CN215162436U

CN215162436U - 含高浓度co2的天然气的净化系统

Info

Publication number: CN215162436U
Application number: CN202120782833.3U
Authority: CN
Inventors: 邓海发; 闫肃; 康国栋; 刘艳武; 曹义鸣; 邢传胜; 赵一帆; 王钊; 李子旺
Original assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS; CNOOC Energy Conservation and Environmental Protection Service Co Ltd
Current assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS; CNOOC Energy Conservation and Environmental Protection Service Co Ltd
Priority date: 2021-04-16
Filing date: 2021-04-16
Publication date: 2021-12-14
Anticipated expiration: 2031-04-16

Abstract

本实用新型提供了一种含高浓度CO₂的天然气的净化系统，其中，净化系统包括分离部和吸收部，分离部用于粗脱碳，吸收部用于精脱碳，使天然气中CO₂的去除比例大大增加，可实现含高浓度CO₂的天然气的高效净化和低碳氢损失，进而缓解现有技术中天然气中由于含有大量CO₂，不仅降低天然气热值、增加运输负荷和成本，且腐蚀管路和设备的技术问题。

Description

含高浓度CO2的天然气的净化系统

技术领域

本实用新型属于天然气净化提纯领域，尤其是涉及一种含高浓度CO2的天然气的净化系统。

背景技术

相比煤和石油，天然气的碳强度低、热能利用率高，其燃烧对环境造成的污染更低，更加清洁，因此我国政府近年来不断加大天然气的供应和使用。

随着社会国民经济稳步发展，将带动能源需求持续增长，天然气在我国能源革命中始终扮演着重要角色，预计2050年前我国天然气消费保持增长趋势。但与此同时，我国天然气产量严重不足，供应缺口巨大，进口量不断攀升，进口压力持续加大。据统计，2018年我国天然气进口总量9039万吨，同比增加31.9％。因此，提升天然气勘探开发力度、加快天然气产供储体系建设，有利于推进我国天然气产业高质量发展，保障国家能源安全。

天然气在开采过程中通常伴随有不定含量的CO₂，不仅降低天然气热值、增加运输负荷和成本，且腐蚀管路和设备，因此在使用和进一步加工前需将其脱除。随着我国天然气勘探和利用水平的提升，一些高CO₂含量天然气气田的开发逐渐得到关注，开发适合高CO₂含量天然气净化的方法和装置具有重要现实意义。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型旨在提出一种含高浓度CO2的天然气的净化系统，以缓解天然气中由于含有大量CO₂，不仅降低天然气热值、增加运输负荷和成本，且腐蚀管路和设备的技术问题。

为达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：

本实用新型提供了一种含高浓度CO₂的天然气的净化系统，包括分离部及吸收部；

所述分离部包括一级分离单元及二级分离单元，所述吸收部包括吸收单元及吸收剂再生单元；

所述一级分离单元具有第一气体入口、第一渗透气出口及第一渗余气出口，所述二级分离单元具有第二气体入口、第二渗透气出口及第二渗余气出口，所述吸收单元具有第三气体入口、第三气体出口、第一吸收剂入口及第一吸收剂出口，所述吸收剂再生单元具有第二吸收剂入口、第二吸收剂出口及气体出口；

所述第一渗透气出口与所述第二气体入口连通，所述第一渗余气出口与所述第三气体入口连通，所述第二渗余气出口与所述第一气体入口连通，所述第一吸收剂入口与所述第二吸收剂出口连通，所述第一吸收剂出口与所述第二吸收剂入口连通；

所述一级分离单元和所述二级分离单元均能够将含CO₂的天然气以过滤的形式分离为渗透气及渗余气；

所述吸收单元具有能够吸收CO₂的吸收剂；

所述吸收剂再生单元用于将吸收CO₂后饱和的吸收剂还原为可重新吸收 CO₂的吸收剂。

进一步地，所述分离部还包括气体压缩单元，所述气体压缩单元设于所述一级分离单元的第一渗透气出口与所述二级分离单元的第二气体入口之间；

且所述气体压缩单元的气体入口与所述第一渗透气出口连通，所述气体压缩单元的气体出口与所述第二气体入口连通。

进一步地，所述吸收剂再生单元包括依次连通的闪蒸单元、第一加热单元、冷却单元及加压单元；

所述闪蒸单元具有第四气体出口及所述第二吸收剂入口，所述第一加热单元具有第五气体出口，所述加压单元具有所述第二吸收剂出口；

所述第四气体出口与所述气体压缩单元的气体入口连通。

进一步地，还包括CO₂收集部，所述CO₂收集部的气体入口与所述第二渗透气出口连通。

进一步地，还包括预处理部，所述预处理部包括过滤单元及第二加热单元；

所述过滤单元的气体出口与所述第二加热单元的气体入口连通，所述第二加热单元的气体出口与所述第一气体入口连通，所述第二渗余气出口通过所述加热单元与所述第一气体入口连通。

