一种油田火驱尾气碳减排处理系统的制作方法

1.本实用新型涉及石油开采尾气处理领域，尤其涉及一种油田火驱尾气碳减排处理系统。


背景技术：

2.火驱采油技术，即采用高压风机将高压空气不断注入地层并点燃，形成一个燃烧带，使原油裂解、蒸馏、降粘，燃烧过程中产生的热量及烟气会将原油由注汽井推到生产井，进而实现原油的短距离的驱替开采。火驱采油技术特别适合稠油开采，其具有热效率利用率高、采油率高、开采成本低、油田适用范围广等优点。
3.然而，火驱采油技术会产生大量的火驱尾气并通过生产井排出，火驱尾气的组分主要由氮气、甲烷、二氧化碳、一氧化碳、乙烷、丙烷、硫化氢、饱和水蒸气等组成。其中，除饱和水蒸气外，尾气以氮气、甲烷、二氧化碳为主，占97％以上。
4.对于尾气中的水蒸气，若不加以处理，则冬季会出现管道结冰冻堵现象，会造成系统增压，严重影响火驱采油的效率。同时，对于尾气中的甲烷和二氧化碳，若不加以处理直接排放，会增加碳排放当量(尤其是甲烷，一吨甲烷的排放碳当量是一吨二氧化碳的86倍，以排放20年内的影响进行计算)，与国家的碳达峰、碳中和环境政策不相符。另外，尾气直接排放还会浪费大量的不可再生能源。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的是提供一种油田火驱尾气碳减排处理系统，其能够解决冬季管线因水蒸气冷凝冻结、减少碳排放同时将尾气进行资源化利用。
6.本实用新型解决上述技术问题的技术方案是：一种油田火驱尾气碳减排处理系统，包括通过尾气输送管依次连接的脱水单元、等离子重组单元、降温除尘单元、脱酸单元以及变压吸附单元，其中，所述等离子重组单元包括一二氧化碳重整塔，所述二氧化碳重整塔的进气口设置在其一侧下部，出气口设置在其顶部，所述二氧化碳重整塔的另一侧设有水平高度大于其进气口高度的等离子炬。
7.作为本实用新型的更进一步改进，所述等离子炬上设有气源接口、电源接口、冷却水进口以及冷却水出口，所述电源接口与等离子电源连接，冷却水进口通过输送管道、去离子水泵与去离子水箱连接。
8.作为本实用新型的更进一步改进，所述去离子水箱上设有风冷器，所述冷却水出口通过输送管道与去离子水箱连接。
9.作为本实用新型的更进一步改进，所述脱水单元包括通过尾气输送管依次连接的前端气液分离罐和聚结过滤罐，所述前端气液分离罐和聚结过滤罐的进气口皆设置在两者的一侧下部，出气口皆设置在两者的顶部，所述前端气液分离罐和聚结过滤罐的底部皆通过输送管道与污水箱连接。
10.作为本实用新型的更进一步改进，所述降温除尘单元包括降温除尘塔，所述降温
除尘塔的进气口设置在其一侧下部，出气口设置在其顶部，所述降温除尘塔底部通过输送管道与酸液箱的一侧上部连接，所述酸液箱的另一侧上部通过输送管道、酸液泵与降温除尘塔内的喷淋头连接。
11.作为本实用新型的更进一步改进，所述降温除尘塔内从上往下依次设置有多层位于其进气口上方的填料过滤层，相邻填料过滤层之间皆设有喷淋头。
12.作为本实用新型的更进一步改进，所述酸液箱底部通过输送管道、浓浆泵与离心机连接，所述离心机的出口通过输送管道与酸液箱顶部连接。
13.作为本实用新型的更进一步改进，所述脱酸单元包括碱洗塔，所述碱洗塔的进气口设置在其一侧下部，出气口设置在其顶部，所述碱洗塔底部通过输送管道与碱液箱的进口连接，所述碱液箱的出口通过输送管道、碱液泵与碱洗塔内的喷淋头连接；所述碱液箱上设有ph指示计。
