張劍波（煤炭工業(yè)合肥設計研究院，安徽省 合肥市 230041）

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瓦斯提純制取CNG凈化工藝研究

張劍波（煤炭工業(yè)合肥設計研究院，安徽省 合肥市 230041）

在我國政府日益重視煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的前提下，瓦斯提純制取CNG將逐漸成為煤層氣利用技術發(fā)展的一個重要方向。本文提出了瓦斯提純工藝中需要氣體凈化的原因，并對不同工況下凈化方法進行比較，結合實際選擇適合工程應用的工藝方法，為后續(xù)瓦斯提純制取CNG凈化工藝提供參考性意見。

瓦斯提純；凈化工藝；研究

1　概述

煤礦瓦斯主要由甲烷（CH4）及其同系物組成，甲烷的溫室效應約為CO2的 21倍左右，1m3純瓦斯氣體熱值相當于1.21kg煤炭，煤層氣的充分利用不僅能解決環(huán)境問題，而且對于我國新能源戰(zhàn)略具有深遠的意義［1］。瓦斯利用目前主要集中在瓦斯發(fā)電和民用市場，山西陽煤集團擬將30～35%的瓦斯氣體提純制95%以上，達到車用壓縮天然氣標準，規(guī)模為2250Nm3/h。主要的工藝流程：5萬m3氣柜（5kPa）→螺桿加壓（0.6MPa）→變壓吸附→CNG壓縮系統(tǒng)（25MPa）→CNG母站和子站系統(tǒng)→槽車和公交車、出租車。整個提純工藝，變壓吸附和車用壓縮天然氣等多個環(huán)節(jié)對于氣體品質(zhì)要求各不相同，本文結合工程實際情況對整個凈化工藝進行分析，選擇適合本工程的凈化工藝，為后續(xù)工程設計提供借鑒，本文中凈化工藝包括脫水和除塵兩部分。

2　凈化工藝中的脫水

2.1加壓前脫水工藝

本項目瓦斯氣體從氣柜來供應，氣柜本身可以起到降溫冷凝的作用，降低液態(tài)水的存在。目前瓦斯利用工程加壓前主要采用緩沖罐脫水，通過控制氣體的流速來分離氣體中的水分，實際運行過程中液態(tài)水去除效果不理想，嚴重影響后置機組的運行［2］。本工程擬采用旋風除霧器去除瓦斯氣體中的機械游離水份、霧滴及粉塵，流速控制在10m/s以內(nèi)，對3μm以上的霧滴除霧效率≥95%以上，可以很好去除來氣中的液態(tài)水，滿足壓縮機的來氣品質(zhì)要求。

2.2變壓吸附前脫水工藝

加壓后的煤層氣仍存在少量的液態(tài)水和游離水，長時間運行可能使吸附劑的吸附能力降低，壽命變短，甚至使吸附劑含水失活，去除氣體中的水分很有必要［3］。

目前在瓦斯利用項目中，針對瓦斯脫水的技術主要為溶劑吸收法、固體吸附法和電制冷脫水。

溶劑吸收法利用甘醇類物質(zhì)對烴類、天然氣等溶解度低，溶劑作為吸收劑與瓦斯氣體充分接觸。利用溶劑對水的溶解度高和對水蒸氣吸收能力強的特點，使水蒸氣及液態(tài)水傳遞到溶劑中從而達到脫水的目的，吸附后的溶液進入再生塔中脫水再生，循環(huán)利用。其中三甘醇（TEG）在甘醇類化合物中是經(jīng)濟性最好吸水溶劑。但是溶劑法吸收系統(tǒng)復雜，再生能耗大；TEG易損失、被污染、氧化生成腐蝕性有機酸、設備所占空間大，維護復雜。

固體吸附法是利用吸附材料對氣體組分吸附性能的差異或在不同溫度下吸附容量的變化來實現(xiàn)對氣體組分的分離，采用溫度升降的循環(huán)操作，使低溫下被吸附的強吸附組分在高溫下得以脫附，從而使吸附劑得到再生，經(jīng)冷卻后重新在低溫下吸附強吸附組分。工業(yè)上常用分子篩作吸附劑，技術成熟，應用最廣泛，脫水后干氣含水量可低至0.8mg/m3，露點可低至-100℃，

