CO2是一种典型的温室气体，将CO2注入地层不仅可以提高原油采收率, 还可以实现温室气体CO2的永久性封存, 既提高了经济效益, 又产生了广泛的社会效益[1]。对于CO2驱油技术的研究，至目前已有几十年的历史, 而其中又以美国、加拿大等国家应用得最为广泛和成功[2-3]。我国的大庆油田、中原油田、吉林油田等也先后开展过多次的CO2驱先导性试验[4, 5], 并取得了一定的成果。国内外CO2驱生产实践表明，注CO2已成为特低渗透油田改善开发效果、建立有效驱动体系的主要技术措施[6-9]。
要实现CO2驱油，最重要的一点是要有充足且符合驱油要求的CO2气体。然而，含CO2的气源中通常都含有含硫化合物、氮氧化物、H2O、烃类等杂质。而用作驱油的CO2产品都要求其中杂质含量很低[10]。因此CO2的分离提纯技术是驱油技术的基础, 也是驱油技术发展的关键问题之一。基于此，笔者对传统的低温分馏工艺进行了优化，并以实际项目数据为基础，利用HYSYS模拟软件对优化前后的工艺进行了模拟研究，并对相关结果进行了分析。
脱水后的原料气先进入预冷器预冷，随后再进入液化器液化(液化所需的冷量由氨制冷系统提供)，液化后得到CO2进入提纯塔提纯，提纯后得到的液体CO2产品经CO2过冷器(过冷所需的冷量也由氨制冷系统提供)过冷并节流后，经管线输送至已建储罐。而提纯后得到的不凝气，经节流降温后进入预冷器，进行冷量回收后进入放空系统。具体见图 1所示。
对于低温分馏提纯工艺流程的优化主要体现在提纯塔方面，传统的提纯塔单元采用经典的分馏塔，塔顶蒸汽混合物进入塔顶冷凝器冷凝，冷凝后的混合物在塔顶回流罐内分离，分离得到的凝液经塔顶回流泵打回精馏塔顶层塔板，未凝蒸汽则作为塔顶产品排出；而塔底来的液体混合物则进入塔底再沸器加热，部分汽化后得到的气相返回底层塔板，剩余的液相则由塔底排出作为塔底产品。在传统的工艺流程中，塔顶冷凝器与塔底再沸器均独立于提纯塔之外，同时塔顶冷凝器利用外界制冷剂来提供冷量，塔底再沸器则利用热水或其它热源来提供热量。具体流程图见图 2中(a)。在此，我们分别从工艺和设备安装角度进行了优化，优化后的流程图如图 2中(b)所示。
在工艺方面，塔顶冷凝方式由原来的外界提供冷量改为利用自身蒸发气节流后产生的冷量，而塔底再沸器的热量则由氨压缩制冷系统中本身产生的高温循环气氨来提供。以某一实际工程为例，利用HYSYS模拟软件对优化前后的工艺进行了模拟，并在同一压力下且产品收率一致的条件下，比较了工艺优化前后系统所需消耗的冷、热负荷的大小，并对相关参数进行了分析(具体结果见图 3(a)、(b))。在该工程中，原料气的进站压力为4.74 MPa，已建CO2储罐的最大操作压力为2.16 MPa，因此本文中研究的提纯塔压力选在2.3 MPa~4.6 MPa之间。另外本工程中气源为油田采出气，原料气组成以及进出分馏塔组分组成见表 1。虽然塔的馏出物跟塔压和塔顶冷凝温度都有关系，但由于馏出物中CO2为99%的比例是一定的，其它组分只占很少的一部分，即使组成发生变化，但变化幅度也并不大，故此处列举的仅是优化后的工艺在2.3 MPa下的馏出物组分。
