丁寧，唐高峰

（1. 咸陽市天然氣有限公司， 陜西 咸陽 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降溫到-162 ℃，最終使得天然氣呈現(xiàn)液體狀態(tài)[1]。經(jīng)過液化后的天然氣，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 儲存罐，通過定期將LNG 卸車貯存至儲罐，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]。

管輸天然氣的來源很多，包括氣田采出氣、油田伴生氣、頁巖氣和煤層氣等，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進(jìn)一步脫水，經(jīng)過層層處理的天然氣水含量相對來說較低，通常情況下其水露點要比當(dāng)?shù)刈畹铜h(huán)境溫度還要低5 ℃[3]。但對于LNG 生產(chǎn)加工來說，水含量仍然偏高，在LNG 主低溫?fù)Q熱器的高溫段會凝固，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原料氣進(jìn)行脫硫、脫水、脫重?zé)N，經(jīng)過干燥單元后水質(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[6]。按照原理的不同，冷卻法包括利用焦耳-湯姆遜效應(yīng)的透平膨脹機法和加壓節(jié)流降溫法，都屬于物理脫水法。

優(yōu)點：占地面積小，投資費用低，操作簡單，壓力適用范圍廣。

缺點：設(shè)備能耗高，脫水深度低，脫水過程中易出現(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水蒸氣具有較強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)、對水蒸氣具有親水性、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、對設(shè)備沒有腐蝕，與此同時能夠通過加熱等方法進(jìn)行再生。由于具有性能穩(wěn)定、不易變質(zhì)、運行時間長、脫水深度高等特點，常常應(yīng)用于一些化工項目。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)包括三個部分：

1）脫水部分：原料氣經(jīng)過氣液分離罐后，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)過脫水塔的填料、塔盤，與塔頂送來的脫水吸收貧液進(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?，依靠自身重力勢能輸送至再生環(huán)節(jié)，脫水后的天然氣由塔頂輸出。為了冷卻貧液的同時回收貧液的熱能，塔頂出來的天然氣需要經(jīng)過干氣-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，隨后通過機械-活性炭-機械三級過濾器，過濾掉富液中含有的降解產(chǎn)物和其它雜質(zhì)，過濾后的富液通過板式換熱器與再生后的貧液進(jìn)行二次換熱，然后通過緩沖罐與貧液三次換熱，經(jīng)過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：運行穩(wěn)定連續(xù)，脫水深度較高。

缺點：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。由于整個吸附過程不發(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厚的優(yōu)勢，能夠把水露點降低到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、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，而對于天然氣中的甲烷、乙烷等主要烴類組分不會吸附或者吸附量微小；（2）脫水吸附劑對于天然氣中的雜質(zhì)成分不敏感，不會由于雜質(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，對原料氣的壓力影響小、壓力降不大，運行過程中不易發(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，與此同時在周期性反復(fù)吸附-再生過程中自身不會由于熱應(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械強度，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，因此價格要便宜，降低設(shè)備運行中填料更換的費用。

優(yōu)點：占地面積適中，操作簡單，自動化程度高，脫水深度高。

缺點：吸附物質(zhì)填充量大，運行周期短，更換填料費時費力，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具有選擇性穿越能力的膜材料時滲透率不同，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濾材料不同[9]。膜材料分為無機膜、有機聚合物膜、復(fù)合膜[10]。

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

1） 多孔膜的微孔擴散機理：氣體通過多孔膜的傳遞機理包括表面擴散、分子擴散、粘性流動、努森擴散等，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-擴散原理：氣體在非多孔膜穿透分為3 個過程，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散穿過膜，最后膜輸出端表面的氣體解析出來從而實現(xiàn)了分離[11]。

優(yōu)點：占地面積適小，設(shè)備布置集中，使用壽命長，投資費用低，操作簡單，維護方便，脫水深度較高。

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

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)氣體的流速會急速增加至幾倍音速，與此同時通過換熱降低溫度后進(jìn)入分離器脫去水分[13]。

優(yōu)點：占地面積小，運行成本低，不產(chǎn)生污染物質(zhì)，投資費用低，操作簡單，運行穩(wěn)定，脫水深度較高。

缺點：對設(shè)備強度要求高，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的氣體在渦流發(fā)生器產(chǎn)生強旋流，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)，在實現(xiàn)氣液分離的同時能夠?qū)p失的壓力降彌補回來[14]。

優(yōu)點：運行費用低，無需使用化學(xué)添加劑，工作效率高。

缺點：技術(shù)僅僅掌握在國外企業(yè)手中，無法獲取關(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)過增壓單元、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)過兩個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。正常運行時，一個容器用于吸附脫水，另一個處在再生過程，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裝有干燥吸附劑的床層。然后，吸附飽和的床層在經(jīng)過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空氣冷卻器冷卻析出水分，然后通過氣液分離罐進(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)一定的時間。當(dāng)完成前面兩個時間序列流程后，然后床層進(jìn)入冷卻流程，在分子篩床處于冷卻模式時，大部分的再生氣通過再生氣加熱器旁路進(jìn)入床層冷卻，同時少量的再生氣體繼續(xù)流過再生氣加熱器用于防止加熱器過熱。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，但是會出現(xiàn)以下問題：

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

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)計負(fù)荷可以下調(diào)，用電負(fù)荷也隨之降低，實現(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、投資費用等影響因素，平衡經(jīng)濟和產(chǎn)量后確定合適的脫水工藝。

通過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)計階段考慮節(jié)能優(yōu)化，可以降低空氣冷卻器的設(shè)計負(fù)荷，實現(xiàn)節(jié)電降能耗的效果。