碳并有烧结的风险。催化热脱碳最相关的实现是基于流化床反应器的HYPRO工艺，还有其他技术选择提供了开发天然气分解的可能性。从90年代开始，利用等离子弧驱动甲烷裂解已经在工业层面上进行了尝试，生产能力为500kg/h纯碳和2000Nm3/h氢气。基于等离子体技术生产含碳气溶胶也可以作为天然气脱碳的主要方式，直接热裂解可以在相对较高的温度（高于1000℃）下以合理的转化率进行甲烷分解，从而为反应器提供合适的甲烷停留时间。在非常高的温度下，温度超过1500℃，当反应动力学非常快时，可以起到很好的效果，这些方法的主要问题之一是从反应器中提取碳，在高温下形成非常坚硬的石墨沉积物。

2 天然气脱碳中高效吸收剂与工艺流程的优化

2.1 伴生天然气

伴生天然气中的二氧化碳含量高，流动性强，分压高，给CO2分离处理带来了技术难题。油田单井伴生天然气具有以下特点：①含碳量高达91%;②高烃含量（C5+）为1.12%，占总烃量的8.6%;③不含氧气或硫化物气体;④由于是液态原油，在加入分离过程之前应先进行气体分离系统;⑤无水蒸气成分;⑥压力范围为0.3-0.6MPa（G）。通过对伴生天然气成分的分析，发现伴生天然气中二氧化碳含量较高（>15%）。本次研究优化了一套适用于油田10万Nm3/d规模大型站场的工艺流程，原料气中的CO2和CH4含量分别为20mol%和80mol%。

2.2 天然气脱碳模拟优化过程

大多数CO2捕集过程在吸收塔和解吸塔方面都是相似的，尽管可以进行一些修改以降低能耗。本次研究建立CO2捕集系统的完整流程，提取气体时，首先通过预处理系统进行处理，预处理系统包括油气分离塔、重烃脱除系统、过滤器和气体预热器，以除去油和重烃成分。通过预处理系统的气体，随后被送入吸收塔，伴生天然气中的二氧化碳被溶剂吸收。废气随后从吸收塔顶部排放到处理网络中，从塔底装载二氧化碳，富胺液被泵入富贫胺液换热器，高温富胺液返回解吸塔。溶解的二氧化碳和水蒸气被冷却、分离和除去，同时，可获得纯度为99%（干基）的二氧化碳气体，然后输送至层序段。贫胺液在二氧化碳释放后从解吸塔排出，高温贫液和低温富液在换热器内换热后通过泵和冷却器。新的贫液是低温贫液和二氧化碳产品气的液体的混合物，进入吸收塔进行新的吸收过程，从而形成了溶剂连续吸附和解吸的过程。选用苏尔寿公司的MELLAPAK 250Y作为规整填料，以达到最小的压降。

2.3 天然气脱碳中高效吸收剂应用与反应原理

将MDEA和MEA作为天然气脱碳的高效吸收剂，MDEA

（甲基二乙醇胺，C5H13NO2）稳定，不腐蚀碳钢。由于MDEA是弱碱性的，吸收酸性气体后更容易解吸，再生可以在低压下通过闪蒸进行，从而显著节约能源。然而，MDEA的CO2解吸率较低。MEA（单乙醇胺，C2H7NO）具有吸收速度快、吸收容量小、腐蚀性强等特点，其导致能耗较大，容易被SO2和O2氧化。在各种应用中，CO2捕集是通过单一胺或胺/哌嗪（PZ）促进的吸附剂实现的。然而，混合型MEA/MDEA吸收剂的去除率高于单组分吸收剂，具有额外的经济效益。

2.4 天然气脱碳模型建立

2.4.1 热力学模型

结合Aspen Plus提供的MEA-MDEA-CO2-H2O系统的嵌入式模型，建立了一个热力学模型。将Aspen Plus从其物理性能数据库中推荐的二元相互作用参数和电解液对用于MEA-MDEA-CO2-H2O系统。分别使用Ehrlich状态方程和电解质-NRTL（非随机双液）方法计算汽相和液相的性质。亨利定律适用于CO2和CH4，并从Aspen Plus软件中检索出这些物种的亨利常数。

2.4.2 基于费率的模型

还使用Aspen Plus开发了一个基于速率的模型，以模拟前一节中列出的伴生天然气参数下的MEA+MDEA组合吸收。基于速率的模型是使用嵌入在Aspen Plus中的RadFrac模块开发的，该模块将吸收柱分为多个阶段，并计算每个阶段的传质、传热、化学平衡、反应动力学、水力特性和界面行为。为了正确计算使用水性MEA/MDEA吸收剂的复杂吸收过程，基于速率的模型必须考虑MEA-MDEA-CO2-H2O系统的热力学、CO2与含水MEA和MDEA的反应動力学，以及控制质量和传热的Radfrac模型参数。动力学化学概述如下：

KINETIC MEA+CO2+H2O=MEACOO+H3O

2.4.3 模型验证

以二氧化碳浓度为主要指标，通过实验数据与模拟数据的比较，验证了基于速率的模型，捕捉天然气中的酸性气体二氧化碳，验证了基于速率的模型的可靠性，这表明实验结果和模拟结果几乎没有变化。在天然气中的二氧化碳捕集过程中，采用基于速率的模型进行能耗和过程分析。因此，基于速率的模型可以可靠地预测胺溶剂对二氧化碳和甲烷体系的捕集。在模拟过程中，二氧化碳捕集率设定为90%，主要目的是分析关键工艺参数对贫液流量和能耗的影响，有效的降低能耗和脱碳成本。

2.5 结果分析

2.5.1 吸收塔填料高度和尺寸的影响

将预取吸收塔入口贫溶剂的温度设置为313.15K。为达到气体纯度要求，分析了在不同操作压力下，循环所需溶剂量与填料高度的函数关系。贫溶剂的流速随着富胺的CO2负载从1-4m降低，表明由于气体和液体之间的接触时间较短，溶剂未与CO2完全接触。因此，随着填料高度和反应时间的增加，富胺的溶剂循环和CO2负载量发生了显著变化。当填料高度为>8m时，吸收塔中的反应时间足够长。随着填料高度的增加，反应时间变化不大。因此，贫胺液的流量和富胺液的二氧化碳负荷在该点之后基本保持不变。

2.5.2 贫胺液入口温度的影响

为了消除填料高度对吸收过程的限制作用，选择了10m的填料高度，分析了吸附温度对溶剂循环和富胺中CO2负荷的影响。假设吸附过程基本上不受填充高度的影响。因为二氧化碳与醇胺溶剂的反应是放热的，所以低温是有利的。循环溶剂的量随着吸收温度的升高而增加。当吸收温度从298.15上升到348.15k时，溶剂循环量增加了约1.55倍。随着吸收温度的升高，胺溶剂中CO2的平衡浓度降低，富胺中CO2的浓度降低。随着压力的增加和循环流量的减少，二氧化碳的负荷增加，可以起到良好的脱碳效果

3 结语

天然气作为一种清洁能源，其在生产时容易混合二氧化碳。因此，要进一步完善天然气的脱碳工艺，改善脱碳效果，有效降低脱碳过程中产生的成本。

参考文献：

[1]刘可，王向林，袁庆洪，梁莉，余军，杨威.高酸性天然气脱硫脱碳工艺技术研究[J].石油与天然气化工，2020，49 （03）：14-20.

[2]杨仁杰，曹洁，李绍元，余中，罗强.天然气深度脱碳分流解吸工艺研究[J].石油与天然气化工，2020，49（03）：29-33.