吸附法在天然氣脫水工藝中的應(yīng)用

劉濤

天然氣脫水方法有低溫分離法、劑吸收法、體干燥劑吸附法。該文對(duì)采用吸附法脫水的原因、分子篩吸附劑的選擇，以及吸附脫水的原理脫水工藝流程的確定和可行性進(jìn)行了闡述，并提出了操作中需注意的問(wèn)題和建議。

分子篩；吸附法；脫水；應(yīng)用

對(duì)于高酸性天然氣進(jìn)行集中脫水處理，對(duì)集輸干線的管理、全運(yùn)行和維護(hù)都具有重要意義。

1.高酸性天然氣脫水方法選擇

天然氣常用的脫水方法有低溫分離法、溶劑吸收法和固體干燥劑吸附法。低溫分離法一般采用注醇節(jié)流膨脹制冷，一般和輕烴回收過(guò)程相結(jié)合，適合于高壓且有足夠自由壓降可利用的天然氣。氣田運(yùn)行一定年限后壓力降低不能滿(mǎn)足制冷要求時(shí)，需外補(bǔ)冷或增壓后節(jié)流，非常不經(jīng)濟(jì)。故不考慮該方法。溶劑吸收法是根據(jù)吸收原理，采用一種親水液體與天然氣逆流接觸，從而脫出氣體中的水蒸汽。其中由于三甘醇(TEG)的熱穩(wěn)定性好，易于再生，攜帶損失量小，露點(diǎn)可降至34℃，因此TEG得到了普遍的運(yùn)用。

固體吸附法是利用多孔的干燥劑表面吸附濕天然氣中的水分子以脫除天然氣中飽和水。該類(lèi)方法中分子篩脫水應(yīng)用最廣泛，技術(shù)成熟可靠，脫水后干氣水露點(diǎn)可達(dá)到100℃，操作簡(jiǎn)單，占地面積小，對(duì)進(jìn)料氣的溫度、力和流量變化不敏感。

2.吸附劑的選擇

固體吸附法脫水主要采用的吸附劑有活性氧化鋁、膠和分子篩。在較高溫度下分子篩的溫容量比其他吸附劑高得多。活性氧化鋁主要成分為部分水合的、多孔和無(wú)定形的氧化鋁，并含有少量的其他金屬化合物。其干燥后的氣體露點(diǎn)可達(dá)60℃，由于氧化鋁呈堿性，可與無(wú)機(jī)酸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，故不宜處理酸性天然氣。

硅膠是一種晶粒狀無(wú)定形氧化硅，分子式為SiO2.nH2O。硅膠干燥后的氣體露點(diǎn)可達(dá)到60℃，再生溫度比活性氧化鋁和分子篩都低，吸水能力強(qiáng)，但容易被液態(tài)水損壞和緩蝕劑腐蝕，從而使其結(jié)構(gòu)受到破壞并影響其脫水能力。

3.分子篩脫水流程的選擇

兩塔流程的確定。分子篩脫水裝置流程有兩塔流程、三塔流程和四塔流程。在兩塔流程中，一塔進(jìn)行脫水操作，另一塔進(jìn)行吸附劑的再生，即加熱和冷吹。在三塔或多塔流程中，切換的程序有所不同，通常三塔流程采用一塔吸附、塔加熱、塔冷吹。再生氣可以是脫水之后的干氣，也可以是飽和狀態(tài)下不含游離水的原料天然氣，即濕氣。干氣再生往往用于露點(diǎn)非常低的場(chǎng)合，如輕烴深冷裝置要求露點(diǎn)低于70℃。干氣再生需要壓縮機(jī)增壓，再生后氣體一般用作燃料氣。但對(duì)于高含硫天然氣，再生氣則不能直接作為燃料氣使用。如用濕氣再生，再生氣利用自身壓力再生氣流向的確定。干燥塔再生時(shí)，加熱和冷吹氣可以為同向流程，也可以為異向流程。異向再生可使分子篩再生得更徹底，加熱再生氣往往從下往上，冷吹氣則自上而下，這樣，一方面可以脫出靠近干燥器床層上部被吸附的物質(zhì)，并使其不流過(guò)整個(gè)床層，另一方面可以確保與濕進(jìn)料氣最后接觸的下部床層得到充分再生，始終讓塔底分子篩保持非常低的水含量，從而使出塔氣體具有很低的水露點(diǎn)。但每個(gè)塔的進(jìn)出口將分別增加一個(gè)切換閥。同向再生流程往往用于露點(diǎn)要求不是很高的場(chǎng)所，加熱氣和冷吹氣流向均采用自上而下，加熱結(jié)束后，塔底的分子篩仍含有少量的水分。

工藝流程簡(jiǎn)述。高酸性原料氣經(jīng)過(guò)濾分離器除去所攜帶大于燥塔的吸附過(guò)程為放熱過(guò)程，但如果操作壓力較高，氣體中水分則相對(duì)較少，大量的吸附熱將被氣體帶走，因此床層的溫升一般只有1℃~2℃。

