劉 姝 張 玉 孫治謙 王振波

（中國石油大學（華東）新能源學院）

隨著全球工業(yè)化進程不斷加快，能源的消耗量激增。 目前以石油、煤炭及天然氣等化石能源為主體構成的能源體系在未來相當長的一段時間內仍將處于主流地位。 天然氣作為清潔能源的代表，具有儲量大、熱值高、輸送便利及安全高效等優(yōu)點，正逐步取代煤炭、石油等傳統(tǒng)工業(yè)能源的地位［1］。 據BP 公司2021 年發(fā)布的《BP 世界能源統(tǒng)計年鑒》顯示［2］：截至2020 年，化石能源仍然占據能源結構的最大份額，天然氣在一次能源消費中的占比已經上升至24.7%， 并且有著持續(xù)上升的趨勢。 文獻［3］研究認為，“十四五”期間，中國天然氣消費量年均增長率仍將在5%以上，2025 年消費量將達到4200×108m3，2035 年可升高到6000×108m3以上。 天然氣的相關行業(yè)正處于一個發(fā)展的黃金期。

目前，與天然氣相關的開采、凈化、運輸及液化等工程項目屢見不鮮， 尤其是天然氣凈化工藝， 是天然氣開采后運輸前最為關鍵的一部分。相較于傳統(tǒng)的石油和煤炭能源，天然氣的使用可以大幅減少有害氣體的排放，大幅降低對空氣的污染，符合節(jié)能減排要求；從經濟性與穩(wěn)定性方面考慮［4～6］，與太陽能、風能等可再生能源相比，天然氣有著更好的穩(wěn)定性；當天然氣與各種可再生資源結合使用時，可以實現良好的經濟性。

但是，天然氣中水分的存在造成的危害不容小覷［7，8］：水和重烴遇冷后發(fā)生冷凝，低于0 ℃時，水蒸氣甚至會凍結在設備內表面，從而堵塞輸氣管道，減小管道橫截面，降低天然氣運輸效率，增加設備功耗； 水蒸氣使天然氣的熱值大幅降低，減小了管道的輸氣能力；水的存在會溶解天然氣中的酸性成分，造成設備的腐蝕，導致重大安全隱患。 因此將天然氣中水的含量控制在安全范圍內十分必要。

天然氣脫水技術已經成為近年來的一個研究熱點。 工業(yè)上常見的傳統(tǒng)天然氣脫水方法包括溶劑吸收法、 固體吸附法和低溫冷卻分離法3類， 這些方法雖然可以達到很好的脫水效果，但多數情況下都存在投資高、能耗大及易污染等問題，經濟性有待提高，也不符合節(jié)能減排的時代要求。 近年來，國內外出現了很多新型天然氣脫水技術，如膜分離脫水技術、氣液旋流分離技術及超音速脫水技術等，具有結構簡單、操作方便等優(yōu)點，并且國內外學者一直致力于更深層次的理論研究，以實現更高的分離效率。筆者對以上6種天然氣脫水技術的原理、優(yōu)缺點及研究現狀進行分析整理，以期對后續(xù)研究工作起到一定的指導作用。

1 傳統(tǒng)天然氣脫水技術

1.1 溶劑吸收法

溶劑吸收法是使用最為廣泛的一種天然氣脫水工藝［9］，利用天然氣不同組分在溶劑中溶解能力的不同，將對水溶解度高、對天然氣其他組分溶解度低的液體作為脫水劑，脫除天然氣中的水分。 常用的脫水溶劑主要有CaCl2水溶液和高分子醇類溶液。

TEG 脫水技術是世界上最普遍采用的天然氣脫水工藝。 工業(yè)上常利用醇類化合物中羥基的強吸水性，將乙二醇、二甘醇及TEG 等醇類化合物作為脫水溶劑使用， 其中TEG 因熱穩(wěn)定性好、對水的吸收性較好，而被廣泛使用。 就目前來說，針對TEG 脫水技術的改進主要在工藝方面，例如有效減少TEG 的使用含量等。 常見的TEG 脫水系統(tǒng)如圖1 所示，主要包括吸收塔和TEG 再生系統(tǒng)［10］。 在吸收塔中TEG 與天然氣逆流接觸，吸收天然氣中的水分， 自塔底流出的TEG 經換熱、加熱等工藝去除溶解的水分后可以循環(huán)利用，再生的TEG 濃度最高可達99.85wt%［11］， 通過TEG 溶液脫水后的天然氣露點降最高可達85 ℃［12］。TEG脫水技術工藝簡單，且TEG 可再生，但缺點同樣明顯：TEG 再生系統(tǒng)復雜，消耗能量也大；TEG 容易被氧化，產生腐蝕性較高的有機酸，腐蝕設備；設備所占空間大，且多為進口，價格昂貴，維護難度大。TEG 脫水技術在無自由壓降的油氣田中應用比較廣泛，此外，這種方法只適用于含硫量較低的情況， 因為除水分外，TEG 對天然氣中的含硫物質同樣具有吸收作用，影響TEG 脫水系統(tǒng)的運行［13］。

