丁寧，唐高峰

（1. 咸陽(yáng)市天然氣有限公司， 陜西 咸陽(yáng) 712021； 2. 陜西液化天然氣投資發(fā)展有限公司， 陜西 楊凌 712100）

LNG 是Liquefied Natural Gas 的縮寫，它是利用低溫?fù)Q熱器將管輸天然氣逐級(jí)降溫到-162 ℃，最終使得天然氣呈現(xiàn)液體狀態(tài)[1]。經(jīng)過(guò)液化后的天然氣，體積大大的縮小了，1 m3LNG 氣化后可得625 m3標(biāo)準(zhǔn)天然氣。由于管輸天然氣的前期投資較大，很多時(shí)候一些偏遠(yuǎn)地區(qū)尚未敷設(shè)管道，使用天然氣就存在一定困難，雖然CNG 也能進(jìn)行點(diǎn)供，但單位體積的CNG 供應(yīng)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于LNG，因此很多地方建設(shè)LNG 儲(chǔ)存罐，通過(guò)定期將LNG 卸車貯存至儲(chǔ)罐，使用空溫式氣化器、電加熱氣化器或者水浴式氣化器進(jìn)行氣化反輸，也可以利用LNG 作為冬季用氣高峰的應(yīng)急調(diào)峰手段[2]。

管輸天然氣的來(lái)源很多，包括氣田采出氣、油田伴生氣、頁(yè)巖氣和煤層氣等，之后在集輸站進(jìn)行初步的脫水和雜質(zhì)去除，輸送到分輸站增壓前還會(huì)進(jìn)一步脫水，經(jīng)過(guò)層層處理的天然氣水含量相對(duì)來(lái)說(shuō)較低，通常情況下其水露點(diǎn)要比當(dāng)?shù)刈畹铜h(huán)境溫度還要低5 ℃[3]。但對(duì)于LNG 生產(chǎn)加工來(lái)說(shuō)，水含量仍然偏高，在LNG 主低溫?fù)Q熱器的高溫段會(huì)凝固，進(jìn)而堵塞低溫?fù)Q熱器的管束、凝析油汽提塔等設(shè)備，因此需要在天然氣的凈化處理單元對(duì)原料氣進(jìn)行脫硫、脫水、脫重?zé)N，經(jīng)過(guò)干燥單元后水質(zhì)量分?jǐn)?shù)要低于1×10-6[4]。

1 天然氣脫水方法

目前，天然氣水分脫除的方法主要有冷卻法、吸收法、吸附法、膜分離法、超音速脫水法等[5]。

1.1 冷卻法

在不同的溫度和壓力下，天然氣本身的飽和含水量會(huì)發(fā)生變化。通常而言，天然氣的溫度越低，水含量越低，二者存在正比關(guān)系；天然氣的壓力越低，水含量高，二者存在反比關(guān)系。冷卻法脫水就是在保證天然氣壓力維持恒定的情況下，利用降低溫度將所含的水分凝析出來(lái)[6]。按照原理的不同，冷卻法包括利用焦耳-湯姆遜效應(yīng)的透平膨脹機(jī)法和加壓節(jié)流降溫法，都屬于物理脫水法。

優(yōu)點(diǎn)：占地面積小，投資費(fèi)用低，操作簡(jiǎn)單，壓力適用范圍廣。

缺點(diǎn)：設(shè)備能耗高，脫水深度低，脫水過(guò)程中易出現(xiàn)天然氣水化物，需要添加抑制成分并進(jìn)行收集分離回收。

1.2 吸收法

吸收法是利用一些對(duì)水蒸氣具有較強(qiáng)吸收能力的醇類物質(zhì)在吸收塔填料中進(jìn)行逆向接觸，從而將天然氣中的水分吸收到醇類循環(huán)系統(tǒng)中，這些醇類物質(zhì)需要滿足以下條件：不能和天然氣其他組分發(fā)生反應(yīng)、對(duì)水蒸氣具有親水性、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、對(duì)設(shè)備沒(méi)有腐蝕，與此同時(shí)能夠通過(guò)加熱等方法進(jìn)行再生。由于具有性能穩(wěn)定、不易變質(zhì)、運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)、脫水深度高等特點(diǎn)，常常應(yīng)用于一些化工項(xiàng)目。醇類脫水物質(zhì)包括二甘醇、三甘醇和甘醇胺溶液，其中價(jià)格便宜的三甘醇脫水效果好、脫水深度高，可以將水分降低到126×10-6以下，所以成為應(yīng)用最為廣泛的吸收脫水物質(zhì)[7]。