4.主要設(shè)備及材料的選擇

入口過(guò)濾分離器。過(guò)濾分離器設(shè)置在干燥塔前，主要是除去天然氣中的固體雜質(zhì)和液體，防止分子篩的孔穴被固體顆粒堵塞和污染。由于分子篩脫水裝置之前已設(shè)置有重力分離和過(guò)濾分離器，過(guò)濾效率為:大于5m顆粒雜質(zhì)脫出率為99%。而分子篩脫水裝置的過(guò)濾器的過(guò)濾效率為:0.3m以上雜質(zhì)的脫出率不低于99.8%，因此遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于分子篩廠家給予的AW500分子篩可承受不大于20m固體雜質(zhì)的要求。

干燥塔每套裝置有兩個(gè)干燥塔，當(dāng)其中一個(gè)塔吸附脫水時(shí)，另一個(gè)塔同時(shí)進(jìn)行再生。干燥塔內(nèi)裝有用于脫水的1/8"AW500分子篩。為了均勻分布入口原料氣，防止氣體出現(xiàn)溝流現(xiàn)象和損壞分子篩，干燥塔入口不但設(shè)有氣流分配器，而且分子篩床層頂部構(gòu)不同于活性氧化鋁，不會(huì)被酸性氣體破壞)用于改善氣體分布并使床層顆粒的移動(dòng)減到最小程度。球、分子篩和氧化鋁球用不銹鋼絲網(wǎng)隔開(kāi)，防止分子篩被氣流帶走。干燥塔采用內(nèi)保溫型式，其內(nèi)壁上用鉚釘固定熱再生時(shí)，可更充分的利用再生熱量，比外保溫節(jié)約能量約30%左右。采用內(nèi)保溫還可避免高酸性氣體直接與塔內(nèi)壁接觸，防止形成高溫腐蝕。干燥塔頂部設(shè)有分子篩裝填孔，底部設(shè)有分子篩泄放孔，檢修時(shí)可通過(guò)人孔進(jìn)入內(nèi)部檢查內(nèi)保溫和支撐情況。塔內(nèi)支撐件全部采用不銹鋼材料。

直焰加熱爐。加熱爐主要是用來(lái)加熱再生氣，由于加熱和冷卻時(shí)間均為4h，因此，加熱爐只有50%工作時(shí)間。為了保證安全，停止加熱時(shí)，冷吹氣仍要通過(guò)爐內(nèi)翅管，同時(shí)在加熱爐選擇上，選擇了美國(guó)生產(chǎn)加熱爐的專(zhuān)業(yè)廠家GTS公司生產(chǎn)的對(duì)流式加熱爐，該加熱爐與普通加熱爐不同之處在于增加了一個(gè)循環(huán)風(fēng)機(jī)，讓出口煙氣2/3的氣體重新返回燃燒室，不但可防止?fàn)t膛溫度超高，而且爐膛溫度分布更均勻，熱效率高于89%，常用的輻射加熱爐熱效率只有69%左右，因此更節(jié)約燃料氣。

加熱爐形狀為“┛”，這種加熱爐主要由兩部分組成:燃燒段和對(duì)流傳熱段。在燃燒段，燃燒器采用短火焰燃燒器，防止火焰直接與翅管接觸，燃料氣和空氣混合燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔馀c循環(huán)氣混合后流向?qū)α鞫蔚某峁埽构に嚵黧w均勻的被加熱，同時(shí)使煙囪的煙道氣溫度低于245℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于天然氣的自燃溫度538℃。在冷吹停爐時(shí)，由于有循環(huán)風(fēng)機(jī)，整個(gè)爐內(nèi)溫度可很快的均勻冷卻下來(lái)，保證冷吹過(guò)程不受影響。

其他主要材料的選擇。在閥門(mén)選擇上，由于干燥塔進(jìn)出口切換閥動(dòng)作頻繁，這些切換閥的高可靠性和高密封性能成為分子篩脫水裝置正常運(yùn)行的重要保證，因此特意指定供貨商選擇滿(mǎn)足氣質(zhì)條件的ORBIT閥，調(diào)節(jié)閥選擇了FISHER閥門(mén)。鑒于再生加熱氣溫度達(dá)到288℃，高溫酸氣會(huì)加劇對(duì)管線的腐蝕，因此凡是與高溫氣體接觸的管線均采用了304L不銹鋼，加熱爐翅管采用了316L不銹鋼。

5.儀表控制方案

分子篩脫水裝置有一套獨(dú)立的PLC及ESD控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)整個(gè)裝置的自動(dòng)化控制，同時(shí)該P(yáng)LC及ESD系統(tǒng)可與站控系統(tǒng)進(jìn)行通訊，可從站控系統(tǒng)對(duì)脫水裝置進(jìn)行監(jiān)控。干燥塔進(jìn)出口閥門(mén)的切換完全由邏輯控制程序自動(dòng)控制，不需要人為干預(yù)。