其它条件一定的情况下，产品收率受制于塔顶冷凝温度，而优化后的工艺在同一压力下塔顶冷凝温度变化范围很小，故可认为当塔压一定时，产品收率基本是不变的。传统工艺则可通过调整塔顶冷凝温度来使产品收率与优化后的工艺一致。根据图 3可知，两种工艺条件下，外界所需的冷负荷随压力的变化趋势是一致的，即冷负荷随着压力的增加基本呈直线规律增加。只不过在相同的压力条件下，工艺优化后，系统需要外界所提供的冷负荷是明显减小的，同时也不需要外界提供额外的热负荷来满足再沸器所需的热量。因此，采用新工艺既减少了外界提供冷量所需的能耗，也节省了提供热负荷的燃料气，节约了运行成本。
原料气及进出塔的组分组成见表 1。
从设备安装角度考虑，我们将塔顶冷凝器安装在提纯塔顶端内部，冷凝后得到的凝液可以自流回到提纯塔内，这样就节省了塔顶回流罐和塔顶回流泵。而由于塔底再沸器提供热量的高温气氨可以依靠自身的压力实现循环，故可将塔底再沸器制成盘管状安装在提纯底端内部，这样就可以省掉热水炉和热水循环泵。优化前后的工艺流程所需设备具体对比见表 2。可见，优化后的工艺简化了工艺流程，减少了设备数量和设备占地面积，降低了设备投资。
图 4表示的是工艺经过优化后，液态CO2产品量及外界所需提供的冷负荷随提纯塔压力的变化关系。可见，虽然CO2产品量会有一定幅度的变化，但变化并不大，当塔压在2.3 MPa~4.6 MPa之间变化时，液体CO2最大产品量与最小产品量之间仅相差1.95%，并且其峰值出现在3.6 MPa~4.0 MPa之间，此后无论是压力继续增大或继续减小，液态CO2产品量均是降低的。出现这种现象的主要原因是由于产品量受塔压和塔顶冷凝温度两个因素的制约，塔压越高，塔顶冷凝温度越低，产品量越高, 但同时塔顶冷凝温度又受塔压的影响，塔压越高，塔顶不凝气的温度越高。在高压阶段，塔顶冷凝温度的变化对产品量的制约占主要因素，而在低压阶段，压力的变化对产品量的制约又开始占主要因素。虽然从产品量的角度出发考虑，提纯塔压力宜选在3.6 MPa~4.0 MPa之间，但对外界所需提供的冷负荷而言，其随着提纯塔压力的减小是呈直线规律降低的，且相对变化幅度较大，最大产品量和最小产品量对应压力处所需的冷负荷相差15.1%，同时最小冷负荷出现在2.3 MPa处。由于塔压越低，对设备的要求越低，相应的设备投资也越低，故优化工艺下宜选用2.3 MPa作为提纯塔的工作压力。
在其它条件相同的情况下，研究了在提纯塔压力为2.3 MPa时，液态产品CO2量和外界所需提供的冷负荷随塔板数的变化关系(见图 5)。可见，在该工艺条件下，随着塔板数的增加，系统产生的液态CO2产品是逐渐增加的。但是，当进一步增加塔板数至12块时，产品量基本不再增加。同时，在塔板数增加的过程中，外界所需提供的冷负荷基本是不变的。因此在模拟条件下，优化工艺提纯塔的塔板数选12块为宜。
(1) 从工艺和设备安装角度对分馏提纯传统工艺进行了优化，并利用HYSYS软件模拟对比了两种工艺流程。结果表明，优化后的工艺，流程简单，设备数量少，同时利用了自身气体节流所产生的冷量以及氨压缩制冷系统中高温气氨的热量，既减少了外界提供冷量(183.6 kW)所需的能耗，也节省了提供热负荷(153.7 kW)所需要的燃料气，节约了成本。
(2) 通过分析液态CO2和外界所需提供冷负荷随提纯塔压力的变化关系得出，文中模拟条件下优化工艺宜选用2.3 MPa作为提纯塔的工作压力。
(3) 通过分析液态CO2和外界所需提供冷负荷随塔板数的变化关系得出，文中模拟条件下优化工艺提纯塔塔板数宜选12块。
2012, Vol. 41 Issue (6): 547-550
2012, Vol. 41 Issue (6): 547-550