甘海龍

（中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司瓦斯研究分院，瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037）

煤層氣在抽采過程中會從地層和水環(huán)真空泵中攜帶出大量的水，水以液態(tài)和氣態(tài)的形式混夾在煤層氣中。在使用煤層氣制取LNG流程[1]中，含氧煤層氣在進(jìn)入冷箱液化之前，必須進(jìn)行深度脫水[2]，使煤層氣在進(jìn)入冷箱液化之前的露點(diǎn)達(dá)到-70℃，以防止煤層氣進(jìn)入冷箱后其中的水結(jié)冰堵塞換熱器。如果采用單級變溫吸附（TSA）脫水工藝原理，大量的液態(tài)水和氣態(tài)水會同時(shí)進(jìn)入TSA干燥塔，加大TSA干燥塔的負(fù)荷，減少干燥塔吸附時(shí)間，增加干燥塔的切換頻率。因?yàn)楦稍锼谛箟涸偕鷷r(shí)，會同時(shí)泄放出干燥塔內(nèi)的煤層氣，提高干燥塔切換頻率會增加煤層氣的損耗，并且液態(tài)水也會減少吸附劑的壽命。采用多級逐步脫出煤層氣中的水可以大大降低末級TSA脫水負(fù)荷，減少煤層氣損耗，延長吸附劑的壽命。多級脫水工藝的第一級采用機(jī)械脫水[3]方式，利用絲網(wǎng)氣液分離器[4]將煤層氣中的液態(tài)游離水脫除；第二級采用氟利昂預(yù)冷機(jī)組給煤層氣降溫[5]，脫除煤層氣中的飽和氣態(tài)水；第三級采用雙塔流程的TSA脫水工藝[6]，利用復(fù)合床層[7]的吸附劑在不同壓力和溫度下吸附容量差異性和選擇吸附的特性，脫除工藝氣體中的水分和殘留少量CO2。兩塔輪流交替工作，當(dāng)一臺干燥塔在吸附時(shí)，另外一臺干燥塔在進(jìn)行泄壓置換、加熱和冷卻，實(shí)現(xiàn)再生。整個(gè)吸附和再生的過程由程控閥自動切換實(shí)現(xiàn)連續(xù)操作。該工藝流程特別適用于含水量極大的煤層氣深度脫水工藝。

1 多級脫水技術(shù)工藝流程

多級脫水技術(shù)由三級脫水工藝段組成，分別為：機(jī)械脫水、氟利昂預(yù)冷脫水、TSA脫水。工藝流程如圖1所示。

圖1 多級脫水技術(shù)工藝流程圖Fig.1 Flow diagram of multi-stage dehydration process

1.1 機(jī)械脫水

機(jī)械脫水采用立式氣液分離器的方法脫水。該分離器主要采用重力原理分離出較重的液態(tài)水[8]，在分離器頂部出口處設(shè)置絲網(wǎng)除沫器，絲網(wǎng)除沫器通過捕捉煤層氣中的微小液滴[9]，進(jìn)一步脫除隨氣流上升的微小液態(tài)水。水在絲網(wǎng)除沫器上不斷聚集，最后形成大液滴，掉入分離器底部。分離器設(shè)置液位傳感器，當(dāng)液位超過設(shè)定值時(shí)，控制系統(tǒng)自動打開底部放水閥排水。

1.2 氟利昂預(yù)冷脫水

氟利昂預(yù)冷脫水采用降溫脫水的原理，脫除煤層氣中的飽和氣態(tài)水。氟利昂預(yù)冷機(jī)組一般采用撬裝成套供貨，其工藝流程見圖2。

圖2 氟利昂預(yù)冷脫水流程Fig.2 Freon precooling dehydration process

氟利昂預(yù)冷脫水流程包含三路流程，分別是：煤層氣流程、氟利昂循環(huán)流程和循環(huán)冷卻水流程。

（1）煤層氣流程：煤層氣進(jìn)入冷卻器與氟利昂進(jìn)行換熱，煤層氣被冷卻降溫，當(dāng)溫度下降到低于煤層氣的露點(diǎn)時(shí)，煤層氣中的飽和氣態(tài)水變成液態(tài)水[10]，跟隨煤層氣一起進(jìn)入分離器中，液態(tài)水滴在分離器中上升時(shí)被頂部的絲網(wǎng)除沫器捕捉，不斷聚集的液態(tài)水在重力作用下滴入分離器底部，當(dāng)達(dá)到一定液位高度時(shí)，分離器底部的放水閥自動打開排水。降溫后的煤層氣則進(jìn)入回?zé)崞鳎ㄟ^與較高溫度的煤層氣換熱，使煤層氣預(yù)冷?；?zé)崞髂芑厥盏蜏孛簩託獾睦淞浚档头侯A(yù)冷機(jī)組的能耗。

（2）氟利昂循環(huán)流程：氟利昂作為冷劑由壓縮機(jī)壓縮后溫度升高，進(jìn)入水冷卻器降溫，經(jīng)過節(jié)流后溫度降低，然后與煤層氣換熱帶走煤層氣的熱量，實(shí)現(xiàn)循環(huán)。

