天然气凝液回收工艺参数分析研究

王霞　陈远胜　张立军

【摘 要】天然气凝液回收是当前国际油价低迷的情景下各油气田新的经济增长点，围绕国内外天然气凝液回收工艺发展的现状，从凝液回收工艺特点和影响回收工艺参数的主要因素方面进行探索分析，确定最佳工艺参数条件的是提高天然气凝液回收率的有效途径，这对扩大天然气资源的高效加工利用具有指导意义。

【关键词】天然气凝液；冷凝分离；回收工艺；参数分析

Analysis and Study on The Parameters of NGL Recovery Process

WANG Xai CHEN Yuan-sheng ZHANG Li-jun

（1.Chongqing University of Science and Technology，Chongqing 401331，China；

2.ENN Energy Holdings Limited，Langfang Hebei 065000，China；

3.The New Energy Engineering Technology Co.Ltd.，Langfang Hebei 065000，China）

【Abstract】NGL recovery is a new economic growth point of various oil and gas fields under the current international oil price downturn scenario. On the current situation of the NGL recovery process development at our country and abroad，exploring and analyzing from the aspect of the characteristics of NGL recovery and the main factors that affect the process parameters，to highlight that the determination of the best process parameters is an effective way is to improve NGL recovery rate，which has guiding significance for expanding efficient processing and utilization of natural gas resources.

【Key words】NGL；Condensing；Separation；Recycling technology；Parameter analysis

0 引言

天然氣凝液回收是将天然气中相对于甲烷、乙烷等更重组分的烃液以液态形式回收的过程。凝液的回收及综合利用率标志着油气田开发水平的高低，也体现一个国家在石油化工等方面的技术水平。随着当前国内外天然气凝液回收技术正朝着低能耗、高回收率的发展方向，探索出针对天然气凝液回收工艺的合理参数，提高凝液回收率，对提升天然气资源有效利用率具有重要的现实意义。

1 凝液回收技术发展现状

早在1904年，美国建立了第一座轻油回收工厂，迄今已有上百年的历史。国外的凝液回收工艺技术相对国内较先进，一些国家在提高加工深度、增加凝液回收率、合理利用油气资源方面都取得了显著成就。自20世纪70年代以来，国外凝液回收技术对准了以节能降耗、提高凝液收率为目标。以低温分离工艺为主，在少投资、深分离、高收率、低能耗、撬装化、自动化方面取得了长足发展。在此基础上，对凝液回收装置进行一些列改进后出现了诸多新工艺如：液体过冷工艺（LSP）、气体过冷工艺（GSP）、残余气循环工艺（RR， residue recycle）、冷残余气循环工艺（CRR， cold residue recycle）、直接换热法（DHX）等。目前，在美国天然气凝液回收率已达到80%以上，凝液产量与原油产量之比达1：5逐步扩大天然气使用。在加拿大，天然气凝液日产量达到m3其中乙烷回收占m3，显著提高了天然气资源的再利用率。

我国的天然气凝液回收技术开始于20世纪60年代，一直以来由于受到国内技术水平的限制，凝液回收率较低且回收的产品仅用作工业生产或作民用燃料。近几年，随着我国石油工业的快速发展和世界石油能源危机，回收天然气中的凝液加以利用成为各油气田新的经济增长点，极大地促进了我国凝液回收技术的进步，但与国外先进技术水平仍存在一定的差距。主要表现为：

