目前我国各大城市PM2.5严重超标、雾霾等的环境问题日趋严重, “以气代油”业务发展迫在眉睫, LNG是绿色清洁燃料, 它以安全、高效、便于储存等优点, 迅速成为我国“以气代油”的主力军, 国内LNG工厂如雨后春笋般迅猛发展, LNG工厂天然净化技术也在不断革新。若天然气在液化时含水, 进入冷箱后, 在低温情况下, 天然气中的水分会以冰或霜的形式冻结在冷箱的表面或节流阀的内部, 使换热器压差增大, 造成冰堵。而且在一定的温度和压力下, 天然气能和水反应形成天然气水化物, 可能导致工艺管线、设备和膨胀机喷嘴堵塞, 严重影响生产的安全稳定运行。为了避免天然气中水对液化工艺的影响, 需将天然气中的游离水脱除, 使其露点达到-70℃以下, 以达到低温处理的要求。
1 天然气净化脱水工艺简介
为了避免天然气中游离水的存在造成堵塞, 通常须在天然气净化单元就将原料气中的游离水脱除, 使其露点达到-70℃以下。目前天然气净化方面应用的脱水技术有:三甘醇法、分子筛法、低温冷凝等。
目前用于天然气脱水的工艺方法主要有低温分离、固体吸附和溶剂吸收三类方法。
1.1 低温分离
低温分离法有膨胀制冷法和冷剂外制冷法。
膨胀制冷法主要有J-T阀节流制冷、膨胀机制冷等。节流制冷法为防止天然气温度在节流阀后迅速降低而生成水合物, 在节流阀前须注入水合物抑制剂。采用节流制冷法脱水, 装置设备简单, 一次性投资低, 装置操作费用较低。该方法主要用于有压力能可供利用的高压气田, 并且该气田的压力逐年下降缓慢, 在气田开发的前期不需增压处理的气田。膨胀机制冷主要用于深冷回收天然气凝液。
冷剂制冷法中的丙烷外制冷法是利用液体丙烷蒸发成气体丙烷所产生的冷量将天然气冷却至一定的温度, 以达到天然气脱水脱烃的目的, 在天然气冷却前需要注入水合物抑制剂, 以防止水合物的生成。该方法主要用于气田无充分的压力能可供利用, 或虽然为高压气田, 但气田压力下降较快, 在开发前期就需进行增压处理的气田。
1.2 固体吸附
固体吸附法是利用干燥剂大的内表面积, 使气体中的水分子被干燥剂内孔吸附而从天然气中除去的方法。常用的干燥剂有分子筛、硅胶等。该类方法中分子筛脱水应用最广泛, 技术成熟可靠, 脱水后干气含水量可低至1ppm, 露点低至-100℃。这类方法适用于深度脱水装置。
采用分子筛脱水后的干天然气水露点可低至-100℃, 不仅可以满足管输对天然气的露点要求, 而且适应下游深冷法回收液化石油气和轻油的轻烃回收装置的要求, 当制冷温度更低时, 还可以回收乙烷。
该法一般应用于水露点要求较高以及需要深度脱水的场合, 如下游有采用深冷法回收乙烷或液化石油气的轻烃回收装置, 则必须采用分子筛法脱水, 以避免形成水合物, 堵塞管道、阀门以及膨胀机入口。
1.3 溶剂吸收
溶剂吸收法是利用脱水剂的良好吸水性能, 通过在吸收塔内进行气液传质脱除天然气中的水分。脱水剂中甘醇类化合物应用最为广泛, 其中尤以三甘醇 (TEG) 作吸收剂最佳, 该方法是目前天然气工业中普遍采用的脱水方法。
采用三甘醇脱水后的干天然气水露点可低于-10℃, 可以满足管输对天然气的水露点要求, 工艺成熟可靠。
各种脱水方案优缺点以及适用范围见表1-1。
2 分子筛脱水工艺介绍及流程控制要点
2.1 工艺介绍