圖1 TEG 脫水的簡化流程

1.2 固體吸附法

固體吸附法利用 是固體吸附劑的親水性質和吸附張力，使天然氣中的水分子被吸附劑內的孔吸附從而達到脫水的目的。 固體吸附法根據工作原理的不同而分為3 種，即物理吸附、化學吸附和生物吸附［14］。 物理吸附依靠分子間作用力，應用廣泛，常以氧化鋁、硅膠及分子篩等作為固體吸附劑［15］；化學吸附依靠物質間的化學反應生成化學鍵，具有較強的選擇性和針對性；生物吸附主要利用特定生物的生命活動，適用于特定環(huán)境下，應用面較窄。

作為物理吸附的一種，分子篩脫水技術在工業(yè)上最為常見。 分子篩是一種人工合成的泡沸石，其化學式為Mex/n［（AlO2）x（SiO2）y］·mH2O，吸附性、選擇性強，具有高效吸附容量，且使用壽命長，不易被液態(tài)水破壞，因而在工業(yè)中被廣泛應用［16，17］，脫水以后的天然氣水露點可低于-100 ℃［18］，充分滿足了管道運輸天然氣對于露點的要求。 分子篩脫水系統(tǒng)一般包括2 個或3 個用于脫水、再生和吹冷的干燥器，以及再生加熱系統(tǒng)，因此設備投資和操作費用昂貴， 且分子篩再生能耗大，天然氣中的重烴、H2S 及CO2等物質會污染固體吸附劑，因此性價比不高。

1.3 低溫冷卻分離法

低溫冷卻分離法通過降低溫度或升高壓力，使天然氣中的水分冷凝析出，一般有直接降溫和加壓降溫兩種工藝方式。 天然氣氣質組分復雜，其中水和重烴的露點較高，在降溫過程中首先析出，此時事先加入一定的水合物抑制劑可以防止產生的水合物堵塞管道、損害設備。 低溫冷卻分離法可以分為機械制冷法和膨脹制冷法。

機械制冷法依靠機械作用或熱力作用，利用制冷劑使天然氣發(fā)生狀態(tài)變化， 完成制冷循環(huán)，并分離其所含飽和水蒸氣， 適用條件較寬泛，可在無壓差或低壓差工況下進行制冷。

膨脹制冷法則要求天然氣具有相當高的初始壓力，常用于氣田井口處，利用節(jié)流閥的膨脹降溫機理，使天然氣在高壓條件下通過節(jié)流閥后發(fā)生膨脹和降溫，從而實現天然氣脫水［14，15］。膨脹制冷法最大的優(yōu)點在于在現有的條件下充分利用能源，且投資少、效率高；缺點在于適用范圍小，當天然氣原始壓力并不高時，雖然也可利用壓縮機實現膨脹制冷， 但無疑增加了分離成本。膨脹制冷法同樣不適用于硫含量較高的天然氣，否則會使污水處理出現問題。 傳統(tǒng)天然氣脫水技術對比見表1。

表1 傳統(tǒng)天然氣脫水技術對比

2 新型天然氣脫水技術

2.1 膜分離脫水技術

膜分離脫水技術的原理與生物半透膜類似，利用天然氣不同組分透過分離膜時的選擇透過性實現脫水［19］。 天然氣膜分離脫水的基本原理如圖2 所示，脫水所用的膜主要是由醋酸纖維、聚酸亞胺及聚礬等材料制成的聚合物微孔膜［19］，膜分離的性能取決于膜的擴散選擇性和溶解度選擇性［20］。 該技術操作方便，結構緊湊，無活動部件，維修量少，安全系數較高，設備和操作實施成本較低， 且可以用于高濃度酸性原料氣的處理，總性價比較高。 但同時，膜分離技術仍存在膜的塑化和溶脹性、烴損失大、濃差極化［21］、造價昂貴且不穩(wěn)定等問題，有時甚至需要與傳統(tǒng)脫水技術相結合才能達到脫水標準。