1）回收产品主要来自油田伴生气，天然气凝液回收率已达到国际先进水平，但是总产量不大，仅占原油产量的0.5%～1%。

2）除少数大型装置和乙烷回收装置外，其余装置规模均较小，分离深度低，回收率小。当脱硫不彻底时，凝液中硫含量会出现超标现象。

3）因国内回收装置（设备）技术尚未达到国际先进水平，则从国外引进先进设备，但对设备的部分功能和最佳运行参数未能完全掌握，使之凝液回收率不高。

2 凝液回收工艺

天然气凝液回收可在油、气田矿场进行，也可在天然气处理厂、气体回注厂中进行。目前，凝液回收的基本方法主要有：吸附法、冷油吸收法和冷凝分离法等。

2.1 固定床吸附工艺

固体吸附法原理是利用固体吸附剂对不同种类烃的吸附量不同，使天然气中某些组分得以分离。固定床吸附装置一般处理量为m3/d的小流量天然气。吸附塔中填满固体吸附剂如：颗粒状或片状的活性氧化铝、活性炭等。向吸附塔中通入源源不断的湿天然气，吸附剂吸附湿天然气中的重烃、水蒸气等直至饱和，然后向吸附塔通入少量260℃热气流，脱出吸附剂里饱和的重烃并冷却，最后对脱出的重烃分离成所需产品。

固体吸附法的优点是装置比较简单，无需要特殊材料的设备，投资少；缺点是需要几个吸附塔切换操作，产品的局限性大，加之能耗较大、成本高，燃料气消耗约为所处理气量的5%（油吸附法一般在1%以下），因而目前应用较少。

2.2 冷油吸收工艺

冷油吸收工艺是在较高压力下，通过外部冷冻装置冷却的吸收油与原料天然气直接接触，将天然气中的凝液洗涤吸收，然后在较低压力下将凝液解吸出来，解吸后的贫油循环使用。

采用此方法丙烷的收率达80%～90%，乙烷收率20%～60%，欲进一步提高丙烷收率，则需低分子量的吸收油，这将使解吸过程中吸收油损失增加。该工艺由于投资和操作费用较高，近年来已经逐步被冷凝分离工艺法所取代。

冷油吸收法的优点是系统压降小，设备允许采用碳钢，对原料气预处理没有苛刻要求，单套装置处理量较大（最大可达到m3/d；缺点是该工艺吸收油投资和操作费用较高，近年来逐渐被更经济与先进的低温冷凝分离工艺所取代。

2.3 低溫冷凝分离工艺

冷凝分离工艺利用原料中各组分冷凝温度不同，在逐步降温过程中依次将较高沸点烃类冷凝分离出来。该工艺具有流程简单、易操作、运行成本低、对被分离天然气组分适应性大、凝液回收率高等优点，目前在凝液回收技术中处于主流地位。低温冷凝分离工艺主要包括冷剂制冷、膨胀机制冷、热分离机制冷及复合制冷工艺等。

2.3.1 冷剂制冷法

冷剂制冷工艺分为吸收式制冷和压缩式制冷两种。吸收式制冷是直接利用热能制冷，目前在凝液回收中应用较少；压缩式制冷是一种变相制冷，即利用液体冷剂汽化成气体时的吸热效应制冷。根据被分离气体的压力、组分及分离深度要求，制冷介质可是氨、氟利昂、丙烷或乙烷，也可采用多种制冷剂配合使用。制冷循环可以是单级或多级串联，也可是阶式制冷循环。由于环保因素，在新建装置中大都采用丙烷制冷。

2.3.2 膨胀机制冷法

膨胀制冷工艺应用的前提是原料气与外输干气是否有一个较高的压力差可利用，其核心是通过膨胀机将气体的压力能转化为机械能并产生冷量。我国采用单纯膨胀制冷工艺（ISS）的凝液回收装置规模较小，中低压时，膨胀机做功量小，制冷温度一般可达-20℃～60℃，有时可达 -70℃～86℃。对技术和工艺进行深度研究时发现，若要获得高回收率或充分利用原料气的高压能，可采用多级膨胀制冷工艺（MTP）。

2.3.3 复合制冷法

复合制冷工艺采用两种或两种以上的制冷方式进行凝液回收。由于回收温度要求较低，一方面，采用单一制冷方式很难达到，另一方面，由于膨胀机的带液温度较高，对富含重烃的天然气不适宜。因此，凝液回收工艺多采用外加冷剂循环制冷作为辅助冷源，膨胀机制冷作为主要冷源，并采用逐级冷冻和逐级分离凝液的方式来降低冷量消耗和提高冷冻深度，以达到较高的凝液回收率，最大限度的回收天然气中的凝液。

