CN108329962B - 天然气中氮气脱除的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了天然气中氮气脱除的方法，包括：(1)将含氮原料天然气输入变温吸附系统(2)进行重烃预脱除，得到预净化气；(2)将预净化气输入第一段变压吸附系统(5)对烃类进行吸附；(3)将在第一段变压吸附系统(5)中被吸附的烃类解吸附，获得合格的天然气。本发明还提供了天然气中氮气脱除的装置，包括：变温吸附系统(2)、第一段变压吸附系统(5)和第二段变压吸附系统(10)。本发明的方法和装置能够有效脱除原料天然气中的氮气，提高甲烷收率。

Description

天然气中氮气脱除的方法和装置

技术领域

本发明涉及天然气脱氮的技术领域，具体地，本发明涉及一种利用变压吸附来脱除天然气中氮气的方法和装置。

背景技术

近20年来，能源价格不断升高，相对劣质的天然气资源开始被引起重视并进行开发利用，如页岩气、砂岩气等，这些天然气中含有5-40％的氮气。另外，氮气也大量存在于采油厂采用注氮工艺作为增产措施(EOR)而采出的天然气中。截止2015年年底，中石化西北分公司已累计实施单井注氮265口，累注氮量24432万方；单元注氮井36口，累注氮量12794万方。仅2015年累计增油43.5万吨，提高采收率6％左右，注氮提高原油采收率在塔河油田取得了较好的效果。但随着注氮规模的扩大，伴生气中氮气含量也不断上升，外部分天然气中氮气含量最高达18.33％，外销气最高达9.77％。因此开发一种经济适用的天然气脱氮工艺就有着重大意义。

目前含氮天然气脱氮可分为：低温精馏法、溶剂吸收法、变压吸附法；低温精馏法利用氮/甲烷沸点不同而进行分离，首先需要将原料气全部或部分液化，再进行精馏分离，因而不仅工艺流程复杂，而且脱氮成本非常高，仅适用于液化天然气工厂中氮气的脱除。溶剂吸收法采用烃类溶剂，在低温下氮、甲烷在溶剂中的溶解度不同而将天然气中的氮气分离脱除，该法适用于压力高、规模大的天然气净化工厂，但天然气中烃类的回收率偏低。对于小规模的含氮天然气，

美国专利6444012B1提供了一种天然气中氮气脱除方法，该专利采用两段变压吸附方法，第一段变压吸附采用吸附氮气的吸附剂将天然气中的重烃和氮气脱除，第二段采用富甲烷气体周期性的加热再生吸附剂；该专利难以实施的问题在于一方面开发一种易于同时吸附重烃和氮气而不吸附(或少吸附)甲烷的吸附剂具有相当的难度，另一方面，加热再生吸附塔的时间一般远远大于降压(包活抽真空方式)再生吸附剂的时间，在实际工程中也难以实现。

中国专利CN85103557A提供了一种从瓦斯气中富集甲烷的方法，该专利采用对甲烷吸附能力较强的吸附剂，为提高产品气中甲烷浓度，采用产品富甲烷气对吸附剂床层进行置换，其目的是用吸附能力强的甲烷把尚残留在床层内的氮、氧、氩组分置换出去，使床层中甲烷浓度大幅度提高，但在置换过程中将造成更多甲烷的损失。

总体而言，目前还没有一种经济有效的脱除天然气中氮气的方法。

发明内容

本发明的发明目的是针对现有技术的缺陷，提供一种利用变压吸附来脱除天然气中氮气的方法和装置。

一方面，本发明提供了一种天然气中氮气脱除的方法，包括如下步骤：

(1)将含氮原料天然气输入变温吸附系统2进行重烃预脱除，得到预净化气；

(2)将预净化气输入第一段变压吸附系统5对烃类进行吸附；

(3)将在第一段变压吸附系统5中被吸附的烃类解吸附，获得合格的天然气。

前述的方法，进一步包括：(4)将从第一段变压吸附系统5自压流出的富含氮气的混合气输入第二段变压吸附系统10对所述富含氮气的混合气中包含的烃类进行吸附，并分离氮气。