常見的三甘醇脫水系統(tǒng)包括三個(gè)部分：

1）脫水部分：原料氣經(jīng)過(guò)氣液分離罐后，將水分進(jìn)行初步分離脫除之后進(jìn)入脫水塔的底部，自下而上的經(jīng)過(guò)脫水塔的填料、塔盤，與塔頂送來(lái)的脫水吸收貧液進(jìn)行逆向充分接觸，脫水吸收貧液將原料氣中的水分吸收后轉(zhuǎn)變?yōu)楦灰海揽孔陨碇亓?shì)能輸送至再生環(huán)節(jié)，脫水后的天然氣由塔頂輸出。為了冷卻貧液的同時(shí)回收貧液的熱能，塔頂出來(lái)的天然氣需要經(jīng)過(guò)干氣-貧液換熱器加熱后進(jìn)入下一單元。

2）脫水富液再生：在脫水塔中吸收飽和的富液從塔的底部流出，依靠自身重力輸送至精餾柱一次換熱，富液中的水分在精餾柱中被重沸器產(chǎn)生的高溫蒸氣汽提帶走，汽提氣在塔頂回流段冷凝回收部分富液，之后富液進(jìn)入富液閃蒸罐，將溶解在富液中的輕烴類物質(zhì)閃蒸析出，隨后通過(guò)機(jī)械-活性炭-機(jī)械三級(jí)過(guò)濾器，過(guò)濾掉富液中含有的降解產(chǎn)物和其它雜質(zhì)，過(guò)濾后的富液通過(guò)板式換熱器與再生后的貧液進(jìn)行二次換熱，然后通過(guò)緩沖罐與貧液三次換熱，經(jīng)過(guò)三次換熱的富液由精餾柱進(jìn)入高溫重沸器中加熱再生，經(jīng)過(guò)高溫后的富液完全脫除吸收的水分成為貧液，提純后的貧液進(jìn)入緩沖罐、板式換熱器反向與富液換熱，最后通過(guò)貧液循環(huán)泵加壓輸送至干氣-貧液換熱器后進(jìn)入脫水塔頂部，至此富液的再生循環(huán)完成。

3） 輔助系統(tǒng)：主要包括閥門氣動(dòng)控制的工廠儀表風(fēng)系統(tǒng)、為重沸器提供熱量的燃料氣系統(tǒng)。

優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)行穩(wěn)定連續(xù)，脫水深度較高。

缺點(diǎn)：占地面積大，工藝流程復(fù)雜，溶液存在發(fā)泡和變質(zhì)現(xiàn)象易損耗，操作有一定難度，投入設(shè)備多。

1.3 吸附法

吸附脫水法是利用某些接觸表面積大、內(nèi)部多孔的物質(zhì)來(lái)吸附天然氣中的水分，常用的吸附劑有分子篩、活性氧化鋁、硅膠。由于整個(gè)吸附過(guò)程不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，只有物理吸附作用，這種單一選擇性的吸附效果具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，能夠把水露點(diǎn)降低到100 ℃以下，因此被廣泛應(yīng)用于脫水工藝[8]。按照吸附法脫水的要求，脫水吸附劑需要具備以下條件:（1）選擇性吸附水的能力強(qiáng)、具備大的比表面積，也就是在脫水工藝中能夠選擇性的僅僅吸附需要去除的水分，而對(duì)于天然氣中的甲烷、乙烷等主要烴類組分不會(huì)吸附或者吸附量微??；（2）脫水吸附劑對(duì)于天然氣中的雜質(zhì)成分不敏感，不會(huì)由于雜質(zhì)的污染而降低吸附能力；（3）脫水吸附劑容易加工制備，具有統(tǒng)一的制作標(biāo)準(zhǔn)，有一定的體積且大小一致，能夠均勻的分布填充在脫水床層中，對(duì)原料氣的壓力影響小、壓力降不大，運(yùn)行過(guò)程中不易發(fā)生偏流等故障；（4）由于吸附劑在吸附飽和后需要進(jìn)行高溫氣流逆向吹掃再生，脫水吸附劑具備一定的耐高溫性，與此同時(shí)在周期性反復(fù)吸附-再生過(guò)程中自身不會(huì)由于熱應(yīng)力變化而發(fā)生變形或者脆化；（5）脫水吸附劑要具有高機(jī)械強(qiáng)度，在高壓原料氣流和干燥再生氣流的沖刷下不被破壞；（6）由于脫水吸附劑更換周期通常為3～5 年，因此價(jià)格要便宜，降低設(shè)備運(yùn)行中填料更換的費(fèi)用。

