變壓吸附技術(shù)在煤層氣開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用探討
| 1 引言 我國(guó)有著極為豐富的煤層氣資源，據(jù)估算，埋深2000m以淺的煤層氣資源量達(dá)30～35萬(wàn)億m3，以可采系數(shù)50%折算，其可采資源量為15～175萬(wàn)億m3，相當(dāng)于1319～1539億t原油，按現(xiàn)有原油開(kāi)采速度，可供我國(guó)開(kāi)采100年以上。因此，我國(guó)煤層氣開(kāi)發(fā)前景巨大。目前，制約我國(guó)煤層氣開(kāi)發(fā)的主要問(wèn)題是技術(shù)問(wèn)題，例如煤層滲透率低、單井產(chǎn)量低和不能形成工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模等，這使得我國(guó)不能照搬美國(guó)開(kāi)發(fā)煤層氣的成功經(jīng)驗(yàn)，必須研究適合我國(guó)煤層氣工業(yè)發(fā)展的技術(shù)。本文正是針對(duì)我國(guó)煤層氣開(kāi)發(fā)的特殊性，提出將PSA技術(shù)用于煤層氣水平鉆井，提高煤層氣采收率，煤層氣凈化、輕烴回收和貯運(yùn)，以促進(jìn)我國(guó)煤層氣工業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。 2 PSA技術(shù)簡(jiǎn)介 PSA技術(shù)是60年代發(fā)展起來(lái)的一種氣體分離技術(shù)，它是以固定床吸附，在連續(xù)改變體系平衡的熱力學(xué)參數(shù)(壓力)下，使吸附和解吸再生循環(huán)進(jìn)行，既具有固定床吸附的優(yōu)點(diǎn)，又是一種循環(huán)過(guò)程。它廣泛用于石油、天然氣、化工的氣體分離工業(yè)，例如H2、O2、N2、He和Ar等氣體，以及CH4、C2H4、C2H2、nCnH2n+2、H2O、CO2和CO等組分的分離、回收和精制。到1986年國(guó)內(nèi)外已有500余套大型PSA裝置在運(yùn)轉(zhuǎn)，******處理能力已達(dá)到10萬(wàn)m3/h。PSA分離過(guò)程的優(yōu)點(diǎn)為： (1)產(chǎn)品純度高，例如可獲得純度為99999%的純氫； (2)在室溫和低壓(005～300MPa)下操作，不需外加熱源，設(shè)備簡(jiǎn)單； (3)可單級(jí)操作，原料氣中的幾種組分可在單組中脫除，原料氣中的水分和CO2等不需要預(yù)處理； (4)吸附劑壽命長(zhǎng)，對(duì)原料氣質(zhì)量要求不高，裝置操作容易，操作彈性大； (5)自動(dòng)化程度高，操作費(fèi)用低，節(jié)能降耗顯著。 我國(guó)PSA技術(shù)的研究始于70年代初，由西南化工研究院率先開(kāi)發(fā)PSA技術(shù)，至今已在 內(nèi)外開(kāi)發(fā)350余套PSA裝置，涉及九個(gè)方面的應(yīng)用。表1列出了該院開(kāi)發(fā)的可用于煤層氣開(kāi)發(fā)的部分PSA技術(shù)。 3 PSA技術(shù)在煤層氣開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用 31 PSA技術(shù)在煤層氣鉆井中的應(yīng)用 針對(duì)我國(guó)煤層氣儲(chǔ)層屬于低滲透、壓力封閉型。亦有人提出在大規(guī)模開(kāi)發(fā)煤層氣時(shí)采用水平井技術(shù)。水平井的主要優(yōu)點(diǎn)是垂直于煤體的******滲透方向，可增加煤層氣的產(chǎn)量。