前述的方法，将步骤(4)中的所述氮气输送回步骤(1)用作所述变温吸附系统2的再生气。

前述的方法，将在第二段变压吸附系统10中被吸附的烃类解吸附并输送回步骤(2)与所述预净化气合并。

前述的方法，步骤(1)中，所述重烃包括碳原子数在4以上的烃类。

前述的方法，步骤(1)中，所述原料天然气的压力是0.3MPa至2.0MPa。

前述的方法，步骤(1)中，所述变温吸附系统2中的吸附剂是活性炭、硅胶和分子筛中的任意一种或多种，优选是中孔活性炭和/或硅胶。

前述的方法，步骤(1)中，所述变温吸附系统2的吸附压力是0.3MPa至3.0MPa，优选是1.0MPa至2.0MPa。

前述的方法，步骤(2)中，所述第一段变压吸附系统5中的吸附剂是活性炭、硅胶和分子筛中的任意一种或多种，优选是微孔活性炭和/或分子筛。

前述的方法，步骤(2)中，所述第一段变压吸附系统5的吸附压力是0.3MPa至3.0MPa，优选是1.0MPa至2.0MPa。

前述的方法，步骤(4)中，所述第一段变压吸附系统10中的吸附剂是活性炭、碳分子筛、硅胶和分子筛中的任意一种或多种，优选是微孔活性炭和/或碳分子筛。

前述的方法，步骤(4)中，所述第二段变压吸附系统10的吸附压力是0.3MPa至3.0MPa，优选是1.0MPa至2.0MPa。

另一方面，本发明提供了一种天然气中氮气脱除的装置，包括：变温吸附系统2和第一段变压吸附系统5；其中，变温吸附系统2包括2台以上的并联的变温吸附塔，第一段变压吸附系统5包括3台以上的并联的变压吸附塔；变温吸附系统2前连接有原料输入管道1，变温吸附系统2通过混合气输送管道3与第一段变压吸附系统5相连；第一段变压吸附系统5的吸附塔底部连接有产品气输出管道6。

前述的装置，进一步包括设置在所述第一段变压吸附系统5后的第二段变压吸附系统10；第二段变压吸附系统10包括3台以上的并联的变压吸附塔；第一段变压吸附系统5通过中间气输送管道9与第二段变压吸附系统10相连。

前述的装置，所述第二段变压吸附系统10的吸附塔顶部设置有氮气输送管道16，氮气输送管道16的另一端连接在所述变温吸附系统2顶部。

前述的装置，所述第二段变压吸附系统10通过顺序设置的管道11、真空泵12、管道13、压缩机14和管道15与混合气输送管道3相连。

相对于现有技术，本发明的技术方案具有天然气中氮气脱除率高且烃类回收率高的有益效果。

附图说明

图1是本发明实施例的利用变压吸附来脱除天然气中氮气的装置的示意图。

具体实施方式

为了充分了解本发明的目的、特征及功效，通过下述具体实施方式，对本发明作详细说明。本发明的工艺方法除下述内容外，其余均采用本领域的常规方法或装置。除非另有说明，否则本发明中涉及的术语均具有本领域技术人员通常理解的含义。

针对目前天然气中氮气脱除方法的工艺复杂且效率低下的问题，本发明提供一种利用变压吸附来脱除天然气中氮气的方法和装置。

第一方面，本发明提供了一种利用变压吸附来脱除天然气中氮气的方法，包括如下步骤：

步骤(1)：脱除原料天然气中的重烃。具体地，将原料天然气输入变温吸附系统2进行重烃预脱除，得到预净化气。

天然气尤其是油田伴生天然气中，气体组成非常复杂，除含有CH₄、N₂以外，还含有从C2至C12烃类，其中C4+烃类(碳原子数在4以上的烃类)在吸附剂上极易吸附，但在变压吸附再生条件下(降压、抽真空)则难以解吸而逐渐累积，将造成变压吸附系统之吸附剂的失效。因此原料气在进入变压吸附系统以前，须将C4+预先脱除。