14.作为本实用新型的更进一步改进，所述变压吸附单元包括通过尾气输送管依次连接的压缩机、后端气液分离罐以及吸附罐组，所述后端气液分离罐的进气口设置在其一侧下部，出气口设置在其顶部，所述后端气液分离罐的底部连接有排液通道。
15.作为本实用新型的更进一步改进，所述吸附罐组包括至少两个并联设置吸附罐，所述吸附罐顶部设有氮气排出管，所述氮气排出管通过一支管与等离子炬连接。
16.有益效果
17.与现有技术相比，本实用新型的一种油田火驱尾气碳减排处理系统的优点为：
18.1、该系统在使用时，先通过尾气输送管将尾气输送到脱水单元中，利用脱水单元对尾气进行脱水处理。然后，脱水后的尾气被送入到二氧化碳重整塔中，利用等离子炬，尾气与等离子体在塔中充分的混合，尾气中的二氧化碳和甲烷在等离子活性粒子作用下发生干式重整反应生成一氧化碳和氢气，氢气和氮活性粒子生成氨气；因此，经过等离子体在二氧化碳重整塔后，尾气的成分主要有氮气、氨气、一氧化碳，少量的乙烷、丙烷、硫化氢等。接着，经过等离子重组单元处理后的尾气依次经过降温除尘单元降温除尘、脱酸单元以脱酸被送入变压吸附单元。最后，在变压吸附单元对尾气进行压缩脱水、变压吸附处理后，会分离出氮气和一氧化碳，氮气一部分作用等离子炬的工质气体，剩余的直接高空排放，一氧化碳则进行收集外售。
19.利用该尾气处理系统，能将尾气中的水蒸气进行分离，将尾气中的水分含量由＞2.5g/nm3降到＜0.5g/nm3，从而解决饱含水蒸气的尾气会遇冷凝结，严重时甚至会凝结成冰造成管线堵塞的问题。同时，由于该尾气处理系统能利用等离子炬将甲烷和二氧化碳转化为水煤气，也达到了减少碳排放、将尾气进行资源化利用的目的。
20.2、等离子炬上设有气源接口、电源接口、冷却水进口以及冷却水出口，电源接口与等离子电源连接，冷却水进口通过输送管道、去离子水泵与去离子水箱连接。去离子水箱上设有风冷器，冷却水出口通过输送管道与去离子水箱连接。该等离子炬冷却采用去离子水进行冷却，去离子水在等离子炬的水室与等离子炬的电弧通道进行热交换后进入去离子水箱，去离子水通过去离子水箱上的风冷器，经过空气冷却换热后，再由去离子水泵重新送入到等离子炬。通过该套循环供水设备，能将冷却水循环利用，减少了对水资源的浪费。
21.3、尾气依次经过前端气液分离罐和聚结过滤罐进行脱水处理，在这个过程中，尾气皆从前端气液分离罐和聚结过滤罐侧壁进入，顶部输出，尾气中的水分会在向上升腾的
过程中进行脱水——水分向下滴落汇集在罐体底部，并通过输送管道送入到污水箱中。通过该脱水单元，能将尾气中的水蒸气进行分离，将尾气中的水分含量由＞2.5g/nm3降到＜0.5g/nm3，从而解决饱含水蒸气的尾气会遇冷凝结，严重时甚至会凝结成冰造成管线堵塞的问题。
22.4、降温除尘单元由降温除尘塔、酸液箱、酸液泵、离心机、浓浆泵组成，经过重整后的尾气进入降温除尘塔中逆流与降温除尘塔内部上方喷淋的酸液反应，并在填料过滤层上进行传质传热。尾气中的碱性气体(主要为氨气)吸收酸液(采用硫酸)形成硫酸铵溶液和硫酸氢氨溶液，并会混同未反应的硫酸，通过降温除尘塔底部的输送管道进入酸液箱。进入酸液箱后的硫酸铵溶液和硫酸氢氨溶液比重大于硫酸，会沉降到酸液箱下部形成浊液(这是因为硫酸铵溶液和硫酸氢氨溶液在达到饱和后会逐渐析出硫酸铵和硫酸氢氨晶体)，硫酸则会在酸液箱上部汇聚。其中，硫酸会在酸液泵的作用下重新投入降温除尘塔，继续和尾气反应，浊液则会在浓浆泵的作用到送到离心机中。在离心机的高速离心力的作用下，将硫酸铵晶体甩出进行装袋，分离出的液体则输送至酸液箱，混合未反应的酸液后重新投入降温除尘塔。通过该单元，能将等离子重整单元中反应产生的氨气分离出来，并以硫酸铵晶体的形式收集起来，完成对尾气中的氨成分回收再利用。