圖2 天然氣膜分離脫水技術基本原理

膜分離技術始于19世紀末，最早應用于液-液分離， 后來美國學者發(fā)現膜對氣體具有一定的分離作用［22］。 國外在20 世紀80 年代開始研究將該技術應用于天然氣脫水領域，目前美國、日本及加拿大等國已應用于工業(yè)中。 我國自20世紀90 年代開始進行該技術的研究開發(fā)，中科院大連化學物理研究所等單位在長慶氣田進行了先導性試驗，甲烷回收率不低于98%；20 世紀90 年代初， 大慶天然氣公司設計研究所采用了三醋酸纖維素（CTA）膜，有效脫除了天然氣中的H2O 和H2S。

近年來，國內外對于膜分離脫水技術的研究主要集中在尋找和制備具有高滲透性和高選擇性的膜材料。 對于膜材料的改進，主要有3 個方面［20］：其一是引入親水基團，如AN H J 等在UiO-66、MIL-125 等金屬-有機框架材料的基礎上引入—NH2、—NH3+Cl-等親水基團，材料對水的吸附性能明顯改善［23］；其二是增大自由體積，如KIM S和LEE Y M 通過提高聚合物的剛性改善微孔聚合物的微孔率，增大其自由體積，從而提高微孔聚合物膜的分離性能和效率［24］；其三是加入固體填料，如WANG R 等將Zr-MOF 填料加入聚酰胺聚合物中，制備了新型混合基質膜（MMMs），其性能明顯優(yōu)于純聚合物膜［25］。 MMMs 是近幾年氣體膜分離技術的一個研究熱點， 具有良好的滲透性、選擇性、機械強度、熱穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性和加工性能［25～27］。

2.2 氣液旋流分離技術

氣液旋流分離技術主要依靠離心力的作用， 根據氣液兩相之間的密度差來分離氣相中的液相。 圖3 所示是一種常規(guī)的切流式氣液旋流分離器， 混合流體進入分離器入口后被迫進行渦旋運動， 液相在離心力的作用下沿徑向向筒壁運動，然后向下從底部流出，同時氣相向旋流器的中心流動并從頂部排氣管離開， 故氣液旋流分離又稱為離心分離， 是氣液分離的一種重要方式［28～30］。氣液旋流分離技術因其分離過程連續(xù)，無運動部件與易損件，設備占地面積小、易安裝及維護方便等優(yōu)點而被廣泛應用于天然氣凈化工 藝［31］。

圖3 一種常規(guī)切流式氣液旋流分離器的結構示意圖

較早出現的氣-液旋流分離器是DAVIES 和WATSON于1979 年研制的管柱式氣-液旋流分離器。 隨著科學技術的發(fā)展，出現了管道式、內錐式及螺旋葉片式等多種形式的氣-液旋流分離器。根據造旋方式的不同，可以分為軸流式和切流式［28］；根據旋流器中主要結構的不同，可以分為管柱式、管道式、內錐式、螺旋葉片式及螺旋板式等多種形式［32］。

氣液旋流分離技術應用范圍廣，涉及行業(yè)眾多，方法和設備也很多，其研究主要集中在通過數值模擬進行理論優(yōu)化。 一些學者著重于對旋流器內部流場與流動結構進行研究，如ZHOU W 等通過實驗的方法， 測量了旋流器內氣流的壓力和速度分布，分析了進口氣速、進口液濃度等操作參數對分離效率的影響，還提出了一種改進的加權法 來 計 算 液 滴 分 離 效 率［33］；YANG L L 等 采 用 離散相模型對旋流流體力學進行數值分析，基于液滴受力分析和旋流流體力學， 建立液滴遷移模型，可以準確預測氣液圓柱型旋流器（GLCC）的分離性能［34］。 一些學者在旋流設備的結構改進方面做出了很多優(yōu)化措施， 如HUANG L 等設計了一種通過導葉和單向流產生旋流的新型氣液旋流器，對其內部流場進行數值模擬，用以實現水平重力式分離器的預分離［35］。 近年來，國內外學者基于數值模擬和試驗的方法對旋流器開展了一系列研究， 如改進旋流器入口的結構形式、旋流腔的高度和直徑、內錐的形狀參數、導葉的數量和形狀等，均使分離效率得到一定提升，但由于旋流流場的復雜性以及目前兩相流及湍流理論相對不夠完善，旋流場的理論研究始終落后于實際應用。