但是，在鉆水平井時(shí)必須考慮鉆井液對(duì)煤層的污染問(wèn)題，否則將得不償失，在油氣行業(yè)已經(jīng)出現(xiàn)過(guò)鉆井液嚴(yán)重污染油氣層而導(dǎo) 表1 可用于煤層氣開(kāi)發(fā)的PSA技術(shù) 裝 置 PSA-N2 PSA-CO2/R PSA-C+2/R PSA-CH4 原 料 氣 空 氣 各種含CO2混合氣 天然氣 煤礦瓦斯 處理量(m3/h) 30～6000 1500～50000 200～10000 500～20000 凈化氣純度(%V) N2≥99 CO2＜02 C+2＜100ppm C1：50～95 操作溫度 常溫 常溫 常溫 常溫 操作壓力(MPa) 03 07~20 03~08 04~08 在煤層氣開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用 煤層氣鉆井，提高煤層氣采收率 提高煤層氣采收率，煤層氣凈化 煤層氣凈化，輕烴回收 煤層氣凈化致油氣井報(bào)廢的教訓(xùn)。因此，為防止煤層污染，可采用空氣鉆井技術(shù)。 空氣鉆井是用空氣作循環(huán)介質(zhì)的一種低壓鉆井技術(shù)，與鉆井液鉆井比較，它具有成本低，機(jī)械鉆速提高3～4倍，鉆頭壽命長(zhǎng)，能有效開(kāi)發(fā)低壓低滲透儲(chǔ)集層和很好地保護(hù)儲(chǔ)層等優(yōu)點(diǎn)。但空氣鉆井存在著難以克服的危險(xiǎn)性，鉆遇煤層時(shí)可能發(fā)生井底著火。煤層氣和壓縮空氣的混合物引起井底著火能熔化鉆頭、鉆鋌、鉆桿和其它井底工具，造成事故。因此，為防止空氣鉆井的危害，可采用空氣霧化鉆井和天然氣鉆井?？諝忪F化鉆井減少了井底著火的可能性，但又增加了發(fā)泡劑、防腐劑和水等的費(fèi)用，縮短了鉆頭壽命，降低了鉆進(jìn)速度。用天然氣鉆煤層氣井可避免井底著火，但不經(jīng)濟(jì)，且存在氣源和安全問(wèn)題。 目前，美國(guó)、加拿大已將一種空心纖維聚合物薄膜裝在專為油田設(shè)計(jì)的橇裝氮?dú)馍a(chǎn)設(shè)備(NPU)上，生產(chǎn)的氮?dú)庥糜谒姐@井、垂直井和負(fù)壓鉆井，比用空氣霧化鉆井和天然氣鉆井的成本低得多，完全克服了鉆井液鉆井、空氣霧化鉆井和天然氣鉆井的缺點(diǎn)。當(dāng)采用移動(dòng)式PS－N2裝置制氮用于煤層氣水平井鉆井時(shí)，其成本僅為天然氣的1/8和空氣深冷法制氮的1/2。 此外，PSA－N2裝置用于煤層氣水平井鉆井時(shí)，還副產(chǎn)了含氧量≥40%的富氧空氣，將其供給鉆井用柴油機(jī)，可使柴油在氣缸內(nèi)進(jìn)行富氧燃燒，以提高柴油機(jī)功率、降低油耗和CO、HC與碳煙等有害物質(zhì)的排放，從而改善鉆井所用柴油機(jī)的性能，提高機(jī)械鉆速，降低鉆井成本。例如，四沖程非增壓柴油機(jī)和四沖程渦輪增壓柴油機(jī)使用35%的富氧空氣，二者指示功率增加51%，機(jī)械效益分別提高6～144%、37～85%，油耗下降56～126%、36～78%。32 PSA技術(shù)在提高煤層氣采收率中的應(yīng)用我國(guó)的煤層氣儲(chǔ)層屬于壓力封閉型，煤層滲透率低，這使得煤層氣在煤孔隙中解吸和流動(dòng)的 阻力遠(yuǎn)大于水力封閉型的煤層氣儲(chǔ)層。為了提高我國(guó)煤層氣的采收率，可采用注入增產(chǎn)法(ECBM)，這是Amoco公司開(kāi)發(fā)的一項(xiàng)提高煤層氣采收率新技術(shù)。ECBM將N2、CO2和煙道氣注入煤層，降低甲烷在煤孔隙中的分壓，有利于CH4從煤基質(zhì)中解吸；對(duì)煤具有比CH4更大親合力的注入氣體(如CO2)，會(huì)導(dǎo)致CH4的置換解吸作用(即競(jìng)爭(zhēng)吸附作用)；注入氣體還增加了煤層氣向氣井流動(dòng)的推動(dòng)力(壓力能)，有利于壓力封閉型煤層氣克服在低滲透煤層中的流動(dòng)阻力。