变温吸附系统2采用经典的变温吸附工艺，其中至少一个吸附塔处于吸附状态，另外的吸附塔处于再生状态的不同阶段(加热再生阶段和冷却再生阶段)，在加热再生阶段，将吸附剂上吸附的C4+加热解吸出来，吸附剂得到再生。2台以上的吸附塔经过周期性的吸附、再生过程，达到连续处理原料天然气的目的。变温吸附后天然气中的C4+总量应小于0.1％(mol)。

原料天然气的压力为0.3MPa至2.0MPa，变温吸附系统2的吸附压力是0.3MPa至3.0MPa，且优选是1.0MPa至2.0MPa。变温吸附系统2中的吸附剂是活性炭、硅胶和分子筛中的任意一种或多种，优选是中孔活性炭和/或硅胶。

步骤(2)：吸附原料天然气中的烃类。具体地，将预净化气输入第一段变压吸附系统5对烃类进行吸附，并分离富含氮气的混合气。

步骤(3)：获得满足商用天然气热值要求的产品天然气。具体地，将在第一段变压吸附系统5中被吸附的烃类解吸附，获得合格的天然气。

优选地，本发明的方法还包括步骤(4)：进一步回收烃类。具体地，将所述富含氮气的混合气输入第二段变压吸附系统10对所述富含氮气的混合气中包含的烃类进行吸附，并分离氮气。

第一段变压吸附系统5分离混合气体，无法在吸附相和非吸附相都同时获得高纯度或高收率的两种产品，尤其是在吸附剂上两种分离系数不是特别大的气体的分离更是如此。为了获得高热值的产品天然气，本发明优选采用两段变压吸附的方法，即第一段变压吸附操作时提高非吸附端氮气中的甲烷浓度，可提高从吸附剂中解吸出来的包括甲烷在内的烃类，经逆放和真空过程抽出的气体为合格产品天然气。高压端富含氮气的中间气体送入第二段变压吸附脱除氮气。

第一段变压吸附系统5吸附高压端未被吸附剂吸附的氮气和甲烷，经过第二段变压吸附系统10进一步进行氮气和甲烷的分离，该段变压吸附控制非吸附端氮气中的甲烷在0.1-3％。优选地，将在第二段变压吸附系统10中被吸附的烃类解吸附并输送回步骤(2)与所述预净化气合并。优选地，将步骤(4)中的所述氮气输送回步骤(1)用作所述变温吸附系统2的再生气。经逆放和真空过程抽出的气体富甲烷气体，经压缩后返回第一段变压吸附入口，这是本发明的特点之一，目的是提高烃类的收率。将中间气中的氮气和甲烷分离，进一步吸附回收甲烷，有利于提高产品回收效率。

第一段变压吸附系统5和第二段变压吸附系统10中的吸附剂是活性炭、碳分子筛、硅胶和分子筛中的任意一种或多种。优选地，第一段变压吸附系统5中的吸附剂是微孔活性炭和/或分子筛。优选地，第二段变压吸附系统10中的吸附剂是微孔活性炭和/或碳分子筛。第一段变压吸附系统5和第二段变压吸附系统10的吸附压力分别是0.3MPa至3.0MPa，且优选是1.0MPa至2.0MPa。

第二方面，本发明提供了一种利用变压吸附来脱除天然气中氮气的装置，包括：变温吸附系统2和第一段变压吸附系统5；其中，变温吸附系统2包括2台以上的依次串联的变温吸附塔，第一段变压吸附系统5包括3台以上的依次串联的变压吸附塔；变温吸附系统2前连接有原料输入管道1，变温吸附系统2通过混合气输送管道3与第一段变压吸附系统5相连；第一段变压吸附系统5底部连接有产品气输出管道6。

优选地，本发明的装置进一步包括设置在第一段变压吸附系统5后的第二段变压吸附系统10；第二段变压吸附系统10包括3台以上的依次串联的变压吸附塔；第一段变压吸附系统5通过中间气输送管道9与第二段变压吸附系统10相连。

