分子篩脫水工藝以及在泰安LNG工廠中的應(yīng)用

王光宏 孫常梅 陳開

（山東泰安昆侖能源有限公司，山東泰安 271000）

分子篩脫水工藝以及在泰安LNG工廠中的應(yīng)用

王光宏1孫常梅1陳開2

（山東泰安昆侖能源有限公司，山東泰安 271000）

脫水處理工藝是LNG工廠天然氣凈化處理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，脫水方法多種多樣，分子篩脫水為近些年來(lái)國(guó)內(nèi)諸多LNG工廠常用的脫水方法，該方法工藝簡(jiǎn)單，操作方便。介紹了天然氣脫水的幾種方法，并總結(jié)了分子篩脫水的操作參數(shù)控制以及在泰安LNG工廠的實(shí)際應(yīng)用情況。

分子篩；脫水；工藝；工廠；應(yīng)用

目前我國(guó)各大城市PM2.5嚴(yán)重超標(biāo)、霧霾等的環(huán)境問題日趨嚴(yán)重，“以氣代油”業(yè)務(wù)發(fā)展迫在眉睫，LNG是綠色清潔燃料，它以安全、高效、便于儲(chǔ)存等優(yōu)點(diǎn)，迅速成為我國(guó)“以氣代油”的主力軍，國(guó)內(nèi)LNG工廠如雨后春筍般迅猛發(fā)展，LNG工廠天然凈化技術(shù)也在不斷革新。若天然氣在液化時(shí)含水，進(jìn)入冷箱后，在低溫情況下，天然氣中的水分會(huì)以冰或霜的形式凍結(jié)在冷箱的表面或節(jié)流閥的內(nèi)部，使換熱器壓差增大，造成冰堵。而且在一定的溫度和壓力下，天然氣能和水反應(yīng)形成天然氣水化物，可能導(dǎo)致工藝管線、設(shè)備和膨脹機(jī)噴嘴堵塞，嚴(yán)重影響生產(chǎn)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。為了避免天然氣中水對(duì)液化工藝的影響，需將天然氣中的游離水脫除，使其露點(diǎn)達(dá)到-70℃以下，以達(dá)到低溫處理的要求。

1 天然氣凈化脫水工藝簡(jiǎn)介

為了避免天然氣中游離水的存在造成堵塞，通常須在天然氣凈化單元就將原料氣中的游離水脫除，使其露點(diǎn)達(dá)到-70℃以下。目前天然氣凈化方面應(yīng)用的脫水技術(shù)有：三甘醇法、分子篩法、低溫冷凝等。

目前用于天然氣脫水的工藝方法主要有低溫分離、固體吸附和溶劑吸收三類方法。

1.1 低溫分離

低溫分離法有膨脹制冷法和冷劑外制冷法。

膨脹制冷法主要有J-T閥節(jié)流制冷、膨脹機(jī)制冷等。節(jié)流制冷法為防止天然氣溫度在節(jié)流閥后迅速降低而生成水合物，在節(jié)流閥前須注入水合物抑制劑。采用節(jié)流制冷法脫水，裝置設(shè)備簡(jiǎn)單，一次性投資低，裝置操作費(fèi)用較低。該方法主要用于有壓力能可供利用的高壓氣田，并且該氣田的壓力逐年下降緩慢，在氣田開發(fā)的前期不需增壓處理的氣田。膨脹機(jī)制冷主要用于深冷回收天然氣凝液。

冷劑制冷法中的丙烷外制冷法是利用液體丙烷蒸發(fā)成氣體丙烷所產(chǎn)生的冷量將天然氣冷卻至一定的溫度，以達(dá)到天然氣脫水脫烴的目的，在天然氣冷卻前需要注入水合物抑制劑，以防止水合物的生成。該方法主要用于氣田無(wú)充分的壓力能可供利用，或雖然為高壓氣田，但氣田壓力下降較快，在開發(fā)前期就需進(jìn)行增壓處理的氣田。

1.2 固體吸附

固體吸附法是利用干燥劑大的內(nèi)表面積，使氣體中的水分子被干燥劑內(nèi)孔吸附而從天然氣中除去的方法。常用的干燥劑有分子篩、硅膠等。該類方法中分子篩脫水應(yīng)用最廣泛，技術(shù)成熟可靠，脫水后干氣含水量可低至1ppm，露點(diǎn)低至-100℃。這類方法適用于深度脫水裝置。

采用分子篩脫水后的干天然氣水露點(diǎn)可低至-100℃，不僅可以滿足管輸對(duì)天然氣的露點(diǎn)要求，而且適應(yīng)下游深冷法回收液化石油氣和輕油的輕烴回收裝置的要求，當(dāng)制冷溫度更低時(shí)，還可以回收乙烷。

該法一般應(yīng)用于水露點(diǎn)要求較高以及需要深度脫水的場(chǎng)合，如下游有采用深冷法回收乙烷或液化石油氣的輕烴回收裝置，則必須采用分子篩法脫水，以避免形成水合物，堵塞管道、閥門以及膨脹機(jī)入口。