Amoco公司在室內(nèi)進(jìn)行的注N2試驗(yàn)，已獲得100%的CH4采收率；在圣胡安盆地西北部采用5點(diǎn)井網(wǎng)進(jìn)行的注N2試驗(yàn)，亦可使煤層氣產(chǎn)量提高3倍。這表明ECBM提高了產(chǎn)層能量，加速了煤層氣的解吸和運(yùn)移，從而提高了煤層氣采收率。 使用ECBM開(kāi)采煤層氣，必須擁有充足的N2、CO2或煙道氣。N2可從空氣中獲取，可作為CO2資源的氣源較多(見(jiàn)表2)，但部分CO2氣源需經(jīng)濃縮和凈化才能用于ECBM?；厥誄O2的常用方法是溶劑吸收法，如Catacarb法、Benfield法、G－V法、MEA法、ADIP法、Fluor法等，它們存在的問(wèn)題是：工藝流程長(zhǎng)，設(shè)備復(fù)雜，能耗高和許多吸收溶劑對(duì)設(shè)備有腐蝕。當(dāng)采用PSA技術(shù)從各種富含CO2的氣源中回收CO2時(shí)，其節(jié)能降耗顯著，可完全克服溶劑法的缺點(diǎn)。例如，PSA法替代Benfield法、MEA法、低溫甲醇法、常溫甲醇法、Fluor法和Selexol法脫碳，其綜合能耗僅各為原來(lái)的42%、47%、72%、2%、47%和401%。 表2 各種CO2氣源及其含量 CO2氣源 CO2% 石油溶解氣 微量～90 天然氣 5～80 天然CO2氣井 80～995 煙道氣 10～16 合成氨工業(yè) 98～99 石油化工過(guò)程 98～99 用于ECBM的各種氣源成本比較見(jiàn)表3。表3表明，采用注N2技術(shù)提高煤層氣采收率的成本最低，其中PSA法制N2的成本僅為深冷法的一半，其經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)能力國(guó)外已達(dá)到120萬(wàn)m3/d。因此，PSA-N2裝置用于煤層氣注N2開(kāi)發(fā)是完全可行的。但是，采用ECBM法，雖然提高煤層氣采收率，但也增加了采出煤層氣中N2、CO2的含量，因此必須脫除才能滿足管輸和用戶要求。 表3 用于ECBM的各種氣源成本比較 氣源 成本(相對(duì)值) N2(PSA法) 10 N2(深冷法) 20 CO2 20～60 煙道氣 40～60 33 PSA技術(shù)在煤層氣凈化中的應(yīng)用 當(dāng)煤層氣中含CO2和水時(shí)，一般采用溶劑吸收法脫碳和脫水，以及固體吸附法(變溫吸附TSA)脫水。溶劑法脫碳見(jiàn)前述。目前可用于煤層氣脫水的主要方法有：TEG法、DEG法、分子篩法(TSA)和CaCl 2水溶液法，它們不同程度存在投資和操作費(fèi)用高、間歇操作和有廢液排放等問(wèn)題，采用SA法脫水可消除這些不足。事實(shí)上，PSA法可同時(shí)脫除煤層氣中的CO2和水。采用PSA－CH4、PSA－C+2/R、PSA－CO2/R裝置凈化煤層氣，優(yōu)于深冷法脫氮和溶劑吸收法脫碳。脫除的N2、CO2回注煤層，可降低ECBM的生產(chǎn)成本。 當(dāng)煤層氣中同時(shí)含有H2S、CO2和水時(shí)，可在PSA法脫碳操作裝置前增加一套脫硫裝置，考慮到我國(guó)煤層滲透率低和單井產(chǎn)量低，以采用固體脫硫劑(SDA)裝置為好。這種脫硫劑可選擇性地脫除H2S、RSH，工藝設(shè)備簡(jiǎn)單，不需公用設(shè)施，一次性使用，硫容量可達(dá)12%左右，脫除1kgH2S需耗費(fèi)用50元；脫硫后的廢脫硫劑不需任何處理，可直接棄于曠野、農(nóng)田，對(duì)環(huán)境無(wú)害，可促進(jìn)植物生長(zhǎng)；它適用于H2S含量在01～5g/m3范圍的原料氣，裝置處理量以小于10萬(wàn)m3/d為宜，對(duì)低含硫天然氣脫硫是一種有效的方法。最近，四川瀘州天然氣研究所已研制出了CT8－4、CT8－4A、CT8－4B三種常溫氧化鐵脫硫劑，它們?cè)诨钚浴⒘蛉萘亢兔摿騽┵M(fèi)用方面明顯優(yōu)于Sulfatreat脫硫劑。