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        天然氣加氣母站脫水工藝研究

        2022-06-29 02:15:18趙怡斐
        云南化工 2022年6期
        關(guān)鍵詞:工藝

        李 光,孫 沖,趙怡斐,張 迪

        (中石化中原石油工程設(shè)計有限公司,河南 鄭州 450000)

        隨著社會的發(fā)展,居民收入不斷增加,中國汽車的產(chǎn)銷量日益增加。據(jù)統(tǒng)計,2020年,中國汽車的保有量達到2.81億輛[1]。隨著汽車的增加,燃油的供需矛盾日益突出,環(huán)境污染問題日益嚴重。壓縮天然氣汽車,作為新能源汽車,不僅能夠克服汽車燃料供應的單一性,降低對汽油的依賴,同時壓縮天然氣汽車排放的尾氣中不含氮氧化物、硫氧化物,可以有效減少溫室氣體的排放,降低“酸雨”的影響,提供更加潔凈的天空。

        壓縮天然氣加氣母站是指,以壓縮天然氣(CNG)形式,向天然氣汽車(NGV)和大型CNG子站車提供燃料的場所。根據(jù)《車用壓縮天然氣》(GB18047-2017)規(guī)范的要求,在最高操作壓力下,CNG的水露點不應高于-13 ℃,即CNG的常壓水露點不應高于-60 ℃。通常,天然氣的常壓水露點一般為-30~-40 ℃,因此需要對天然氣進行脫水處理,以滿足CNG的要求。為達到-60 ℃ 水露點的要求,CNG加氣母站的脫水通常采用分子篩吸附脫水的方式。

        分子篩吸附脫水過程主要分為:吸附、再生、冷吹三個過程。CNG加氣母站的分子篩脫水再生方法分為濕氣再生與干氣再生兩種工藝。濕氣再生工藝與干氣再生工藝主要區(qū)別在于分子篩再生時選用介質(zhì)不同:濕氣再生工藝在再生時選用含水的濕天然氣作為再生氣,而干氣再生工藝再生時利用脫過水的干天然氣作為再生氣[2]。

        1 CNG加氣母站脫水工藝

        1.1 濕氣再生工藝

        濕氣再生工藝流程簡介[3]:①吸附。濕的天然氣從塔頂進入分子篩吸附塔A,經(jīng)過分子篩脫水處理,脫過水的天然氣從塔底出來,完成吸附過程。分子篩干燥塔A在吸附的同時分子篩干燥塔B進行再生。②再生。將分子篩干燥塔B內(nèi)的天然氣降壓放空,將天然氣壓力降至 0.15 MPa。從外輸干氣中引一股再生氣,進入空冷器;然后進入氣水分離器,從頂部出來的再生氣,經(jīng)壓縮機增壓至 0.20 MPa,經(jīng)電加熱器加熱至 250 ℃,再然后從分子篩干燥塔B頂部進入,對分子篩進行加熱再生:含水的再生氣從塔底出來,經(jīng)空冷器冷卻至 45 ℃,再進入氣水分離器,分離出的水,通過排污閥從分離器底部排出,天然氣從分離器頂部出來。然后又經(jīng)壓縮機增壓至 0.20 MPa,進入電加熱器,天然氣加熱到 250 ℃ 以后,進入分子篩干燥塔B,完成分子篩吹掃再生循環(huán)。③冷吹。從氣水分離器出來 45 ℃ 的冷的再生氣,經(jīng)壓縮機增壓至 0.20 MPa,直接進入分子篩干燥塔B頂部,對分子篩床層進行冷卻降溫;冷卻后天然氣從分子篩干燥塔塔底出來,進入空冷器冷卻至 45 ℃,然后進入氣水分離器;天然氣從分離器頂部出來,經(jīng)壓縮機增壓至 0.20 MPa,直接進入分子篩干燥塔B頂部,完成冷吹循環(huán),具體工藝流程詳見圖1。

        圖1 濕氣再生工藝流程圖

        1.2 干氣再生工藝

        干氣再生工藝流程簡介[4]:①濕的天然氣從塔頂進入分子篩吸附塔A,經(jīng)過分子篩脫水處理,干的天然氣從塔底出來,完成吸附過程;分子篩干燥塔A吸附的同時,分子篩干燥塔B進行再生。②再生。從脫過水的干氣中引出一股,進入電加熱器,加熱至 250 ℃,從分子篩干燥塔B底部進入,對分子篩進行加熱再生:含水的再生氣從塔頂出來,經(jīng)空冷器冷卻至 45 ℃,進入氣水分離器。分離出的水,通過排污閥從分離器底部排出;天然氣從分離器頂部出來,經(jīng)壓縮機增壓至比原料氣高 0.15 MPa,進入濕原料氣,完成分子篩再生循環(huán)。③當分子篩干燥塔B完成再生過程,進行冷吹。從脫過水的干氣中引出一股,直接進入分子篩干燥塔B底部,對分子篩床層進行冷卻降溫。冷卻后天然氣從分子篩干燥塔塔頂出來,進入空冷器冷卻至 45 ℃,然后進入氣水分離器,天然氣從分離器頂部出來,經(jīng)壓縮機增壓至比原料氣高 0.15 MPa,接著進入濕原料氣,完成冷吹循環(huán)。具體工藝流程詳見圖2。