表2-3 幾種常用分子篩

1.3 溶劑吸收

溶劑吸收法是利用脫水劑的良好吸水性能，通過在吸收塔內(nèi)進(jìn)行氣液傳質(zhì)脫除天然氣中的水分。脫水劑中甘醇類化合物應(yīng)用最為廣泛，其中尤以三甘醇（TEG）作吸收劑最佳，該方法是目前天然氣工業(yè)中普遍采用的脫水方法。

采用三甘醇脫水后的干天然氣水露點(diǎn)可低于-10℃，可以滿足管輸對(duì)天然氣的水露點(diǎn)要求，工藝成熟可靠。

各種脫水方案優(yōu)缺點(diǎn)以及適用范圍見表1-1。

表1-1 脫水工藝方案比較

2 分子篩脫水工藝介紹及流程控制要點(diǎn)

2.1 工藝介紹

采用固定床分子篩脫水的工藝流程，為了保證脫水工藝連續(xù)，至少需要有兩個(gè)分子篩固定床切換操作，一臺(tái)進(jìn)行吸附，另一臺(tái)進(jìn)行再生和冷卻，這就是分子篩脫水的經(jīng)典工藝流程，稱為雙塔流程。雙塔脫水工藝流程，流程簡(jiǎn)潔，設(shè)備臺(tái)數(shù)少。除雙塔流程外，也有采用三塔、四塔、五塔等的多塔流程。采用三塔和四塔等的多塔流程，流程復(fù)雜，設(shè)備臺(tái)數(shù)多。優(yōu)點(diǎn)是由于吸附塔數(shù)量多，可以調(diào)整好吸附、再生、冷吹等的時(shí)間，使再生加熱系統(tǒng)能夠連續(xù)操作，避免循環(huán)壓縮機(jī)和加熱爐頻繁開停，利于穩(wěn)定操作，降低操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，另外利用冷吹的熱氣體作為再生氣也可以回收部分熱量，降低裝置的能耗。兩種工藝的優(yōu)缺點(diǎn)如下：

工藝技術(shù)優(yōu)點(diǎn)分子篩法脫水之雙塔流程缺點(diǎn)再生過程有間斷，不利于進(jìn)行能量回收。流程簡(jiǎn)潔，設(shè)備臺(tái)數(shù)少分子篩法脫水之三塔或多塔流程可以調(diào)整好吸附、再生、冷吹等的時(shí)間和順序，使再生加熱系統(tǒng)連續(xù)操作，另外利用冷吹的熱氣體作為再生氣也可以回收部分熱量，降低裝置的能耗。流程相對(duì)復(fù)雜，多一臺(tái)或幾臺(tái)干燥器

2.2 分子篩脫水工藝的流程控制要點(diǎn)。

天然氣吸附法脫水裝置的操作由吸附、再生和冷卻三個(gè)基本過程組成，不同操作過程的操作參數(shù)主要包括壓力、流量、溫度、操作時(shí)間等。

2.2.1 吸附操作參數(shù)

2.2.1.1 操作溫度

為使吸附劑保持高濕狀態(tài)，原料氣溫度不宜超過50℃，且濕原料氣的溫度不能低于其形成水合物的溫度。

2.2.1.2 操作壓力

取決于進(jìn)入塔內(nèi)的天然氣壓力，壓力波動(dòng)可能引起吸附劑床層的擾動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)吸附劑顆粒將被氣流帶出塔內(nèi)，因此應(yīng)保持進(jìn)氣壓力的穩(wěn)定。

2.2.1.3 操作周期

一般是8h，根據(jù)情況可為16h或者24h。

2.2.1.4 吸附劑使用壽命

依氣質(zhì)和再生過程的操作而定，一般為3-5年。

2.2.2 再生操作參數(shù)

2.2.2.1 再生操作

通常從濕原料氣或干燥氣中抽出部分氣體作為再生氣，將其加熱到一定溫度后進(jìn)入再生塔床層，然后再匯入濕原料氣總管。

2.2.2.2 再生溫度

一般為175-310℃，這取決于吸附劑的種類；再生溫度越高，再生后的吸附劑的濕容量越大，但同時(shí)也將相應(yīng)縮短吸附劑的使用壽命。

2.2.2.3 再生氣流量

再生氣流量應(yīng)該滿足在規(guī)定時(shí)間內(nèi)把再生床層提高到規(guī)定的溫度，一般為總原料氣的5%-15%。

2.2.2.4 再生時(shí)間

使再生吸附器出口溫度達(dá)到預(yù)定再生溫度的時(shí)間約占總時(shí)間的65%-75%。

2.2.3 冷卻操作參數(shù)

冷卻氣流量通常與再生氣流量相同，最終的冷卻溫度為40-55℃；床層冷卻時(shí)間約占總時(shí)間的25%-35%。

3 泰安LNG工廠分子篩脫水工藝說明，實(shí)際應(yīng)用情況介紹

分子篩脫水采用兩塔吸附流程，按24h周期切換，保證脫水過程連續(xù)。每臺(tái)干燥器的操作分為吸附，再生，冷吹三個(gè)階段，吸附12小時(shí)、加熱7小時(shí)、再生5小時(shí)。再生氣有干燥后天然氣中提取，加熱至290℃后給分子篩進(jìn)行等壓再生。