在天然气预处理中，气体膜分离技术主要应用在天然气脱碳、脱水和提氦上[1]，此工艺流程简单、操作方便，当处理小流量气体时可设计为无人值守操作[2]。目前国外已有将膜分离技术应用于天然气净化领域的实际案例，但在国内还未大规模应用，因此掌握和推广天然气膜分离脱碳技术还需进行进一步深入研究。 1 天然气膜法脱碳基本原理
混合气体中各组分通过膜的渗透速率不同而获得分离的方法即为膜分离法，它的特点是装置结构简单，易操作、能耗低，是一种发展较为迅速的节能型气体分离技术[3]。其本质是基于不同分子在膜材料上的渗透率不同，在膜两侧受到压力梯度的作用下，一种分子优先通过分离膜而达到选择性分离的目的。
2 商用分离膜材料
商业上用于脱除CO2的3种主要的分离膜材料为乙酸纤维素、聚酰亚胺、全氟聚合物。3种商用分离膜材料性能对比见表1。
其中，乙酸纤维素膜在天然气处理中占膜市场的80%，因其在工业领域的接受度广泛，已成为用于分离膜比较的行业标准，其主要市场是高含CO2的天然气和占地空间有限的油气田，如海上平台。聚酰亚胺
易于制备成不对称膜，同时表现出良好的热稳定性和化学稳定性，被认为是乙酸纤维素的替代品，但实际应用中聚酰亚胺分离性能的损失程度比乙酸纤维素严重，且受限于昂贵的价格和使用中存在塑化问题，聚酰亚胺市场很小。全氟聚合物对CO2和碳氢化合物具有很强的抗塑能力，但选择性低，鲜有全氟聚合物的选择性能达到聚酰亚胺水平，且制造成本高。
表1 商用分离膜材料性能对比
特性乙酸纤维素聚酰亚胺全氟聚合物
渗透性一般高高
选择性一般良好低
热稳定性-良好强
化学稳定性-良好强
抗塑化性弱较弱强
3 膜法脱碳工艺
膜分离CO2工艺设计需要综合考虑以下因素：分离膜的渗透性和选择性；原始天然气中CO2的浓度和分离要求；投资等。典型的膜分离CO2工艺有以下5种：一级膜分离工艺流程、二级膜分离工艺流程、一二级混合膜分离工艺流程、三级膜分离工艺流程、膜分离与胺吸收混合工艺流程。典型膜法脱碳工艺对比见表2。
天然气膜分离脱碳技术评述
胡苏阳 花亦怀 李秋英 曾伟平
中海石油气电集团有限责任公司 北京 100028
摘要：随着膜材料制造水平的快速提高，天然气膜分离脱碳重新回到人们视野，分离膜应用于天然气净化具有能耗低、操作简便、装置结构紧凑、占地面积小等特点，且可设计为无人值守操作，近年来逐渐成为天然气脱碳技术的研究热点。当前应用膜分离脱除天然气中的CO2，大大节省了装置的投资及操作成本，与采用传统的甲基二乙醇胺（MDEA）脱除工艺相比，操作成本可降低30％，同时更加适合高含CO2原料气的碳脱除。目前国外已有将膜分离技术应用于天然气净化领域的实际案例，但在国内还在实验研究阶段，掌握和推广天然气膜分离脱碳技术还需进一步深入研究。
关键词：天然气 脱碳 膜分离法 分离膜
Review on membrane separation and decarbonization technology of natural gas
Hu Suyang，Hua Yihuai，Li Qiying，Zeng Weiping
CNOOC Gas & Power Group Co.，Ltd.，Beijing 100028
Abstract：With the rapid improvement of membrane material manufacturing level，natural gas membrane separation and decarbonization is back to people’s vision. The application of separation membrane in natural gas purification has the characteristics of low energy consumption，simple operation，compact device structure，small footprint，and can be designed as unattended operation. In recent years，it has gradually become a research hotspot of natural gas decarbonization technology. Compared with the traditional MDEA process，the operation cost can be reduced by 30%. At the same time，it is more suitable for carbon removal of feed gas with high CO2 content. At present，there are practical cases of membrane separation technology applied in the field of natural gas purification abroad，but it is still in the stage of experimental research in China，and further research is needed to master and promote the membrane separation decarbonization technology of natural gas.
