天然氣集氣和處理

天然氣集氣和處理用集氣管網集中氣井所產天然氣，經分離計量，送往天然氣處理廠脫硫、脫水，回收硫黃和液烴，獲得符合標準的外輸天然氣的過程。

基本介紹

• 中文名：天然氣集氣和處理
• 技術類型：物理化學
• 技術目標：獲得符合標準的外輸天然氣
• 主要流程：集氣、脫硫、脫水、回收

過程概述

用集氣管網集中氣井所產天然氣，經分離計量，送往天然氣處理廠脫硫、脫水，回收硫黃和液烴，獲得符合標準的外輸天然氣的過程。
要著重考慮布局、輸送方式、集氣壓力等問題。集氣管網的布局取決於：

①氣田面積和形狀；

②地形和地物；

③氣田預期發展等。

基礎方式

集氣管網布局的基本方式有：放射狀、枝狀、環狀三種,也可組合使用（圖1）。集氣管網，根據所輸流體中的含液量，在容許的壓力降範圍內可採用單套管網氣、液混輸，也可在井場將氣和液先行分離，利用兩套管網氣、液分輸。如氣田有兩個以上氣藏同時開採，則應根據不同產層的氣體質量、壓力等情況設定多套管網。集氣管網的壓力根據地層壓力，氣液分離工藝和輸氣系統的壓力要求等因素確定。
氣田開採的後期，氣井的產量和壓力同時降低,在天然氣不能靠自身壓力進入集氣管網，又不能就地利用的情況下，可採用壓縮機集氣。礦場集氣一般選用專用的燃氣發動機帶動的往復式壓縮機機組，以適應排氣量和壓縮比兩者的不斷變化。機組可裝在井場或集氣站。若就近可取得大量高壓天然氣，又無其他制約條件，可採用以高壓氣帶低壓氣的引射器，採集低壓天然氣，使之進入集氣管網。
含硫氣田的集氣管網，常選用低碳鋼或抗硫低合金鋼管材，以防止硫化物造成應力腐蝕（見碳素鋼，合金鋼，應力腐蝕斷裂和氫脆）。
從天然氣中分出攜帶的地層水、凝結水、凝析油，以及從氣井帶出的少量砂子等固相物質。在氣田開發過程的主要階段，氣井的井口壓力一般都遠高於集氣管網的壓力,當節流降壓時，會產生焦耳-湯姆孫效應，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，堵塞管道和設備。礦場分離過程，根據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

天然氣集氣和處理

通過加熱防止形成水合物。來自井口的天然氣，先加熱，後節流降壓，再進入分離器。氣液分離後應分別計量（圖2）。加熱程度和降壓級數取決於井口溫度和井口壓力。常溫分離一般用於乾氣（戊烷及以上餾分含量少於10ml/m)，可在井場或集氣站進行。
低溫分離

天然氣集氣和處理

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凝析壓力以上，以防烴類凝析。然後向天然氣流中注入防凍劑，如甘醇等,並節流降壓,析出的凝析油進入低溫分離器。天然氣經換冷後輸出，凝析油吸水後的稀甘醇一起進入穩定塔,然後在油-甘醇分離器中分開,前者送往貯罐;後者經提濃後重複使用。低溫分離一般用於濕氣（戊烷及以上餾分含量高於10ml/m)。常在集氣站上集中進行。在含水量低時也可以不加防凍劑。
脫除天然氣中HS、CO等酸氣組分後外輸。方法大體有四類：
化學吸收法