優(yōu)點(diǎn)：占地面積適中，操作簡(jiǎn)單，自動(dòng)化程度高，脫水深度高。

缺點(diǎn)：吸附物質(zhì)填充量大，運(yùn)行周期短，更換填料費(fèi)時(shí)費(fèi)力，再生單元能耗較高。

1.4 膜分離法

膜分離法脫水是利用不同氣體組分通過(guò)具有選擇性穿越能力的膜材料時(shí)滲透率不同，在施加壓力的條件下被分離，并利用脫水后的原料氣作為再生氣反向吹掃膜材料進(jìn)行再生。脫水用的膜材料屬于滲透膜，是由特殊選擇性的多聚體材料制成，材料整體呈中空纖準(zhǔn)型或平板型，與具有網(wǎng)孔或者小洞的分子篩類過(guò)濾材料不同[9]。膜材料分為無(wú)機(jī)膜、有機(jī)聚合物膜、復(fù)合膜[10]。

由于氣體通過(guò)不同結(jié)構(gòu)的膜的傳遞擴(kuò)散方式不同，因而分離原理也存在差異，總體而言分為兩種：

1） 多孔膜的微孔擴(kuò)散機(jī)理：氣體通過(guò)多孔膜的傳遞機(jī)理包括表面擴(kuò)散、分子擴(kuò)散、粘性流動(dòng)、努森擴(kuò)散等，但由于多孔膜的孔徑不同、孔的內(nèi)表面性質(zhì)不同，最終讓氣體分子在與多孔膜相互作用的程度有所差異，導(dǎo)致傳遞特征表現(xiàn)不一。

2）非多孔膜的溶解-擴(kuò)散原理：氣體在非多孔膜穿透分為3 個(gè)過(guò)程，首先氣體在膜的進(jìn)入端表面吸附溶解，其次吸著后的氣體在膜表面濃度差的作用下擴(kuò)散穿過(guò)膜，最后膜輸出端表面的氣體解析出來(lái)從而實(shí)現(xiàn)了分離[11]。

優(yōu)點(diǎn)：占地面積適小，設(shè)備布置集中，使用壽命長(zhǎng)，投資費(fèi)用低，操作簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，脫水深度較高。

缺點(diǎn)：一次性投資較高[12]，脫水處理能力較低，有機(jī)聚合物膜耐水、耐熱穩(wěn)定性差，無(wú)機(jī)膜制造復(fù)雜耗時(shí)。

1.5 超音速脫水法

超音速脫水法是一種利用天然氣自身的壓力或增壓后通過(guò)拉法爾噴管脫水的方法，由于拉法爾噴管內(nèi)部通道存在截面積突變，流經(jīng)氣體的流速會(huì)急速增加至幾倍音速，與此同時(shí)通過(guò)換熱降低溫度后進(jìn)入分離器脫去水分[13]。

優(yōu)點(diǎn)：占地面積小，運(yùn)行成本低，不產(chǎn)生污染物質(zhì)，投資費(fèi)用低，操作簡(jiǎn)單，運(yùn)行穩(wěn)定，脫水深度較高。

缺點(diǎn)：對(duì)設(shè)備強(qiáng)度要求高，需要較高壓力。

1.6 內(nèi)聯(lián)式氣旋法

內(nèi)聯(lián)式氣旋法是利用內(nèi)聯(lián)式氣液分離器使得通過(guò)的氣體在渦流發(fā)生器產(chǎn)生強(qiáng)旋流，在離心力的作用下氣液混合物逐步分離為氣液兩相流，屬于一種高效的緊湊型氣液分離技術(shù)，在實(shí)現(xiàn)氣液分離的同時(shí)能夠?qū)p失的壓力降彌補(bǔ)回來(lái)[14]。

優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)行費(fèi)用低，無(wú)需使用化學(xué)添加劑，工作效率高。