Keywords：natural gas；decarbonization；separation；separation membrane
表2 典型膜法脱碳工艺对比流程类型特点
一级膜分离工艺流程无旋转部件，维护少，适用于气体流量较小的工况，多用于高压（>3.4MPa）天然气的处理[4]。甲烷损失率通常为 10%～15%
二级膜分离工艺流程甲烷损失可降低到 10%以内，与胺吸收处理工艺相当，可适用于大气流。二级膜分离配备压缩机，可用于低压天然气的处理
一二级混合膜分离工艺流程在二级膜分离装置后再加一级膜分离装置，通过二级膜分离器的渗透气经压缩和冷却后在三级膜分离器中进一步分离
三级膜分离工艺流程甲烷损失率约7％，可使用大型压缩机或增大一级膜系统，或通过增加第二级压缩机和处理某些第一级渗透物的膜单元的尺寸将甲烷损失率降低到 3％～4％，适用于陆上处理厂
膜分离与胺吸收混合工艺流程膜单元可除去原料气中2/3的CO
2
，而胺吸收
装置则可除去其余8%的 CO
2
。比全胺或全膜处理厂成本低
4 膜分离应用实例
近10多年来，随着各方面技术水平的提高，膜应用情况有所突破，适用于不同CO2含量的代表性的天然气脱碳装置如下[5]：
（1）高含CO2气体脱除―Mallet处理厂
Mallet天然气处理厂位于美国，采用膜分离与化学溶剂吸收相结合的方式脱除回收CO2，并回收商品天然气和少量的天然气凝液（NGL）。原料气的压力为2.41MPa，含约90％的CO2，日处理量约为288.8×104m3。原料气中CO2含量约为89.9%。
Mallet天然气处理厂的膜分离装置采用了二级膜分离工艺，经第一级膜单元后，渗透气为流量141.6×1
04m3/d，压力1.55MPa的CO2气体，经第二级膜单元后，渗透气为流量48.14×104m3/d，压力0.59MPa的CO2气体。在该膜分离处理系统中，CO2的脱除率高达70％，其中第一级膜单元脱除大部分的CO2约49%，第二级膜单元脱除CO2约21%。 Mallet天然气处理厂的甲基二乙醇胺（MDEA）吸收系统包含MDEA吸收系统和AP-810 MDEA 吸收系统。出膜分离系统的渗余气经MDEA吸收和闪蒸再生脱除掉剩余的大部分CO2，再用AP-810 MDEA 脱除剩余的少量CO2，得到具备商业价值的天然气产品，经处理后的产品天然气中CO2的含量可稳定控制在1.5％以下。
（2）中含CO2气体脱除―Grissik处理厂
Grissik天然气处理厂位于印度尼西亚，采用膜分离＋醇胺吸收脱除的混合工艺。该厂日处理原料天然气877.8×104m3/d，原料天然气CO2含量约30％，经处理后商品天然气CO2含量要求在3％以下。
在原料气进入膜分离单元之前采用变温吸附（TSA）进行预处理。膜分离系统采用简单的一级膜分离工艺，原料气压力约为7.6MPa、温度在32.2~48.9℃之间、经膜分离单元处理后，渗余气中CO2的含量降至约15％。而后经醇胺装置处理，CO2含量可降至约3%，以达到商品天然气管输标准。为提高烃的回收率、降低气损失率，该工艺将出膜分离系统的富含CO2气流（压力约为0.069MPa）作为燃料生产蒸汽，蒸汽热量可用于醇胺吸收系统的再生装置。在Grissik天然气处理厂建成初期，为考虑TSA预处理仅设置了冷凝过滤器。原料气中含量较高的重烃对膜分离系统的分离功能造成了严重的影响，开
工一个月内处理能力下降了20％~30％，为此重新增加TSA预处理系统。可见，预处理对膜分离CO2工艺具有较大影响。
（3）低含CO2气体脱除―Mewbourn处理厂
Mewbourn天然气处理厂位于美国科罗拉多州东北部，该厂用两列制冷装置和相应的液体稳定设备从天然气回收NGL。处理能力在（170~198）×104m3/d，操作压力和温度分别为5.86M P a和37.8℃，原料气中CO2含量为3.0％以上，净化气CO2含量一直稳定维持在低于3.0％的管输标准水平上（实际含量平均约2.75％）。
在原料天然气进入第一段预处理模块之前，（0.85~1.42）×104m3/d的气流走旁路与出膜分离装置的低压、含CO2“废气”混合做装置的燃料。除去一部分用作燃料补充外，还有（79.3~87.8）×104m3/d的原料天然气经二级冷凝过滤后直接从旁路绕过膜分离装置而与经膜分离装置净化后的“干净”天然气混合，使CO2的含量稳定在2.75％~2.85％之间，满足商品天然气的管输标准。 出二级冷凝过滤器的原料天然气除一部分直接旁路绕过膜分离以外，其余（62.3~96.3）×104m3/d的原料天然气经膜分离得到约59.5×104m3/ d的含2.04％CO2的净化天然气，然后这部分净化天然气再与旁路得到的天然气混合，最后得到（138.8~165.4）×104m3/d，CO2含量低于2.85％的商品天然气。从膜分离系统出来的低压富含CO2气中CO2含量为17％~18％，与补充燃料混合得到（4.25~5.10）×104m3/d的燃料，满足全厂对燃料的需求。