2.3 超音速脫水技術

天然氣超音速脫水技術是基于超音速冷凝和氣液分離原理開發(fā)的一種新型天然氣凈化技術，如圖4 所示，其核心設備是天然氣超音速分離器，主要由拉瓦爾噴管、旋流分離段和擴壓段3部分組成［36］。 天然氣以均勻流速進入拉瓦爾噴管，在自身壓力作用下，在噴管的漸縮段加速到超音速，同時溫度和壓力急劇下降，水蒸氣冷凝成小液滴， 然后在超音速下產生強烈的氣流旋轉，利用離心力的作用將小液滴分離出來，然后對干氣進行再壓縮［37］。 超音速分離裝置同時具備節(jié)流閥、膨脹機、旋流器和壓縮機的功能［38］，整體結構簡單緊湊，操作方便，降溫幅度大，脫水處理效果較好，利用來氣自身壓力工作，節(jié)約能源，并且該裝置無需旋轉部件和化學藥劑， 確保了簡單、環(huán)保的分離，可靠性和可用性高，適合用于無人 操 作［19，38］，還 可 同 時 分 離 天 然 氣 中 的CO2、H2S等物質［39］。

圖4 天然氣超音速分離器結構［40］

1989 年，工程師史塔克發(fā)明超音速氣液分離技術，用于去除空調制冷時的冷凝水，此后荷蘭某氣田工程師將此技術應用于天然氣除濕工藝；俄羅斯ENGO 屬下的Translang 公司于2004 年9月在西伯利亞成功投運2 臺超音速分離裝置，完成了從試驗研究到工業(yè)化應用的轉變［41］。 我國于1979 年試制了第1 臺噴管試驗設備，此后通過國內高校及科研單位研究，超音速分離技術已取得一定進展，旋流分離技術的出現也為其研究提供了理論基礎。

目前，對于超音速脫水技術的研究主要集中在數值模擬與理論的優(yōu)化，數值模擬研究主要集中在旋流流動過程、內部流動過程及凝結過程等方面。 國外在超音速分離器方面的研究與應用已經頗為成熟，已有較多工業(yè)化應用的案例，且仍在不斷進行理論改進。如SHOOSHTARI S H R 和SHAHSAVAND A 針對超音速分離器內天然氣脫水過程中的水滴軌跡進行數值研究，首次考慮了在不同擴散角條件下拉瓦爾噴管內冷凝液滴的實際粒徑分布，結果表明，當液滴尺寸大于5 μm時，天然氣脫水就可以達到含水量7 lbm/MMSCF（1 lbm/MMSCF≈16.02 mg/m3）的效果［42］。 我國在該領域起步較晚，目前在工業(yè)生產中尚未得到大規(guī)模推廣和應用，仍處在實驗室規(guī)模下的研究階段，在理論計算和數值模擬方面也取得了一定的成果，如CHEN J N 等以拉瓦爾噴管為研究部位，分析了拉瓦爾噴管內軸向和徑向能量的分布特征，結論是在氣體切向動能相對較小、液滴切向動能相對較大的方向收集天然氣可以達到較高的分離效率［43］；WEN C 等對比分析理想氣體與實際氣體，以天然氣進口溫度為研究對象，得出降低進口溫度可以提高高壓超音速分離性能的結論［44］。

新型天然氣脫水技術對比見表2。

表2 新型天然氣脫水技術對比

3 結束語

天然氣因高效、清潔、穩(wěn)定等優(yōu)點，在工業(yè)以及其他領域都發(fā)揮著重要作用。 但天然氣中過多的水分極易影響設備的運行，嚴重時可能造成重大安全隱患，因此天然氣脫水技術被學者們廣泛研究。 傳統(tǒng)天然氣脫水技術包括溶劑吸收法、固體吸附法、低溫冷卻分離法；較為新型的天然氣脫水技術包括膜分離脫水技術、氣液旋流分離技術、超音速脫水技術。

以上6 種天然氣脫水技術原理、特點、經濟性各不相同， 根據當前的研究成果可以看出，國內傳統(tǒng)天然氣脫水技術工藝基本成熟，但也有其相應的缺點，如TEG 脫水技術的設備大多依賴進口，分子篩脫水技術費用昂貴等，仍具有一定的改進空間；對于新型天然氣脫水技術，氣液旋流分離技術應用較廣， 但理論研究落后于實際應用，具有很大的發(fā)展?jié)摿?，膜分離與超音速脫水技術在國內均未實現工業(yè)上的應用，而在國外這些技術的應用已經成熟。

總體來看， 對于天然氣脫水技術的研究，利用離心力的作用是一個常見且有效的研究方向。如氣液旋流分離技術就是根據氣液兩相間的密度差產生離心力實現分離；超音速脫水技術也涉及到強烈的氣流旋轉。 對離心運動流體的研究將是未來新型天然氣脫水技術的一大重點方向。