天然氣集氣和處理

以醇胺類或鹼性鹽類溶液為溶劑，在吸收塔中吸收天然氣內HS、CO等酸性氣體組分，以淨化天然氣。然後在溫度較高、壓力較低的再生塔中產生反方向化學反應,而放出被吸收的HS、CO,使溶劑再生，各種化學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。淨化後的天然氣從吸收塔頂流出，脫水後外輸。吸收酸氣後的溶劑（富液）從吸收塔底流出，減壓後與再生後的溶劑（貧液）換熱，然後進入再生塔。富液在再生塔中進一步減壓,並由重沸器加熱,放出吸收的酸氣，成為貧液。酸氣從再生塔頂排出，經冷卻、分離，送往硫黃回收裝置。貧液從再生塔底部流出，經換熱、冷卻後，由溶液循環泵送至吸收塔，循環使用，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，由於工藝成熟、溶劑反應力強、變質溶劑容易回收處理、價格較廉等，至今仍廣泛套用於天然氣脫硫。60年代以來，二異丙醇胺法不斷得到改進，也逐步得到推廣。
以鹼性鹽類溶液為溶劑的脫硫方法,如熱鉀鹼法,和在此法基礎上發展起來的卡塔卡勃（Catacarb）法、本菲爾德（Benfield）法等,主要用於處理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溶劑,對烴類和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,使之淨化。在再生過程中，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程，溶劑和氣之間不產生化學反應。物理吸收法用於處理含CO高的天然氣。此外,一般還將碸胺法也歸屬於這一類。但碸胺法溶劑以環丁碸二異丙醇胺和水按一定比例配製而成，兼具物理吸收和化學吸收的作用。宜用於淨化高酸氣分壓的天然氣，並能部分脫除有機硫化物（如硫醇、硫醚、羰基硫等）。此法有較強的競爭力，套用較廣泛。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

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借加入鹼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,然後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,用於處理HS含量低、CO與HS含量的比值高的天然氣,或用於處理硫黃回收裝置的尾氣。較有代表性的有：蒽醌法、改良砷鹼法、鐵鹼法等。
乾床法

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出現較早的方法，由於裝置龐大，不能回收硫黃等缺陷，目前僅用於處理分散而量少的低含硫天然氣。
硫黃回收

用化學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，然後在催化劑 (活性鋁礬土等)作用下與剩餘的HS按下式反應得到元素硫:2HS+SO─→3S+2HO。多數工業裝置採用兩級催化反應，硫的轉化率可達90～96%。
為防止硫黃回收裝置尾氣中殘餘HS和SO對環境的污染，還必須進行尾氣處理。尾氣處理的方法很多，根據工廠硫黃產量和當地環境保護的要求選擇。位於人口稠密地區的大型工廠，通常採用的方法是將尾氣中殘餘的SO,通過催化加氫,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;處理後的尾氣經灼燒後排入大氣。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99.9%以上，排放的尾氣中SO含量不超過300ppm。
對於硫黃產量較小、經兩級催化反應後排放的尾氣達不到環境保護要求的克勞斯法裝置，可採用三級催化反應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，使排放的尾氣達到環境保護要求。
直接來自氣井或經脫硫後的天然氣一般都含有飽和的水蒸氣。在管道輸送過程中，隨著壓力和溫度的變化，可能析出凝結水，甚至結成冰或固體水合物,堵塞管道,影響天然氣輸送。凝結水還將使天然氣中的酸性氣體組分對鋼材起電化學腐蝕作用。因此，天然氣進入輸氣系統前須經脫水處理，使其露點較輸氣過程中最低環境溫度低5℃以上。
礦場天然氣脫水主要採用三甘醇（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，使天然氣的露點降低至符合輸氣要求，並送往輸氣系統或下一工序。吸水後的醇由塔底流出，經換熱、加熱，氣提乾天然氣，濃度提高后，用泵送往脫水塔循環使用，流程見圖5。
三甘醇法脫水的露點降一般可達50～70℃，對於露點降要求更高或含HS較高的天然氣,可採用分子篩、氧化鋁、矽膠、氯化鈣等作為吸附劑，進行固定床吸附脫水。
回收天然氣中乙烷以上烴類的目的有二：

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①控制烴露點，使輸氣過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燃料。回收液烴目前主要採用低溫凝析法，按照致冷方法，分為：利用天然氣自身“壓力能”的節流膨脹法或渦輪膨脹機法,以及外加冷源法。冷凝溫度一般低至-45℃或更低，視產品方案、經濟效益，特別是回收乙烷的程度而定（圖6）。對於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，一般可採用冷凝溫度為-20～-25℃的外加冷源法，合理回收液烴。70年代以前，曾被廣泛採用的常溫或低溫油吸收法，因經濟上缺少競爭力，目前都已較少採用。
脫硫、脫水、液烴回收等處理過程是否需全部進行，應視天然氣組分和外輸氣體質量要求而定，並與集氣系統統一考慮。如果天然氣中含有較高品位的氦等組分，也應考慮提取。

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