23.5、降温除尘塔内从上往下依次设置有多层位于其进气口上方的填料过滤层，相邻填料过滤层之间皆设有喷淋头。如此设置，能够对尾气进行多次酸液喷淋、过滤降温，从而能够尽可能的将尾气中的氨气反应完全。
24.6、脱酸单元由碱洗塔、碱液箱、碱液泵组成，碱洗塔也采用填料塔，尾气经过逆流的方式与碱液进行传质传热反应，吸收残酸的碱液自重力流入碱液箱后经碱液泵输送至碱洗塔循环喷淋洗涤吸收残酸。通过该单元，能将尾气中的酸性物质中和去除掉。并且，碱液箱上设置有ph计，当ph值降至中性时，排出一部分液体，再向其中补充新的碱液。
25.7、变压吸附单元由压缩机、后端气液分离罐、吸附罐组成，脱酸后的尾气经压缩机增压后送至后端气液分离罐，尾气在后端气液分离罐中脱除水分后进入吸附罐中，变压吸附采用两塔操作，其中一塔处于进料吸附状态，其全部工艺过程为吸附、均压降压、解吸、均压升压、完成。脱附出的氮气一部分通过氮气排出管的支管输送给等离子炬，作为等离子炬的工质气体，另一部分气体排空放出。解吸出的一氧化碳送至一氧化碳储罐后再进行资源化利用。该单元能将尾气中的氮气分离出来用作等离子炬的工作介质，形成对尾气的有效利用，同时还能进一步将一氧化碳解吸出来，达到了减少碳排放、将尾气进行资源化利用的目的。
26.通过以下的描述并结合附图，本实用新型将变得更加清晰，这些附图用于解释本实用新型的实施例。
附图说明
27.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
28.图1为本实用新型的结构示意图；
29.图2为等离子重组单元的结构示意图；
30.图3为降温除尘单元的结构示意图；
31.图4为脱酸单元的结构示意图。
32.其中：1-前端气液分离罐；2-污水箱；3-聚结过滤罐；4-二氧化碳重整塔； 5-等离子电源；6-等离子炬；7-去离子水泵；8-去离子水箱；9-风冷器；10-降温除尘塔；11-酸液箱；12-酸液泵；13-浓液泵；14-离心机；15-碱洗塔；16
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碱液箱；17-碱液泵；18-压缩机；19-后端气液分离罐；20-吸附罐；21-尾气输送管；22-氮气排出管。
具体实施方式
33.为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本实用新型进一步详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
34.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；当然的，还可以是机械连接，也可以是电连接；另外的，还可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，或者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，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
35.现在参考附图描述本实用新型的实施例。
36.实施例