電制冷脫水是利用氣體飽和含水量隨溫度降低、壓力升高而減小的特點，將被汽水飽和的瓦斯氣體冷卻降溫脫水的方法。電制冷脫水一般作為輔助脫水措施，將氣體中大部分水分先行脫除，然后再進行深度脫水。制冷脫水的的主要問題為耗能高、水露點高等。

目前關于吸附塔中的吸附劑水分含量和露點沒有明確的規(guī)定，根據(jù)工程運行經(jīng)驗常壓露點低于-10℃吸附劑運行壽命較好。固體吸附法一般用于深度凈化場合，當溶劑吸收法脫水和固體吸附法脫水都能滿足露點要求時，采用溶劑吸收法脫水經(jīng)濟效益更好。由于吸附塔對氣體水露點要求不高，本文僅對溶劑吸收法和電制冷方法進行比較。

表1　

溶劑吸收法初始投資高，后期運行費用低，但是考慮到溶液吸收法中存在的三甘醇，化學溶劑可能對吸附劑存在一定影響，本工程選擇電制冷脫水方案更可靠。

2.3壓縮系統(tǒng)脫水工藝

《車用壓縮天然氣》（GB18047-2000）規(guī)定，汽車用壓縮天然氣水露點在最高操作壓力下必須低于最低環(huán)境溫度5℃，項目所在地陽泉最低環(huán)境溫度為-16.2℃，為防止壓縮天然氣在充裝過程中冰堵現(xiàn)象的產(chǎn)生，在變壓吸附后的氣體需設置必要的脫水裝置。

目前一般采用固定吸附脫水干燥方法，脫水劑為硅膠或分子篩。吸附脫水干燥方法根據(jù)工藝流程的不同又可分為兩種，即前置低壓脫水和后置高壓脫水。前置低壓脫水是將脫水裝置安裝在壓縮機進氣口之前，對進站天然氣進行深度脫水，使其水露點達到壓縮天然氣的技術要求，工作壓力為變壓吸附的排氣壓力。后置高壓脫水則是將脫水裝置安裝在壓縮機排氣口之后，對壓縮后的高壓天然氣進行深度脫水，工作壓力為壓縮機的排氣壓力。根據(jù)項目的情況分別對前置低壓脫水和后置高壓脫水進行比較：

2.3.1進氣壓力

低壓脫水裝置的壓力損失一般有0.03～0.05MPa，因進站管網(wǎng)壓力較高（≥0.3MPa）時，前置低壓脫水對壓縮機的處理能力影響不大，當來氣壓力低于0.15MPa時壓縮機排量將無法滿足設計工況，一般采用高壓脫水［4］。

2.3.2初始投資和運行費用

后置高壓脫水裝置的重量和體積約為前置低壓脫水裝置的1/2，初期設備投資則偏低約20%，但是高壓脫水用高壓閥門、管件，價格昂貴，其投產(chǎn)運行后的年維護維修費較低壓脫水高7～10倍。此外低壓脫水裝置的閉式循環(huán)再生工藝，利用系統(tǒng)內(nèi)的一點余氣作循環(huán)加熱、換熱、分離等過程，完成吸附劑的再生，同時采用內(nèi)置式電爐加熱不會造成熱量損失，可縮短了再生時間。高壓脫水裝置利用高壓氣降壓，外置電爐作再生，能耗和熱損稍大，再生成本高。

2.3.3對壓縮機的影響

低壓脫水設備處于壓縮機前端，進入壓縮機的氣體為純凈的干氣，可延長壓縮機的使用壽命。由于氣體中無水份，又提高了壓縮機的產(chǎn)氣效率。而高壓脫水處理位于壓縮機的出口后，未經(jīng)精處理的濕氣和雜質(zhì)會造成壓縮機閥件及活塞的過快磨損和降低產(chǎn)氣量。

2.3.4吸附劑的壽命

低壓脫水裝置由于吸附周期長，再生次數(shù)少，相比高壓脫水壽命長。壓縮機工作過程中產(chǎn)生的未被分離干凈的油分子會給高壓脫水吸附劑壽命造成一定的影響。所以低壓脫水吸附劑壽命較高壓脫水吸附劑壽命長。