上述几种凝液回收工艺都有其不同适用范围、条件，各有利弊，工艺选取时应综合考虑经济和分析参数对工艺的影响并做出合理的选择。

3 工艺参数对凝液回收的影响

3.1 气体组成影响

天然气的组分主要为甲烷，其余为天然气凝液、H2S（包括有机硫化合物）、CO2、N2、He等。大部分气田产出天然气中甲烷之外的组分含量较少，其中油田伴生气和凝析气田气中甲烷含量一般为65%～80%，含有一定量的C2～C3烃类成分；含硫气田天然气中还含有极少量He。

天然气组成对凝液回收工艺方法的选择及流程安排有重要影响。由运行工况知，在温度为-50℃、冷凝压力为4MPa时，乙烷的液化率为30%而丙烷液化率为70%，则不同组成的天然气，其在相同温度和压力条件下的液化率不同。因此，当气质较富（如油田伴生气）时，回收凝液就需更多的冷量，应选择能耗较低的方法。天然气中若含有CO2或H2S等杂质，在流程中则需增设脱酸、脱硫工艺。

3.2 温度及压力影响

多组分系统在一定压力下达到其露点时，开始出现液相，随着温度的降低，较重的烃类的液化率急剧增大，到一定的程度后重烃凝液在更低温度下出现同样的趋势。则不同温度下，气相的量和组分是不同的。因而，凝液回收时，天然气的温度、压力、气相量和组分间相互影响。

因此，在工艺选择则时，需综合考虑压力、温度等条件的影响。特别是原料压力与外输干气压力之间的压差决定工艺方法有无压能可利用，并压差大小影响装置整体经济性。如当原料气压力显著高于外输干气压力时（如气田气），综合利用其压差采用膨胀制冷工艺。对于某些组分，压力增高，其沸点也相应增高，对于低压原料气（如油田伴生气），为达到较好的冷凝效果，需设压缩机增压。由运行工况知，当冷凝压力在4MPa时，-30℃ 与-50℃时，对应丙烷的液化率分别为45%和78%；当冷凝温度在-50℃，要达到30%的相同凝液回收率，乙烷需要的冷凝压力为4.5MPa，丙烷对应的冷凝压力为1MPa。可知，冷凝温度、冷凝压力对于天然气凝液回收率有着紧密的联系。

3.3 天然气处理量影响

天然气处理量决定了装置的整体规模，较小的装置则宜选择投资不大的工艺，小型的天然气凝液回收装置的价位约为几百万；当较大的装置可选择投资较大而效率较高工艺，一套大型凝液回收装置的价位上亿；因此，在选择装置时，需要综合考虑多因素。

3.4 产品方案影响

生产装置的产品方案中所要求的乙烷收率或丙烷收率对工艺选择也有重要影响。当需要大量回收乙烷以制备乙烯时，冷冻温度为-45℃～-100℃，应采用深冷分离工艺；当需回收轻油或部分液化石油气（LPG）及要求较高的丙烷收率时，冷冻温度为-20℃～-35℃，应采用浅冷分离工艺。

4 结论

通过对天然气凝液回收工艺技术现状分析，剖析了不同凝液回收工艺特点，探讨了天然气凝液回收工艺参数确定的关系，可知：

1）应天然气凝液回收深度不断提升的要求，当前低温冷凝分离工艺仍处于天然气凝液回收领域的主导地位，可预见未来天然气凝液回收必然向着投资少、深分离、高收率、效益高、低能耗、模块集成化、撬装化和全自动化的方向发展。

2）不同组分的天然气凝液回收工艺针对一定条件的天然气条件（组分、压力、温度和处理量等）而设计，若某一工艺参数发生较大变化则凝液回收工艺也应进行相应的改变，才能保证较高的凝液回收率和良好的经济效益。

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[责任编辑：田吉捷]