5 结语与建议
（1）分离膜脱除CO2，大幅度节省了装置的投资及操作成本，与采用传统的MDEA脱除工艺相比，操作成本可降低30％。
（2）除考虑膜分离脱碳装置单独作为一套工艺装置进行脱碳处理，在工程应用中常采用膜分离与胺法脱碳的集成处理技术，以降低胺法脱碳装置的规模，降低工程投资和能耗。
（3）目前国内将膜分离技术应用于天然气净化领域中脱水处理已很成熟，而脱碳处理才刚刚起步，为掌握和推广天然气膜分离脱碳技术还需进行
（下转第57页）
2.2 吊装索具的选择
主吊为单吊耳时，主吊吊耳系挂一套索具，辅助吊耳系挂另外一套附带倒链的索具，两套索具不能共用一根钢丝绳，否则失去倒链的作用。 主吊为双吊耳时，2个主吊吊耳的钢丝绳共用一套索具，即钢丝绳中间挂在吊车的吊钩上，两端系挂在吊耳上，而辅助吊耳系挂另外一套附带倒链的索具，这样倒链可以将L型烟道调平。
2.3 吊装过程工艺
2.3.1 单溜尾吊车溜尾法
一般情况下竖直L型烟道都采用卧式预制，即水平段和竖直段均横卧在地面上，然后由卧转立进行吊装。若水平段较短（水平段长度6m以内），溜尾吊车选用一台溜尾吊车。主吊吊车将主吊索具和倒链索具系挂好，倒链必须拉紧，防止水平段的端部向下坠，溜尾吊车配合主吊吊车将烟道直立，完成烟道的直立过程。然后进行烟道的空中组对施工，高空作业人员通过拉拽倒链将烟道进行微调，通过组对和焊接完成烟道的安装施工。
2.3.2 双溜尾吊车溜尾法
若水平段较长，或缺少倒链或由于客观原因水平段不能系挂倒链等因素，就需要2台溜尾吊车进行溜尾，一台溜尾吊车系挂在竖直段的尾部，另一台吊车要系挂在水平段的端部，主吊吊车系挂在主吊点处，主吊吊点一般为1个单吊点。
采用此方法吊装的竖直L型烟道，采用这种形式的吊耳，在3台吊车共同将烟道水平吊起时，主吊吊耳
会受到横向的力，此时需要计算吊耳横向弯矩和抗弯模量，校核吊耳是否能够承受横向受力而不导致弯曲变形。待吊水平段的溜尾吊车完成其溜尾任务后，主吊吊耳受力方向较好，满足吊装要求。
3 烟道的形变分析
3.1 吊耳位置的加固
烟道筒壁薄，内部有衬里，尤其是竖直L型烟道的主吊吊点为一个点时，应力易集中，容易产生局部变形。为防止吊点处筒体变形吊点处需加设补强板，目前多数采用360°周圈加设10mm厚度的补强板，或局部较大范围加设补强板。
3.2 烟道挠度校核
有的烟道直径较小，长度较长，需校核计算烟道吊两端时中间的挠度是否在允许范围内，是否为弹性形变。如果不能满足吊装要求时，需上提溜尾吊点或中间加设一台辅助吊车将索具系挂在烟道的中间位置，减少烟道的变形程度。
4 结束语
对于水平L型烟道的吊装施工，其吊耳设计形式可为板式吊耳也可为管式吊耳，吊耳数量选择空间也较
大，吊耳关于重心对称即可将烟道吊水平，吊装过程并不复杂。而对于竖直L型烟道的吊装施工，主吊耳设计形式基本为板式吊耳，数量为1~2个，根据主吊耳方向的不同，吊装过程也不同，溜尾为一台吊车或2台吊车，2台吊车溜尾时吊装过程虽然较为复杂，但逻辑性强，也易于指挥操作。吊耳处壁板的形变量和烟道整体的挠度也是需要运用力学知识或是进行有限元分析校核出是否满足吊装要求。
参考文献
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[2]胡成铭.火力发电厂塔式锅炉尾部第二烟道吊装方案[J].科技资讯，2013（11）：124.
[3]王明铭.250吨转炉烟道上段的更换吊装工艺[J].武汉工程职业技术学院学报，2019，31（2）：11-14.
作者简介
王德千（1984-），男，山东青岛人，汉族，工程师，本科，现从事石油炼化、化工设备的吊装方案编制工作。
气体膜分离林（1982-），男，山东青岛人，汉族，工程师，本科，现从事石油炼化装置、油田建设施工生产管理工作。
任旭鹏（1986）-，男，山东青岛人，汉族，工程师，本科，现从事石油炼化、化工设备的吊装方案编制工作。
进一步深入研究。
参考文献
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[2]王春燕，杨莉娜，王念榕，等. 变压吸附技术在
天然气脱除CO
2上的应用探讨[J].石油规划设计，
2013，24（1）：52-55.
[3]冯书博.膜分离技术的发展及在工业中应用[J].
广西轻工业，2008，24（6）：30-31.
[4]陈赓良.膜分离技术在天然气净化工艺中的应
用[J].天然气工业，1989，9（2）：57-63；9.
[5] Scholes C A ，Stevens G W ，Kentish S E .
Membrane gas separation applications in natural gas
processing[J]. Fuel，2012，96：15-28.
（上接第55页）
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