因此，采用SDA法和PSA法凈化煤層氣完全可行。 34 PSA技術(shù)在回收煤層氣輕烴中的應(yīng)用 在我國(guó)相當(dāng)多的煤層中，含有豐富的C+3資源。例如(于良臣等，1981年)，北票礦區(qū)的焦肥煤中C+3含量為0098～3557%(V)，四川中梁山、天府、南桐等瘦焦煤礦區(qū)中C+3含量為0058～318%(V)，湖南里王廟無(wú)煙煤礦 區(qū)的坦家沖井田6號(hào)煤層中C2～8的平均濃度為4814%(V)。而在四川中壩 氣田的須二天然氣中C+3組份僅為27%(V)對(duì)其進(jìn)行輕烴回收還具有相當(dāng)好的經(jīng)濟(jì)效益。所以，從煤層氣中回收輕烴具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。 目前，透平膨脹致冷回收輕烴是天然氣深加工的主要方法，將其直接用于回收煤層氣中的C+3組份，須脫除煤層氣中70～95%的C1+C2，是極不經(jīng)濟(jì)的。若采用PSA-C+3/R裝置脫除煤層氣中的C1+C2，不僅能降低投資和操作費(fèi)用，而且可大幅度提高裝置的生產(chǎn)能力。 PSA法用于回收煤層氣中的輕烴有兩種工藝路線，原理流程如圖1和圖2所示。在圖1中煤層氣依次進(jìn)入SDA和PSA-CO2/T(或PSA-CH4)裝置脫硫、脫碳和脫 水(采用ECBM開(kāi)采煤層氣時(shí)，還包括脫氮)，然后進(jìn)入PSA-C+2/R裝置除去C1+C2，最后采用傳統(tǒng)輕烴回收工藝回收液化石油氣(LPG)和輕油，從而提高了裝置的處理量。例如，某煤層氣(組成見(jiàn)表4)經(jīng)凈化后進(jìn)入PSA-C+2/R裝置除去C1、C2(C1、C2脫除率按90%計(jì))，可使煤層氣中C+3含量從1633%上升到6685%，將裝置處理量提高3倍多。圖2所示的原理流程與圖1的不同之處是用壓縮機(jī)和分離器替代傳統(tǒng)輕烴回收裝置，簡(jiǎn)化了工藝流程，降低了設(shè)備投資。 圖1 PSA系統(tǒng)+傳統(tǒng)轉(zhuǎn)烴回收工藝的原理流程1：SDA；2：PSA-CO２/R(或PSA-CH4)；3：PSA-C＋２/R：4：傳統(tǒng)輕烴回收工藝。圖2 PSA法用于輕烴回收的原理 流程1：SDA；2：PSA-CO２/R(或PSA-CH4)； 3：PSA-C＋2/R：4：壓縮機(jī)；5：一級(jí)分離器；6：二級(jí)分離器表4 PSA-C+2/R裝置進(jìn)、出口氣的組成(%) 組份 C1 C2 C3+C4 C1+C5 N2 H2S CO2 煤層氣 7482 510 1279 354 010 003 362 進(jìn)口 7768 529 1326 367 010 0 0 出口 3068 209 5235 1450 038 0 0 35 PSA技術(shù)在煤層氣貯運(yùn)中的應(yīng)用 大規(guī)模的煤層氣開(kāi)發(fā)可采用管線輸送煤層氣，但對(duì)于單井產(chǎn)量低、氣井遠(yuǎn)離輸氣系統(tǒng)和就地?zé)o用戶的小規(guī)模煤層氣開(kāi)發(fā)，則不宜采用常規(guī)天然氣管輸和液化作為貯運(yùn)手段。 近年來(lái)，繼壓縮天然氣(CNG)、液化天然氣(LNG)作為汽車(chē)燃料之后，一種新的天然氣貯存方式——吸附天然氣(ANG)用于開(kāi)汽車(chē)已逐漸受到人們的重視。ANG技術(shù)系在貯罐中裝入高比表面的天然氣專用吸附劑，利用其巨大的內(nèi)表面積和豐富的微孔結(jié)構(gòu)(孔徑＜30)，在常溫、低壓(30～60MPa)下將天然氣吸附貯存的技術(shù)。ANG與LNG比較，具有投資低、無(wú)蒸發(fā)損失等優(yōu)點(diǎn)；與CNG比較，其投資和操作費(fèi)用降低50%，貯罐形狀和用材選擇余地大，質(zhì)量輕，壓力低，使用方便，安全可靠。