进一步地，还包括控制部，所述控制部包括阀门单元，所述阀门单元包括在所述过滤单元的气体入口的前端设置的减压阀、在所述吸收单元的第三气体出口的后端设置的第一背压阀及在所述第一吸收剂出口与所述第二吸收剂入口之间设置的第二背压阀。

进一步地，所述减压阀、所述第一背压阀及所述第二背压阀均为电控阀门；

所述控制部还包括中央控制处理单元及传感器单元，

所述阀门单元及所述传感器单元均与所述中央控制处理单元电性连接；

所述传感器单元包括在所述过滤单元与所述第二加热单元之间设置的第一压力传感器和第一温度传感器、在所述第二加热单元与所述一级分离单元之间设置的第二温度传感器、在所述压缩单元与所述二级分离单元之间设置的第二压力传感器、在所述吸收单元的第一吸收剂出口与所述第二背压阀之间设置的第三压力传感器、在所述闪蒸单元上设置的第四压力传感器、在所述吸收单元的第三气体出口与所述第一背压阀之间设置的第五压力传感器。

进一步地，所述第一压力传感器、所述第二压力传感器、所述第三压力传感器、所述第四压力传感器及所述第五压力传感器均具有能够显示当前压力数值的第一显示屏；

所述第一温度传感器和所述第二温度传感器均具有能够显示当前温度数值的第二显示屏。

进一步地，所述控制部还包括气体成分分析单元，所述气体成分分析单元与所述CO₂收集部连通。

具体地：

一级分离单元将含CO₂的天然气以过滤的形式分离为一次渗透气及一次渗余气；

吸收单元通过吸收剂吸收一次渗余气中的CO₂，并向后端设备输送净化后的天然气；

吸收剂再生单元导出吸收CO₂后饱和的吸收剂，并将其还原为可重新吸收CO₂的吸收剂，然后返还给吸收单元；

二级分离单元将一次渗透气以过滤的形式分离为二次渗透气及二次渗余气，并将二次渗透气直接排放至外界环境或者放入CO₂收集装置，将二次渗余气返还至一级分离单元。

相对于现有技术，本实用新型所述的一种含高浓度CO2的天然气的净化系统具有以下优势：

本实用新型所述的一种含高浓度CO₂的天然气的净化系统，包括分离部及吸收部；所述分离部包括一级分离单元及二级分离单元，所述吸收部包括吸收单元及吸收剂再生单元；所述一级分离单元具有第一气体入口、第一渗透气出口及第一渗余气出口，所述二级分离单元具有第二气体入口、第二渗透气出口及第二渗余气出口，所述吸收单元具有第三气体入口、第三气体出口、第一吸收剂入口及第一吸收剂出口，所述吸收剂再生单元具有第二吸收剂入口、第二吸收剂出口及气体出口；所述第一渗透气出口与所述第二气体入口连通，所述第一渗余气出口与所述第三气体入口连通，所述第二渗余气出口与所述第一气体入口连通，所述第一吸收剂入口与所述第二吸收剂出口连通，所述第一吸收剂出口与所述第二吸收剂入口连通；所述一级分离单元和所述二级分离单元均能够将含CO₂的天然气以过滤的形式分离为渗透气及渗余气；所述吸收单元具有能够吸收CO₂的吸收剂；所述吸收剂再生单元用于将吸收CO₂后饱和的吸收剂还原为可重新吸收CO₂的吸收剂。

其中，分离单元用于粗脱碳，吸收单元用于精脱碳，使天然气中CO2的去除比例大大增加，可实现含高浓度CO₂的天然气的高效净化和低碳氢损失，进而缓解现有技术中天然气中由于含有大量CO₂，不仅降低天然气热值、增加运输负荷和成本，且腐蚀管路和设备的技术问题。

附图说明

构成本实用新型的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1为本实用新型实施例所述的一种含高浓度CO₂的天然气的净化系统示意图。

附图标记说明：

1-一级分离单元；2-二级分离单元；3-气体压缩单元；4-闪蒸单元；5- 第一加热单元；6-冷却单元；7-加压单元；8-过滤单元；9-第二加热单元； 10-减压阀；11-第一背压阀；12-第二背压阀；13-第一温度传感器；14-第二温度传感器；15-第一压力传感器；16-第二压力传感器；17-第三压力传感器；18-第四压力传感器；19-第五压力传感器；20-吸收单元。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