缺點(diǎn)：技術(shù)僅僅掌握在國(guó)外企業(yè)手中，無(wú)法獲取關(guān)鍵部件。

2 分子篩吸附脫水法工藝探究

2.1 雙塔分子篩脫水流程

以陜西某LNG 工廠舉例，原料氣經(jīng)過(guò)增壓?jiǎn)卧?、脫碳單元處理合格后進(jìn)入脫水單元，脫碳凈化后氣體由上向下經(jīng)過(guò)兩個(gè)脫水床之一脫除水分，最終將水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低至1×10-6。正常運(yùn)行時(shí)，一個(gè)容器用于吸附脫水，另一個(gè)處在再生過(guò)程，工藝流程見圖1。

圖1 脫水工藝流程

吸附床層在達(dá)到飽和點(diǎn)前，脫除水分的凈化氣分離出一部分當(dāng)作再生氣輸送到另一個(gè)裝有干燥吸附劑的床層。然后，吸附飽和的床層在經(jīng)過(guò)換熱器加熱后的再生氣反向吹掃下脫除水分。含有水汽的熱的再生廢氣通過(guò)空氣冷卻器冷卻析出水分，然后通過(guò)氣液分離罐進(jìn)一步分離排去水分，隨后返回到進(jìn)口壓縮機(jī)當(dāng)作原料氣進(jìn)入循環(huán)。脫水塔下游設(shè)置濾塵器用于分離凈化氣中含有的分子篩粉末，防治下游單元設(shè)備及管路堵塞。

再生氣在脫水再生氣加熱器首先加熱到140 ℃進(jìn)行高溫再生持續(xù)一定的時(shí)間，之后再被加熱到280 ℃進(jìn)一步超高溫再生持續(xù)一定的時(shí)間。當(dāng)完成前面兩個(gè)時(shí)間序列流程后，然后床層進(jìn)入冷卻流程，在分子篩床處于冷卻模式時(shí)，大部分的再生氣通過(guò)再生氣加熱器旁路進(jìn)入床層冷卻，同時(shí)少量的再生氣體繼續(xù)流過(guò)再生氣加熱器用于防止加熱器過(guò)熱。冷卻完畢之后，床層準(zhǔn)備投入使用進(jìn)行吸附。

2.2 脫水單元節(jié)能優(yōu)化

通過(guò)分析脫水單元工藝流程，脫水再生氣從床層底部進(jìn)入，流經(jīng)吸附飽和的分子篩床層通過(guò)高溫氣流帶走存在的水分，之后冷卻降溫后進(jìn)入氣液分離器脫除，但是會(huì)出現(xiàn)以下問(wèn)題：

1）在兩個(gè)高溫階段，脫水再生氣經(jīng)過(guò)床層后溫度仍然很高，多余的熱量沒(méi)有回收利用；

2）由第一部分冷卻脫水法可知降低溫度有利于水分的脫除，但兩個(gè)高溫階段的脫水再生氣由于溫度較高，一定程度上阻礙了水分的冷凝，氣液分離效果降低。

因此，可以考慮將脫水塔頂部出來(lái)的高溫脫水再生氣利用換熱器把熱量回收，傳遞到原本需要加熱的干燥凈化氣[15]，與此同時(shí)降低了空氣冷卻器前再生氣的溫度，工藝流程見圖2。

圖2 優(yōu)化后脫水工藝流程

裝置優(yōu)化后實(shí)現(xiàn)了：（1） 降低了再生氣加熱器的熱油流量，導(dǎo)熱油爐的整體負(fù)荷下降；（2） 降低了空氣冷卻器前的再生氣的溫度，有利于水分的凝析分離；（3） 由于再生氣溫度降低，空氣冷卻器的設(shè)計(jì)負(fù)荷可以下調(diào)，用電負(fù)荷也隨之降低，實(shí)現(xiàn)了額外的節(jié)能。

3 結(jié) 論

目前，天然氣的脫水工藝成熟可靠，不同類型的脫水方法各有優(yōu)劣，綜合考慮脫水深度、建設(shè)規(guī)模、投資費(fèi)用等影響因素，平衡經(jīng)濟(jì)和產(chǎn)量后確定合適的脫水工藝。

通過(guò)工藝改造將高溫階段的脫水再生氣熱量進(jìn)行回收，一方面降低了導(dǎo)熱油爐的熱負(fù)荷，熱量能耗下降，另一方面降低了空氣冷卻器前再生氣的溫度，有利于水分的凝析分離，若在在最初設(shè)計(jì)階段考慮節(jié)能優(yōu)化，可以降低空氣冷卻器的設(shè)計(jì)負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)節(jié)電降能耗的效果。