优选地，第二段变压吸附系统10通过顺序设置的管道11、真空泵12、管道13、压缩机14和管道15与混合气输送管道3相连。

变温吸附系统2的各变温吸附塔、第一段变压吸附系统5和第二段变压吸附系统10的各变压吸附塔中的吸附剂可以是硅胶、氧化铝、X型分子筛、活性碳、碳分子筛或其组合的吸附剂床层。特别地，变温吸附系统2的各变温吸附塔内装填对C4+吸附能力强的吸附剂，采用加热方式再生，具体的再生方法是以第二段变压吸附10出口的氮气作为再生气，再生过程分为两个阶段：加热阶段和冷却阶段，在加热阶段，采用经加热后的再生气，将被吸附在吸附剂上的C4+烃类加热解吸出来，吸附剂得到再生。冷却阶段，再采用冷的再生气将吸附剂床层进行降温，当吸附剂床层温度降至常温后，吸附剂已可进行下一轮的吸附，再生过程结束。再生过程中也可采用其它非氧化性气体作为再生气，加热再生温度为100℃至200℃为宜。第一段变压吸附系统5和第二段变压吸附系统10的各变压吸附塔内装填对氮气、甲烷分离系数高的吸附剂，采用抽真空再生，具体的再生方法是采用真空泵，将吸附塔内吸附的烃类物质解吸出来，适宜的真空度为-0.05至-0.095MPa。

变温吸附系统2采用经典的变温吸附工艺，其中至少一个变温吸附塔处于吸附状态，其余的变温吸附塔处于再生状态的不同阶段(加热再生阶段和冷却再生阶段)，在加热再生阶段，将吸附剂上吸附的C4+解吸出来，吸附剂得到再生。2台以上的变温吸附塔经过周期性的吸附、再生过程，达到连续处理原料天然气的目的。

第一段变压吸附系统5和第二段变压吸附系统10均分别采用至少3台变压吸附塔，每台变压吸附塔除了经过吸附过程外，还须均压降、逆放、抽真空、均压升、最终升压等典型的吸附剂再生工艺过程，至少1台变压吸附塔处于吸附状态，其余变压吸附塔分别处于再生过程的不同阶段，多台变压吸附塔循环吸附和再生的操作过程，确保变压吸附能连续处理原料气。

采用本发明的方法和装置来脱除原料天然气中的氮气具有工艺简单、条件易于实现且效率高的优点，可达到将含氮天然气中的氮气脱除至0.1％至3％，烃类回收率大于95％的效果。

实施例

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件选择。

本实施例的利用变压吸附来脱除天然气中氮气的装置如图1所示，包括：变温吸附系统2、第一段变压吸附系统5和第二段变压吸附系统10。变温吸附系统2包括2台的依次串联的变温吸附塔(图1未示出)，第一段变压吸附系统5和第二段变压吸附系统10分别包括3台的依次串联的变压吸附塔(图1未示出)。变温吸附系统2前连接有原料输入管道1，变温吸附系统2通过混合气输送管道3与第一段变压吸附系统5相连。第一段变压吸附系统5底部依次连接有产品气输出管道6、真空泵7和输出管道8。第一段变压吸附系统5通过中间气输送管道9与第二段变压吸附系统10相连。第二段变压吸附系统10顶部设置有氮气输送管道16，氮气输送管道16的另一端连接在所述变温吸附系统2顶部。第二段变压吸附系统10通过顺序设置的管道11、真空泵12、管道13、压缩机14和管道15与混合气输送管道3相连。

本实施例的利用变压吸附来脱除天然气中氮气的方法如下：压力为0.3-2.0MPa的原料天然气经过原料输入管道1进入变温吸附系统2，变温吸附系统2内装有对重烃(C4+)吸附能力强的吸附剂，将原料天然气中的重烃(C4+)进行预先脱除，由氮气输送管道16来的氮气对变温吸附系统2的吸附剂进行加热/冷却再生。脱除重烃后的天然气经过混合气输送管道3与由第二段变压吸附系统10出来的富甲烷气经管道15汇合后进入第一段变压吸附系统5，第一段变压吸附系统5内装填对烃类(含甲烷)吸附能力强的吸附剂，脱除氮气后热值和氮气含量均合格的天然气从吸附塔底部经产品气输出管道6，由真空泵7抽出，再经管道8引出。从第一段变压吸附系统5顶部出来的中间气经中间气输送管道9进入第二段变压吸附系统10，第二段变压吸附系统10内装填对甲烷吸附能力强的吸附剂，第二段变压吸附系统10顶部出口氮气中甲烷含量控制在0.5-3％，经氮气输送管道16引出第二段变压吸附系统10，用作变温吸附系统2的再生气。从第二段变压吸附系统10底部引出的氮甲烷混合气经管道11，真空泵12抽出，再经管道13，压缩机14增压只略高于原料气压力后，经管道15与由变温吸附系统2来的原料气汇合后进入第一段变压吸附系统5，这样可提高甲烷收率，减少天然气脱氮过程中甲烷的损失。