参照图1，本实用新型提供了一种含高浓度CO₂的天然气的净化系统，包括分离部及吸收部；所述分离部包括一级分离单元1及二级分离单元2，所述吸收部包括吸收单元20及吸收剂再生单元；所述一级分离单元1具有第一气体入口、第一渗透气出口及第一渗余气出口，所述二级分离单元2具有第二气体入口、第二渗透气出口及第二渗余气出口，所述吸收单元20具有第三气体入口、第三气体出口、第一吸收剂入口及第一吸收剂出口，所述吸收剂再生单元具有第二吸收剂入口、第二吸收剂出口及气体出口；所述第一渗透气出口与所述第二气体入口连通，所述第一渗余气出口与所述第三气体入口连通，所述第二渗余气出口与所述第一气体入口连通，所述第一吸收剂入口与所述第二吸收剂出口连通，所述第一吸收剂出口与所述第二吸收剂入口连通；所述一级分离单元1和所述二级分离单元2均能够将含CO₂的天然气以过滤的形式分离为渗透气及渗余气；所述吸收单元20具有能够吸收 CO₂的吸收剂；所述吸收剂再生单元用于将吸收CO₂后饱和的吸收剂还原为可重新吸收CO₂的吸收剂。

具体地，原料天然气中CO₂体积分数为30～60％，原料天然气压力为 2.0～8.0MPa；经过一级分离单元1进入吸收单元20的天然气中CO₂体积分数为10～20％；经二级分离单元2后的渗余气中CO₂体积分数与原料天然气中 CO₂体积分数相当；经吸收单元20净化后的天然气即为产品气，产品气中 CO₂体积分数低于3％；一级分离单元1和二级分离单元2均设有过滤膜组件，过滤膜组件为中空纤维或卷式膜组件，膜材质为醋酸纤维素或聚酰亚胺，CO₂渗透通量大于30GPU，CH₄/CO₂分离系数大于10；吸收单元20的膜组件为中空纤维膜组件，膜材质为聚四氟乙烯或表面疏水改性的聚四氟乙烯，孔隙率 30～60％，膜平均孔径0.05～0.5μm。

更为优选地，所述分离部还包括气体压缩单元3，所述气体压缩单元3 设于所述一级分离单元1的第一渗透气出口与所述二级分离单元2的第二气体入口之间；且所述气体压缩单元3的气体入口与所述第一渗透气出口连通，所述气体压缩单元3的气体出口与所述第二气体入口连通。

具体地，气体压缩单元3可以为压缩机，气体经压缩机后二级分离单元 2的操作压力高于一级分离单元11～5bar。

更为优选地，所述吸收剂再生单元包括依次连通的闪蒸单元4、第一加热单元5、冷却单元6及加压单元7；所述闪蒸单元4具有第四气体出口及所述第二吸收剂入口，所述第一加热单元5具有第五气体出口，所述加压单元7具有所述第二吸收剂出口；所述第四气体出口与所述气体压缩单元3的气体入口连通。

具体地，加压单元7可以为高压泵，更为具体地，高压泵可以为柱塞泵或离心泵；闪蒸单元4的操作压力为5～15bar；第一加热单元5可以为再生塔；吸收剂加热再生后冷却至30～50℃返回吸收单元20；系统碳氢化合物的总体回收率大于93％。

更为优选地，还包括CO₂收集部，所述CO₂收集部的气体入口与所述第二渗透气出口连通。

更为优选地，还包括预处理部，所述预处理部包括过滤单元8及第二加热单元9；

所述过滤单元8的气体出口与所述第二加热单元9的气体入口连通，所述第二加热单元9的气体出口与所述第一气体入口连通，所述第二渗余气出口通过所述第二加热单元9与所述第一气体入口连通。

具体地，过滤单元8可以为过滤器，过滤器可滤除尺寸在0.01μm以上的液态油滴、水及固体颗粒物；第二加热单元9使进入一级分离单元1的天然气温度至少高于露点20℃。

更为优选地，还包括控制部，所述控制部包括阀门单元，所述阀门单元包括在所述过滤单元8的气体入口的前端设置的减压阀10、在所述吸收单元 20的第三气体出口的后端设置的第一背压阀11及在所述第一吸收剂出口与所述第二吸收剂入口之间设置的第二背压阀12。