（3）循環(huán)冷卻水流程：冷卻水由循環(huán)水泵升壓后進(jìn)入水冷卻器與氟利昂換熱，水溫升高，然后流出預(yù)冷機(jī)組，帶走氟利昂的熱量。

1.3 變溫吸附脫水

TSA脫水流程詳見圖1。干燥塔采用復(fù)合床層，下部裝填A(yù)l2O3，用于粗脫水[11]。上部裝填分子篩，用于精脫水[12]。同時(shí)該復(fù)合床層具有脫出CO2等酸性氣體的功能[13]。TSA脫水采用雙塔流程[14]，每個(gè)塔的流程包括：升壓吸附、降壓熱吹再生、冷吹再生[15]。以干燥塔A的工作流程為例分析其工作過程如下：

（1）升壓吸附過程：Vd1 打開（Vd2、Vc1 關(guān)閉），煤層氣由氟利昂預(yù)冷機(jī)組進(jìn)入干燥塔A，塔內(nèi)壓力逐漸升高、煤層氣經(jīng)過復(fù)合床層后，其中的氣態(tài)水被吸附劑吸附，剩下煤層氣由Va1（Va2、Vb1關(guān)閉）閥進(jìn)入后端冷箱。

（2）降壓熱吹再生：打開Vc1、V5將塔內(nèi)氣體放空，塔內(nèi)壓力降低，吸附劑中的部分水分會解析出來排入大氣。然后將熱氮?dú)馔ㄟ^Vb1閥（Vb2、Va1關(guān)閉）通入干燥塔A，對干燥塔A進(jìn)行熱吹，吸附劑被加熱后其中的水分會變成氣態(tài)隨著熱氮?dú)庖黄鸾?jīng)Vc1、V5排入大氣或者氮?dú)庋h(huán)系統(tǒng)。

（3）冷吹再生：熱吹再生后的吸附劑溫度較高，為了給吸附劑降溫，需要通入常溫氮?dú)?。常溫氮?dú)獾牧鞒膛c熱氮?dú)獾牧鞒桃粯?。常溫氮?dú)獍盐絼┑臒崃繋С龈稍锼嗀，同時(shí)也能帶走殘余的水份。經(jīng)過冷吹后的干燥塔A完成了吸附劑的再生，為下一個(gè)循環(huán)的吸附脫水做好準(zhǔn)備。

干燥塔B的工作流程與干燥塔A相同，只是他們在同一時(shí)間的工作狀態(tài)不同。當(dāng)干燥塔A升壓吸附時(shí)，干燥塔B正處于降壓熱吹再生或冷吹再生。當(dāng)干燥塔A吸附飽和時(shí)，就將干燥塔A和干燥塔B的工作流程切換，即干燥塔A再生，干燥塔B吸附干燥。切換閥通過程序自動控制，兩塔交替循環(huán)工作，從而實(shí)現(xiàn)對煤層氣連續(xù)干燥。

2 多級脫水工藝的應(yīng)用實(shí)例

在貴州盤江煤層氣提純制LNG項(xiàng)目中，應(yīng)用多級脫水工藝對煤層氣進(jìn)行脫水，開車成功，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

貴州盤江煤層氣提純制LNG項(xiàng)目的基本情況見表1。

表1 貴州盤江煤層氣提純制LNG項(xiàng)目多級脫水參數(shù)Table 1 Multi-stage dehydration parameters of a coalbed methane to LNG project in Panjiang,Guizhou province

貴州盤江煤層氣提純制LNG項(xiàng)目中，多級脫水設(shè)備的現(xiàn)場照片如圖3所示。

圖3 多級脫水系統(tǒng)現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.3 Multi-stage dehydration system spot photo

該項(xiàng)目利用濕法脫碳，多級干燥脫水，混合冷劑制冷工藝實(shí)現(xiàn)對含氧煤層氣的液化分離，成功生產(chǎn)出LNG。多級脫水實(shí)現(xiàn)對含水量大的煤層氣深度脫水，滿足了后端制冷工藝要求。

3 結(jié)論

多級脫水是一種先進(jìn)，安全可靠、高效率的深度脫水技術(shù)。該技術(shù)將現(xiàn)有比較成熟的多種脫水技術(shù)進(jìn)行合理的組合，利用不同的脫水原理，脫除不同狀態(tài)的水：利用重力原理脫除較重的液態(tài)水，利用絲網(wǎng)脫除較輕的液態(tài)水，利用降溫原理脫除飽和氣態(tài)水，利用TSA原理脫除微量的氣態(tài)水。各級脫水都處于最佳工況，減少總體能耗，由于吸附脫水階段的含水量已經(jīng)大大減少，所以吸附劑的負(fù)荷顯著降低，吸附時(shí)間延長，單位時(shí)間內(nèi)泄壓再生的次數(shù)減少，煤層氣損耗量也減少，同時(shí)也延長了吸附劑的壽命，從而節(jié)約了運(yùn)行成本。多級脫水工藝是經(jīng)濟(jì)可行、安全可靠的脫水工藝，尤其適用含水量極大的煤層氣深度脫水，具有廣闊的應(yīng)用前景。