ANG技術(shù)在國(guó)內(nèi)已由石油大學(xué)開(kāi)發(fā)成功。因此，小規(guī)模的煤層氣開(kāi)發(fā)，可采用ANG作為煤層氣的貯運(yùn)手段。 但是，ANG用于貯運(yùn)煤層氣時(shí)，C+3組份的存在會(huì)抑制吸附劑對(duì)CH4的 吸附能力，應(yīng)在充裝前除去。采用PSA-C+2/R裝置凈化煤層氣，可以保證煤層氣純度滿足ANG的要求。若將比凈化過(guò)程與輕烴回收工藝結(jié)合，不僅能同時(shí)降低ANG原料氣凈化費(fèi)用和輕烴回收的操作費(fèi)用，還可提高傳統(tǒng)輕烴回收裝置的處理能力，原理流程如圖3所示的的流 圖3 PSA法用于ANG原料氣凈化和輕烴回收的原理流程1SDA； 2P(pán)SA-CO2/R9或PSA-CH4)； 3P(pán)SA-C+3/R； 4壓縮機(jī) 5ANG 6傳統(tǒng)輕烴回收裝置； 7一級(jí)分離器； 8二級(jí)分離器。 程一和流程二。流程一表明，煤層氣依次經(jīng)SDA、PSA-CO2/R裝置，除去H2S、CO2和水份等雜質(zhì)，凈化氣再經(jīng)PSA-C+3/R裝置分離得干氣(C1+C2)和富含C+3組份的解吸氣。干氣經(jīng)單級(jí)壓縮機(jī)壓縮至60MPa，充入內(nèi)裝吸附劑的鋼瓶貯存，即制得ANG，由汽車(chē)運(yùn)輸ANG鋼瓶至用戶，可直接用于開(kāi)汽車(chē)或家用。富含C+3組份的解吸氣經(jīng)傳統(tǒng)輕烴回收裝置分離處理，可得到LPG和輕油；LPG可作為家用燃料和汽車(chē)燃料，輕油可作為汽油的調(diào)合組份或生產(chǎn)30號(hào)、60號(hào)和120號(hào)溶劑油。流程二不同于流程一之處是：從PSA-C+2/R出來(lái)的富含C+3組份的解吸氣經(jīng)壓縮機(jī)加壓后，再經(jīng)一級(jí)分離器脫除殘余C1+C2，最后經(jīng)二級(jí)分離器獲得LPG和輕油。 4 結(jié)束語(yǔ) 我國(guó)煤層氣工業(yè)的進(jìn)展，取決于適合我國(guó)煤層氣開(kāi)發(fā)特點(diǎn)的技術(shù)進(jìn)步。本文正是針對(duì)我國(guó)煤層氣開(kāi)發(fā)的特殊性，提出了將PSA技術(shù)用于煤層氣水平井鉆井，與ECBM結(jié)合提高壓力封閉低滲透煤層中煤層氣的采收率，以及用于煤層氣凈化輕烴回收和貯運(yùn)的觀點(diǎn)。進(jìn)一步分析表明，PSA這一成熟的化工分離技術(shù)與石油、天然氣開(kāi)發(fā)技術(shù)相結(jié)合，在煤層氣開(kāi)發(fā)中具有廣闊的應(yīng)用前景。它具有技術(shù)先進(jìn)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，但要投入實(shí)際運(yùn)用，筆者認(rèn)為還應(yīng)做三個(gè)方面的工作。首先，對(duì)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的PSA技術(shù)在煤層氣開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用應(yīng)做深入的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)論證。其次，煤炭、油氣和化工行業(yè)應(yīng)加強(qiáng)合作，對(duì)技術(shù)成熟的PSA-N2、PSA-CO2/R、PSA-CH4和PSA-C+2/R等技術(shù)用于煤層氣開(kāi)發(fā)，進(jìn)行整體技術(shù)的配套研究。最后，應(yīng)開(kāi)發(fā)不同規(guī)模處理量的PSA-N2、PSA-CO2/R、PSA-CH4和PSA-C+2/R等裝置，以滿足煤層氣開(kāi)發(fā)的需要 |