更为优选地，所述减压阀10、所述第一背压阀11及所述第二背压阀12 均为电控阀门；所述控制部还包括中央控制处理单元及传感器单元，所述阀门单元及所述传感器单元均与所述中央控制处理单元电性连接；所述传感器单元包括在所述过滤单元8与所述加热单元之间设置的第一压力传感器15 和第一温度传感器13、在所述加热单元与所述一级分离单元1之间设置的第二温度传感器14、在所述压缩单元与所述二级分离单元2之间设置的第二压力传感器16、在所述吸收单元20的第一吸收剂出口与所述第二背压阀12 之间设置的第三压力传感器17、在所述闪蒸单元4上设置的第四压力传感器 18、在所述吸收单元20的第三气体出口与所述第一背压阀11之间设置的第五压力传感器19。

具体地，第一加热单元和第二加热单元均可以为电控加热单元，并与中央控制处理单元电性连接，中央控制处理单元通过压力传感器和温度传感器传递过来的压力数值和温度数值作出综合处理，并通过电控阀门及加热单元对系统内的温度和压力作出调整，此为现有技术，在此不再赘述。

更为优选地，所述第一压力传感器15、所述第二压力传感器16、所述第三压力传感器17、所述第四压力传感器18及所述第五压力传感器19均具有能够显示当前压力数值的第一显示屏；所述第一温度传感器13和所述第二温度传感器14均具有能够显示当前温度数值的第二显示屏。

更为优选地，所述控制部还包括气体成分分析单元，所述气体成分分析单元与所述CO₂收集部连通。

具体地，一级分离单元1将含CO₂的天然气以过滤的形式分离为一次渗透气及一次渗余气；吸收单元20通过吸收剂吸收一次渗余气中的CO₂，并向后端设备输送净化后的天然气；吸收剂再生单元导出吸收CO₂后饱和的吸收剂，并将其还原为可重新吸收CO₂的吸收剂，然后返还给吸收单元20；二级分离单元2将一次渗透气以过滤的形式分离为二次渗透气及二次渗余气，并将二次渗透气直接排放至外界环境或者放入CO₂收集装置，将二次渗余气返还至一级分离单元1。

更为具体地，待净化的原料天然气的流量为1000Nm³/h，压力为4.5MPa，具体体积分数组成如下：CO₂为45.0％；CH₄为46.5％；C2为6.4％；C3为1.4％； C4为0.5％；C5+为0.2％。

原料天然气经减压阀10减压至4.2MPa后进入过滤单元8，以除去天然气中可能含有的尺寸在0.01μm以上的液态油滴、水及固体颗粒物；随后进入加热单元，升温至40℃后进入一级分离单元1。

一级分离单元1采用聚酰亚胺中空纤维膜，膜的性能如下：CO₂渗透通量75GPU，CH₄/CO₂分离系数30；一级分离单元1的操作压力为4.2MPa，其渗余气中CO₂含量15.5％，渗透气CO₂含量82.0％。

二级分离单元2采用聚酰亚胺中空纤维膜，膜的性能如下：CO₂渗透通量50GPU，CH₄/CO₂分离系数45；二级分离单元2的操作压力为4.4MPa，其渗余气中CO2含量45.0％，渗透气CO₂含量98.0％。

吸收单元20采用聚四氟乙烯中空纤维膜组件，膜的参数如下：孔隙率 52％，平均孔径0.15μm；膜吸收系统操作压力为4.0MPa，采用吸收剂为MDEA 溶液，(MDEA，又名甲基二乙醇胺，无色或微黄色粘稠液体，沸点不高，能与水、醇互溶，微溶于醚，主要用于油田气和煤气、天然气的脱硫净化、乳化剂和酸性气体吸收剂、酸碱控制剂、聚氨酯泡沫催化剂)质量分数为40％；经吸收单元20净化后排出的产品气中CO₂体积分数为1.5％，流量为540Nm³/h。

吸收剂再生单元中，闪蒸单元4操作压力为0.8MPa，闪蒸单元4通过降低压力将吸收剂中的CO₂排出；第一加热单元5温度为115℃，第一加热单元5通过升高温度将吸收剂中的CO₂排出；吸收剂经冷却单元6冷却至40℃，加压单元7操作压力为4.05MPa；最后吸收剂返回吸收单元20。