采用固定床分子筛脱水的工艺流程, 为了保证脱水工艺连续, 至少需要有两个分子筛固定床切换操作, 一台进行吸附, 另一台进行再生和冷却, 这就是分子筛脱水的经典工艺流程, 称为双塔流程。双塔脱水工艺流程, 流程简洁, 设备台数少。除双塔流程外, 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, 流程复杂, 设备台数多。优点是由于吸附塔数量多, 可以调整好吸附、再生、冷吹等的时间, 使再生加热系统能够连续操作, 避免循环压缩机和加热炉频繁开停, 利于稳定操作, 降低操作人员的劳动强度, 另外利用冷吹的热气体作为再生气也可以回收部分热量, 降低装置的能耗。两种工艺的优缺点如下:
2.2 分子筛脱水工艺的流程控制要点。
天然气吸附法脱水装置的操作由吸附、再生和冷却三个基本过程组成, 不同操作过程的操作参数主要包括压力、流量、温度、操作时间等。
2.2.1 吸附操作参数
2.2.1. 1 操作温度
为使吸附剂保持高湿状态, 原料气温度不宜超过50℃, 且湿原料气的温度不能低于其形成水合物的温度。
2.2.1. 2 操作压力
取决于进入塔内的天然气压力, 压力波动可能引起吸附剂床层的扰动, 严重时吸附剂颗粒将被气流带出塔内, 因此应保持进气压力的稳定。
2.2.1. 3 操作周期
一般是8h, 根据情况可为16h或者24h。
2.2.1. 4 吸附剂使用寿命
依气质和再生过程的操作而定, 一般为3-5年。
2.2.2 再生操作参数
2.2.2. 1 再生操作
通常从湿原料气或干燥气中抽出部分气体作为再生气, 将其加热到一定温度后进入再生塔床层, 然后再汇入湿原料气总管。
2.2.2. 2 再生温度
一般为175-310℃, 这取决于吸附剂的种类;再生温度越高, 再生后的吸附剂的湿容量越大, 但同时也将相应缩短吸附剂的使用寿命。
2.2.2. 3 再生气流量
再生气流量应该满足在规定时间内把再生床层提高到规定的温度, 一般为总原料气的5%-15%。
2.2.2. 4 再生时间
使再生吸附器出口温度达到预定再生温度的时间约占总时间的65%-75%。
2.2.3 冷却操作参数
冷却气流量通常与再生气流量相同, 最终的冷却温度为40-55℃;床层冷却时间约占总时间的25%-35%。
3 泰安LNG工厂分子筛脱水工艺说明, 实际应用情况介绍
分子筛脱水采用两塔吸附流程, 按24h周期切换, 保证脱水过程连续。每台干燥器的操作分为吸附, 再生, 冷吹三个阶段, 吸附12小时、加热7小时、再生5小时。再生气有干燥后天然气中提取, 加热至290℃后给分子筛进行等压再生。
分子筛再生时, 再生气进出口温度变化曲线, 如下图:
4 结语
本文简单介绍了天然气脱水工艺的几种类别, 并着重介绍了目前广泛应用的分子筛脱水工艺以及相关的参数控制要点, 并介绍了分子筛脱水工艺在泰安LNG工厂的应用, 希望可以为国内LNG工厂的建设和运行提供参考和帮助。
摘要：脱水处理工艺是LNG工厂天然气净化处理的关键环节, 脱水方法多种多样, 分子筛脱水为近些年来国内诸多LNG工厂常用的脱水方法, 该方法工艺简单, 操作方便。介绍了天然气脱水的几种方法, 并总结了分子筛脱水的操作参数控制以及在泰安LNG工厂的实际应用情况。
关键词：分子筛,脱水,工艺,工厂,应用
参考文献
[1] 胡耀强, 何飞, 韩建红.天然气脱水技术化学工程与装备2013年3月.
[2] 陈召财.分子筛脱水工艺分析与比较.化学工程与设备.2012年2月.
[3] 郭洲, 曾树兵, 陈文峰.分子筛脱水装置在珠海天然气液化项目中的应用.石油与天然气化工, 2008.
[4] 胡晓敏, 陆永康, 曾亮泉.分子筛脱水工艺简述.天然气与石油, 2008年2月.
[5] 祁亚玲.天然气水合物和天然气脱水新工艺探讨。天然气与石油, 2006年12月.