        圖2 干氣再生工藝流程圖

        2 脫水工藝方法的比較

        2.1 濕氣再生工藝脫水的特點

        濕氣脫水工藝具有:工藝簡單、便于操作,濕氣再生工藝密閉循環(huán),整套設(shè)備適合成撬;采用低壓再生(0.20 MPa),即使再生溫度達到 270 ℃,再生氣管道的材質(zhì)普通碳鋼即可滿足要求,不必選用特殊高溫管材;再生氣增壓壓差僅為 0.10 MPa,壓差較小,同時再生氣壓力僅為 0.20 MPa。因此再生氣壓縮機可以選用羅茨鼓風機(羅茨鼓風機價格較低)。濕氣再生工藝具有結(jié)構(gòu)簡單,投資較少的優(yōu)點。

        2.2 干氣再生工藝

        干氣再生工藝結(jié)構(gòu)相對復雜,主要體現(xiàn)在再生氣壓縮機以及再生氣密閉方面。再生氣壓縮機主要對再生氣部分增壓,以便于再生氣能夠反輸至原料氣中,因此再生氣壓縮機既要適應原料氣的高壓,又要滿足再生氣低壓差要求,造成再生壓縮機選型困難。干氣再生工藝中再生氣完全回收,從脫過水干氣中引一部分作為再生氣,經(jīng)過加熱、再生、冷卻、分離、增壓反輸至原料氣中,整個過程再生氣沒有絲毫浪費,真正實現(xiàn)天然氣零排放工藝。由于采用干氣再生,再生氣不含水,天然氣的水露點較低,天然氣的水露點可以達到-60 ℃ 以下。

        2.3 脫水工藝指標的比較

        1)水露點不同

        相比較干氣再生工藝,濕氣再生工藝因為采用濕氣作為再生氣,濕氣中含有水分,分子篩在冷吹過程中,分子篩與濕氣中的水蒸氣達到氣固平衡狀態(tài)。經(jīng)過計算,濕氣再生工藝處理的天然氣常壓水露點一般為-50~-55 ℃。

        2)天然氣密閉循環(huán)

        濕氣再生工藝為降壓密閉循環(huán),再生氣從加熱、再生、降溫、分離的整個過程為密閉循環(huán),再生氣一直循環(huán)使用;干氣再生工藝為開式工藝,再生氣經(jīng)加熱、再生、降溫、分離、增壓后進入原料氣。

        濕氣再生工藝再生過程開始時,將需要再生干燥塔內(nèi)天然氣放空,降低天然氣壓力,造成天然氣排放;而干氣再生工藝,直接用脫過水的干氣作為再生氣,處理過的再生氣被壓縮機增壓,進入到原料氣,沒有絲毫天然氣排放。

        例如,某CNG加氣母站,采用濕氣再生分子篩脫水工藝,原料氣壓力 5.2 MPa,分子篩干燥塔的體積為 1.6 m3,每天分子篩吸附周期為 8 h。每次分子篩再生時,分子篩干燥塔內(nèi)的天然氣降壓放空,每次需排放 80 m3天然氣,每天按照 16 h 工作時間計算,則該加氣母站每天放空達到 160 m3天然氣,每年排放天然氣量達到 56000 m3。天然氣價格按照2.1元/m3計算,該加氣母站每年多增加損耗11.76萬元。天然氣的定期排放,對加氣母站的安全,以及當?shù)丨h(huán)境形成安全隱患,采用干氣再生工藝,則避免了上述弊端。

        3)再生氣壓縮機

        干氣再生工藝中的再生氣與原料氣壓力相等,如果原料氣壓力較高,超過 4.0 MPa,再生工藝管道就需要選用高溫管材。因為再生氣溫度超過 250 ℃,操作壓力較高,普通碳鋼管道許用應力降低,容易形成泄漏事故。

        干氣再生工藝中的壓縮機,再生氣進口壓力與原料氣相同,但是壓縮機出口僅僅增壓 0.2 MPa,造成壓縮機的壓比特別小,致使再生氣壓縮機選型特別困難;而濕氣再生工藝,選用普通的羅茨鼓風機即可滿足要求。

        濕氣再生脫水工藝過程中,整個系統(tǒng)壓力降低,氣水分離器中操作壓力 0.15 MPa 左右,容易造成分離出的水從氣水分離器不易排出,致使氣水分離器堵塞,使整個脫水系統(tǒng)不能正常工作,嚴重影響加氣母站的正常生產(chǎn)運營。

        4)投資費用

        濕氣再生脫水工藝與干氣再生脫水工藝相比,原料氣壓力低于 1.2 MPa,二種工藝在滿足水露點要求前提下,投資相差不大,干氣再生脫水工藝略高于濕氣再生脫水工藝;原料氣壓力高于 4.0 MPa,干氣再生脫水工藝比濕氣再生脫水工藝投資高10%以上。

        3 結(jié)論

        通過對濕氣再生工藝與干氣再生工藝比較,濕氣再生工藝設(shè)備較少、操作簡單、投資較少,天然氣常壓水露點-50~-55 ℃,因此應用在處理規(guī)模較小的加氣母站,以及溫度相對較高的地區(qū)。干氣再生工藝結(jié)構(gòu)復雜,投資較多,但是天然氣水露點可以達到-60 ℃ 以上,在規(guī)模較大以及氣候嚴寒地區(qū)的CNG加氣母站應用較為廣泛。

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