本实用新型所述的一种含高浓度CO₂的天然气的净化系统，包括分离部及吸收部；所述分离部包括一级分离单元1及二级分离单元2，所述吸收部包括吸收单元20及吸收剂再生单元；所述一级分离单元1具有第一气体入口、第一渗透气出口及第一渗余气出口，所述二级分离单元2具有第二气体入口、第二渗透气出口及第二渗余气出口，所述吸收单元20具有第三气体入口、第三气体出口、第一吸收剂入口及第一吸收剂出口，所述吸收剂再生单元具有第二吸收剂入口、第二吸收剂出口及气体出口；所述第一渗透气出口与所述第二气体入口连通，所述第一渗余气出口与所述第三气体入口连通，所述第二渗余气出口与所述第一气体入口连通，所述第一吸收剂入口与所述第二吸收剂出口连通，所述第一吸收剂出口与所述第二吸收剂入口连通；所述一级分离单元1和所述二级分离单元2均能够将含CO₂的天然气以过滤的形式分离为渗透气及渗余气；所述吸收单元20具有能够吸收CO₂的吸收剂；所述吸收剂再生单元用于将吸收CO₂后饱和的吸收剂还原为可重新吸收CO₂的吸收剂。

其中，分离单元用于粗脱碳，吸收单元20用于精脱碳，使天然气中CO2 的去除比例大大增加，可实现含高浓度CO₂的天然气的高效净化和低碳氢损失，进而缓解现有技术中天然气中由于含有大量CO₂，不仅降低天然气热值、增加运输负荷和成本，且腐蚀管路和设备的技术问题。

另外，本实用新型的有益效果还包括：

1、实现了含高浓度CO₂的天然气的高效净化和低碳氢损失。当原料天然气中CO₂体积分数为30～60％时，产品气中CO₂体积分数低于3％，系统碳氢化合物的总体回收率大于93％，具有良好的经济效益。

2、膜吸收技术是膜技术与传统吸收过程的耦合，结合两者各自优势，具有较高的接触比表面积、设备结构紧凑、操作不受气液相流速限制，更重要的是该过程碳氢损失低，适用于产品气中CO₂含量要求较低的工况，是传统吸收塔过程的升级技术。

3、本实用新型可实现装置的小型化和撬装化，尤其适用于对设备高度和设备体积有要求的海上平台等场合。

4、系统碳氢化合物的总体回收率为96.7％，本实用新型工艺流程合理，操作灵活，弹性大，尤其适用于操作工况多变的场合。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种含高浓度CO₂的天然气的净化系统，其特征在于：包括分离部及吸收部；

所述一级分离单元和所述二级分离单元均能够将含CO₂的天然气以过滤的形式分离为渗透气及渗余气。

2.根据权利要求1所述的含高浓度CO₂的天然气的净化系统，其特征在于：所述分离部还包括气体压缩单元，所述气体压缩单元设于所述一级分离单元的第一渗透气出口与所述二级分离单元的第二气体入口之间；

3.根据权利要求2所述的含高浓度CO₂的天然气的净化系统，其特征在于：所述吸收剂再生单元包括依次连通的闪蒸单元、第一加热单元、冷却单元及加压单元；

所述第四气体出口与所述气体压缩单元的气体入口连通。

4.根据权利要求3所述的含高浓度CO₂的天然气的净化系统，其特征在于：还包括CO₂收集部，所述CO₂收集部的气体入口与所述第二渗透气出口连通。

5.根据权利要求4所述的含高浓度CO₂的天然气的净化系统，其特征在于：还包括预处理部，所述预处理部包括过滤单元及第二加热单元；

6.根据权利要求5所述的含高浓度CO₂的天然气的净化系统，其特征在于：还包括控制部，所述控制部包括阀门单元，所述阀门单元包括在所述过滤单元的气体入口的前端设置的减压阀、在所述吸收单元的第三气体出口的后端设置的第一背压阀及在所述第一吸收剂出口与所述第二吸收剂入口之间设置的第二背压阀。

7.根据权利要求6所述的含高浓度CO₂的天然气的净化系统，其特征在于：所述减压阀、所述第一背压阀及所述第二背压阀均为电控阀门；

所述控制部还包括中央控制处理单元及传感器单元，

所述传感器单元包括在所述过滤单元与所述加热单元之间设置的第一压力传感器和第一温度传感器、在所述第二加热单元与所述一级分离单元之间设置的第二温度传感器、在所述压缩单元与所述二级分离单元之间设置的第二压力传感器、在所述吸收单元的第一吸收剂出口与所述第二背压阀之间设置的第三压力传感器、在所述闪蒸单元上设置的第四压力传感器、在所述吸收单元的第三气体出口与所述第一背压阀之间设置的第五压力传感器。

8.根据权利要求7所述的含高浓度CO₂的天然气的净化系统，其特征在于：所述第一压力传感器、所述第二压力传感器、所述第三压力传感器、所述第四压力传感器及所述第五压力传感器均具有能够显示当前压力数值的第一显示屏；

9.根据权利要求8所述的含高浓度CO₂的天然气的净化系统，其特征在于：所述控制部还包括气体成分分析单元，所述气体成分分析单元与所述CO₂收集部连通。