37.火驱是人为的将高压空气不断注入地层并点燃，形成一个燃烧带，使原油裂解、蒸馏、降粘达到对原油开采的目的。而空气中的氧被消耗后形成烟气并通过生产井排出，烟气的组分主要由氮气、甲烷、二氧化碳、一氧化碳、乙烷、丙烷、硫化氢、饱和水蒸气等组成，除饱和水蒸气外，氮气、甲烷、二氧化碳为主，占97％以上。某油田火驱井的尾气成分见表1：
38.表1火驱井的尾气成分
39.co2(％)n2(％)h2o(％)ch4(％)o2(％)co(％)h2s(mg/m3)12.0150.9719.112.980.960.9272.1
40.从尾气组分可以看，水蒸气在尾气占19.1％，水蒸气对尾气处理带来影响：在冬天，水蒸气遇冷凝结，随着温度降低则会凝结成冰造成管道堵塞。因此需对尾气中的水蒸气进行分离。
41.本实用新型的具体实施方式如图1-4所示，一种油田火驱尾气碳减排处理系统，包括通过尾气输送管21依次连接的脱水单元、等离子重组单元、降温除尘单元、脱酸单元以及变压吸附单元。其中，等离子重组单元包括一二氧化碳重整塔4。二氧化碳重整塔4的进气口设置在其一侧下部，出气口设置在其顶部。二氧化碳重整塔4的另一侧设有水平高度大于其进气口高度的等离子炬6。
42.该系统在使用时，先通过尾气输送管21将尾气输送到脱水单元中，利用脱水单元对尾气进行脱水处理。然后，脱水后的尾气被送入到二氧化碳重整塔4 中，利用等离子炬6，尾气与等离子体在塔中充分的混合，尾气中的二氧化碳和甲烷在等离子活性粒子作用下发生干式重整反应生成一氧化碳和氢气，氢气和氮活性粒子生成氨气。因此，经过等离子体在
二氧化碳重整塔1后，尾气的成分主要有氮气、氨气、一氧化碳，少量的乙烷、丙烷、硫化氢等。接着，经过等离子重组单元处理后的尾气依次经过降温除尘单元降温除尘、脱酸单元以脱酸被送入变压吸附单元。最后，在变压吸附单元对尾气进行压缩脱水、变压吸附处理后，会分离出氮气和一氧化碳，氮气一部分作用等离子炬6的工质气体，剩余的直接高空排放，一氧化碳则进行收集外售。
43.利用该尾气处理系统，能将尾气中的水蒸气进行分离，将尾气中的水分含量由＞2.5g/nm3降到＜0.5g/nm3，从而解决饱含水蒸气的尾气会遇冷凝结，严重时甚至会凝结成冰造成管线堵塞的问题。同时，由于该尾气处理系统能利用等离子炬将甲烷和二氧化碳转化为水煤气，也达到了减少碳排放、将尾气进行资源化利用的目的。
44.本实施例中，为了提高气气反应效率，尾气以切向旋流的方式进入二氧化碳重整塔4，等离子炬6以反切向(相对于尾气的进气方向)并高于进气口截面200mm～500mm处的位置布置，使等离子体进入二氧化碳重整塔4。等离子炬6上设有气源接口、电源接口、冷却水进口以及冷却水出口。电源接口与等离子电源5连接，冷却水进口通过输送管道、去离子水泵7与去离子水箱8连接。去离子水箱8上设有风冷器9，冷却水出口通过输送管道与去离子水箱8连接。
45.该等离子炬6冷却采用去离子水进行冷却，去离子水在等离子炬6的水室与等离子炬6的电弧通道进行热交换后进入去离子水箱8，去离子水通过去离子水箱8上的风冷器9，经过空气冷却换热后，再由去离子水泵7重新送入到等离子炬6。通过该套循环供水设备，能将冷却水循环利用，减少了对水资源的浪费。
46.关于脱水单元，其包括通过尾气输送管21依次连接的前端气液分离罐1和聚结过滤罐3。前端气液分离罐1和聚结过滤罐3的进气口皆设置在两者的一侧下部，出气口皆设置在两者的顶部。前端气液分离罐1和聚结过滤罐3的底部皆通过输送管道与污水箱2连接。尾气依次经过前端气液分离罐1和聚结过滤罐3进行脱水处理，在这个过程中，尾气皆从前端气液分离罐1和聚结过滤罐3 侧壁进入，顶部输出。尾气中的水分会在向上升腾的过程中进行脱水——水分向下滴落汇集在罐体底部，并通过输送管道送入到污水箱2中。通过该脱水单元，能将尾气中的水蒸气进行分离，将尾气中的水分含量由＞2.5g/nm3降到＜ 0.5g/nm3，从而解决饱含水蒸气的尾气会遇冷凝结，严重时甚至会凝结成冰造成管线堵塞的问题。