上述具体实施方式为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述具体实施方式的限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的替代、修饰、组合、改变、简化等，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (18)

1.一种天然气中氮气脱除的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将含氮原料天然气输入变温吸附系统(2)进行重烃预脱除，得到预净化气；

(2)将预净化气输入第一段变压吸附系统(5)对烃类进行吸附；

(3)将在第一段变压吸附系统(5)中被吸附的烃类解吸附，获得合格的天然气；

(4)将从第一段变压吸附系统(5)自压流出的富含氮气的混合气输入第二段变压吸附系统(10)对所述富含氮气的混合气中包含的烃类进行吸附，并分离氮气；

将步骤(4)中的所述氮气输送回步骤(1)用作所述变温吸附系统(2)的再生气。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将在第二段变压吸附系统(10)中被吸附的烃类解吸附并输送回步骤(2)与所述预净化气合并。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述重烃包括碳原子数在4以上的烃类。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述原料天然气的压力是0.3MPa至2.0MPa。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述变温吸附系统(2)中的吸附剂是活性炭、硅胶和分子筛中的任意一种或多种。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述变温吸附系统(2)中的吸附剂是中孔活性炭和/或硅胶。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述变温吸附系统(2)的吸附压力是0.3MPa至3.0MPa。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述变温吸附系统(2)的吸附压力是1.0MPa至2.0MPa。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述第一段变压吸附系统(5)中的吸附剂是活性炭、硅胶和分子筛中的任意一种或多种。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述第一段变压吸附系统(5)中的吸附剂是微孔活性炭和/或分子筛。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述第一段变压吸附系统(5)的吸附压力是0.3MPa至3.0MPa。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述第一段变压吸附系统(5)的吸附压力是1.0MPa至2.0MPa。

13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)中，所述第一段变压吸附系统(10)中的吸附剂是活性炭、碳分子筛、硅胶和分子筛中的任意一种或多种。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，步骤(4)中，所述第一段变压吸附系统(10)中的吸附剂是微孔活性炭和/或碳分子筛。

15.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)中，所述第二段变压吸附系统(10)的吸附压力是0.3MPa至3.0MPa。

16.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)中，所述第二段变压吸附系统(10)的吸附压力是1.0MPa至2.0MPa。

17.一种天然气中氮气脱除的装置，其特征在于，包括：变温吸附系统(2)和第一段变压吸附系统(5)；其中，变温吸附系统(2)包括2台以上的并联的变温吸附塔，第一段变压吸附系统(5)包括3台以上的并联的变压吸附塔；变温吸附系统(2)前连接有原料输入管道(1)，变温吸附系统(2)通过混合气输送管道(3)与第一段变压吸附系统(5)相连；第一段变压吸附系统(5)的吸附塔底部连接有产品气输出管道(6)；

进一步包括设置在所述第一段变压吸附系统(5)后的第二段变压吸附系统(10)；第二段变压吸附系统(10)包括3台以上的并联的变压吸附塔；第一段变压吸附系统(5)通过中间气输送管道(9)与第二段变压吸附系统(10)相连；所述第二段变压吸附系统(10)的吸附塔顶部设置有氮气输送管道(16)，氮气输送管道(16)的另一端连接在所述变温吸附系统(2)顶部。

18.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，所述第二段变压吸附系统(10)通过顺序设置的管道(11)、真空泵(12)、管道(13)、压缩机(14)和管道(15)与混合气输送管道(3)相连。

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