2.3.5脫水處理效果

低壓脫水處理由于天然氣經(jīng)壓縮機壓縮后有時會帶出一些雜質(zhì)，會影響車用氣質(zhì)量，而高壓脫水是在壓縮機后進行處理，處理后的天然氣不會再受二次污染，使車用氣質(zhì)量穩(wěn)定。從處理效果看，后置高壓脫水工藝優(yōu)于前置低壓脫水工藝。

由于本工程進氣壓力較高（0.3～0.4MPa），在進入壓縮系統(tǒng)之前有調(diào)壓裝置，來氣壓力穩(wěn)定，壓縮機后設置油過濾器保證氣體品質(zhì)，且工程項目用地充足，最終選用低壓脫水裝置。

3　凈化工藝中的除塵

瓦斯提純制取CNG凈化過程中粉塵的來源主要包括煤層氣抽采過程中易混入水、塵等雜質(zhì)；變壓吸附裝置內(nèi)部吸附劑破碎形成粉塵；煤層氣螺桿壓縮機和CNG壓縮機加壓過程中壓縮機的油微粒進入煤層氣。

當雜質(zhì)和油微粒進入吸附塔，會嚴重降低吸附劑的吸附性能，縮短吸附劑的使用壽命，嚴重時懸浮微?；祀s會造成吸附床內(nèi)局部阻塞，導致吸附劑迅速磨損甚至失效。當雜質(zhì)灰塵進入壓縮機內(nèi)，會與氣缸及潤滑油相混合，在活塞環(huán)中會結成焦塊，能引起氣缸拉缸，此外壓縮機的磨損，影響氣體的冷卻，致使壓縮氣體的終溫增高，電能消耗增加。瓦斯氣體進入壓縮機和吸附塔之前必須經(jīng)過裝設有濾清器的設備以防灰塵雜質(zhì)進入設備中，設計過程中采用多級凈化去除煤層氣中的雜質(zhì)［5］，保證設備運行效果。

在螺桿壓縮機加壓前利用旋風除霧器除去抽采煤層氣中所含的水、塵、油雜質(zhì)顆粒。

螺桿壓縮機壓縮后、冷干機前，設置油水過濾器用于分離并去除煤層氣中霧滴直徑大于1μm的水份及油份。在冷干機后裝置后設置多級過濾器+活性炭過濾器等多級過濾，可濾除直徑大于0.1μm的雜質(zhì)顆粒，殘留油分含量小于0.1ppm，保證吸附劑運行壽命。根據(jù)工程運行情況多級凈化后，吸附劑運行情況良好。

變壓吸附后的氣體，進入CNG壓縮機前設置過濾器，去除管道吸附劑顆粒及固態(tài)雜質(zhì)，保護壓縮機。壓縮機壓縮后的氣體設置過濾器，去除壓縮過程的油分和雜質(zhì)，滿足《車用壓縮天然氣》（GB18047-2000）的要求。

4　結論

（1）制冷脫水是輔助脫水措施，將氣體中大部分水分先行脫除，可以滿足變壓吸附過程中吸附劑對于水分的要求；

（2）變壓吸附后出氣壓力較高，壓力穩(wěn)定，場地若不受限制，宜采用低壓脫水裝置；

（3）多級過濾去除煤層氣中雜質(zhì)和微粒，滿足吸附劑對粉塵的要求。壓縮機壓縮前設置保護性過濾，提高壓縮機效率。壓縮機壓縮后氣體設置過濾器，去除壓縮過程中的雜質(zhì)和水分。

［1］劉成林，等.中國非常規(guī)天然氣資源前景［J］.油氣地質(zhì)，2009，16（5）：26～29.

［2］高志鵬.氣源品質(zhì)對瓦斯發(fā)電機組的影響［J］.中國煤層氣，2009，6 （6）：39～42.

［3］馬衛(wèi)峰.國內(nèi)外天然氣脫水技術發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢［J］.管道技術與設備，2011（6）：49～52.

［4］寧成千.NG加氣站高、低壓脫水工藝技術經(jīng)濟分析［J］.西南石油大學學報，2007（29）：150～152.

［5］王 剛，等.兩級凈化技術在煤層氣變壓吸附除氧工藝中的應用研究［J］.中國煤層氣，2014，11（1）：37～40.

2016-5-20

TU998.1

A

2095-2066（2016）16-0263-02