47.关于降温除尘单元，其包括降温除尘塔10。降温除尘塔10的进气口设置在其一侧下部，出气口设置在其顶部，降温除尘塔10底部通过输送管道与酸液箱 11的一侧上部连接。酸液箱11的另一侧上部通过输送管道、酸液泵12与降温除尘塔10内的喷淋头连接。酸液箱11底部通过输送管道、浓浆泵13与离心机 14连接。离心机14的出口通过输送管道与酸液箱11顶部连接。本实施例中，降温除尘塔10内从上往下依次设置有多层位于其进气口上方的填料过滤层，相邻填料过滤层之间皆设有喷淋头。如此设置，能够对尾气进行多次酸液喷淋、过滤降温，从而能够尽可能的将尾气中的氨气反应完全。
48.降温除尘单元由降温除尘塔10、酸液箱11、酸液泵12、离心机14、浓浆泵13组成。经过重整后的尾气进入降温除尘塔10中逆流与降温除尘塔10内部上方喷淋的酸液反应，并在填料过滤层上进行传质传热。尾气中的碱性气体(主要为氨气)吸收酸液(采用硫酸)形成硫酸铵溶液和硫酸氢氨溶液，并会混同未反应的硫酸，通过降温除尘塔10底部的输送管道进
入酸液箱11。进入酸液箱 11后的硫酸铵溶液和硫酸氢氨溶液比重大于硫酸，会沉降到酸液箱11下部形成浊液(这是因为硫酸铵溶液和硫酸氢氨溶液在达到饱和后会逐渐析出硫酸铵和硫酸氢氨晶体)，硫酸则会在酸液箱11上部汇聚。其中，硫酸会在酸液泵12 的作用下重新投入降温除尘塔10，继续和尾气反应，浊液则会在浓浆泵13的作用到送到离心机14中。在离心机14的高速离心力的作用下，将硫酸铵晶体甩出进行装袋，分离出的液体则输送至酸液箱11，混合未反应的酸液后重新投入降温除尘塔10。通过该单元，能将等离子重整单元中反应产生的氨气分离出来，并以硫酸铵晶体的形式收集起来，完成对尾气中的氨成分回收再利用。
49.关于脱酸单元，其包括碱洗塔15。碱洗塔15的进气口设置在其一侧下部，出气口设置在其顶部。碱洗塔15底部通过输送管道与碱液箱16的进口连接。碱液箱16的出口通过输送管道、碱液泵17与碱洗塔15内的喷淋头连接。碱液箱16上设有ph指示计。脱酸单元由碱洗塔15、碱液箱16、碱液泵17组成。碱洗塔15也采用填料塔，尾气经过逆流的方式与碱液进行传质传热反应，吸收残酸的碱液自重力流入碱液箱16后经碱液泵17输送至碱洗塔15循环喷淋洗涤吸收残酸。通过该单元，能将尾气中的酸性物质中和去除掉。并且，碱液箱16 上设置有ph计，当ph值降至中性时，排出一部分液体，再向其中补充新的碱液
50.另外，关于变压吸附单元，其包括通过尾气输送管21依次连接的压缩机18、后端气液分离罐19以及吸附罐组。后端气液分离罐19的进气口设置在其一侧下部，出气口设置在其顶部。后端气液分离罐19的底部连接有排液通道。本实施例中，吸附罐组包括至少两个并联设置吸附罐20。吸附罐20顶部设有氮气排出管22，氮气排出管22通过一支管与等离子炬6连接。
51.变压吸附单元由压缩机18、后端气液分离罐19、吸附罐20组成。脱酸后的尾气经压缩机18增压后送至后端气液分离罐19，尾气在后端气液分离罐19 中脱除水分后进入吸附罐20中。关于吸附罐组，本实施例中的变压吸附罐组采用两塔操作，其中一塔处于进料吸附状态，其全部工艺过程为吸附、均压降压、解吸、均压升压、完成。脱附出的氮气一部分通过氮气排出管22的支管输送给等离子炬6，作为等离子炬6的工质气体，另一部分气体排空放出。解吸出的一氧化碳则送至一氧化碳储罐后再进行资源化利用。该单元能将尾气中的氮气分离出来用作等离子炬6的工作介质，形成对尾气的有效利用，同时还能进一步将一氧化碳解吸出来，达到了减少碳排放、将尾气进行资源化利用的目的。
52.其具体的处理方法如下：
53.火驱采油进口排出的尾气依次与前端气液分离罐1、聚结过滤罐3相连，对尾气中的水蒸气进行分离，采气液分离器的温度为35℃，压力为175kpa，可将尾气中的水分(含水量＞2.5g/nm3)降到＜0.5g/nm3。前端气液分离罐1、聚结过滤罐3脱出的水分经无害化处理。
54.脱水后的尾气进入到二氧化碳重整塔4，尾气中的二氧化碳和甲烷在等离子活性粒子的催化作用下反应生成一氧化碳和氢气，氢气进一步与氮气等离子体反应生成氨气，为了提高气气反应效率，尾气以切向旋流的方式进入二氧化碳重整塔4，等离子炬(离子炬平均温度为3000℃)以反切向并高于尾气进口截面300mm处(相对于尾气的进气方向)的位置布置使等离子体进入二氧化碳重整塔4，尾气与等离子体在塔中充分的混合。等离子炬6采用氮气作为工质气体，等离子冷却采用去离子水进行冷却，去离子水在等离子炬6的水室
与等离子炬的电弧通道进行热交换后进入等离子水箱8，去离子水经过去离子循环水泵7泵入到风冷器9经过空气冷却换热后送入到等离子炬6。
55.经过重整后的尾气进入降温除尘塔10中逆流与降温除尘塔10上端的7.5 mol/l硫酸溶液在降温除尘塔10上进行传质传热，尾气中的氨气吸收形成硫酸铵与硫酸氢铵的溶液，硫酸铵和硫酸氢铵达到饱和后送入到离心机14，在离心机14的高速离心力的作用下将硫酸铵与硫酸氢铵固体甩出进行装袋，分离出的液体输送至酸液箱11。
56.尾气经过降温除尘塔10降至常温后送至脱酸单元将降温除尘单元中的残留酸气去除，其残酸主要为硫化氢与硫酸，碱洗塔15也采用填料塔，碱液选用饱和氢氧化钙溶液作为碱液，尾气经过逆流的方式与碱液进行传质传热反应，吸收残酸的碱液自重力流入碱液箱16后经碱液泵17输送至碱洗塔15循环喷淋洗涤吸收残酸，碱液箱16上设置有ph计，当ph值降至中性时，排出一部分液体，再向箱中补充新的碱液。
57.吸收完残酸的尾气直接进入变压吸附单元，脱酸后的尾气经压缩机18增压后送至后端气液分离罐19，尾气在后端气液分离罐19中脱除水分后进入吸附罐 20中进行变压吸附，变压吸附采用两塔操作，其中一塔处于进料吸附状态，另一塔处于解析状态，其全部工艺过程为吸附、均压降压、解吸、均压升压完成，其变压范围为500～600kpa。脱附出的氮气一部分作为等离子炬6的工质气体，另一部分气体排空放出，解吸出的一氧化碳送至一氧化碳储罐后再进行资源化利用。
58.经上述步骤处理后，排出的尾气满足《大气污染物综合排放标准》gb 16297-1996规范和《恶臭污染物排放标准》gb 14554-1993在二类地区的排放要求，排出尾气成分及占比见表2。
59.表2排出尾气成分及占比
60.成分co2(％)n2(％)no
x
(mg/m3)ch4(％)o2(％)co(％)so2(mg/m3)占比091.0≤20008.55
61.以上结合最佳实施例对本实用新型进行了描述，但本实用新型并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本实用新型的本质进行的修改、等效组合。