天然氣三甘醇脫水工藝的技術(shù)進(jìn)展

陳賡良

中國(guó)石油西南油氣田公司天然氣研究院

天然氣三甘醇脫水工藝的技術(shù)進(jìn)展

陳賡良

中國(guó)石油西南油氣田公司天然氣研究院

對(duì)天然氣開(kāi)發(fā)過(guò)程重要配套工藝之一的原料氣三甘醇(TEG)脫水的技術(shù)發(fā)展動(dòng)向進(jìn)行了討論。目前，應(yīng)用最廣泛的貧TEG提濃措施為惰氣氣提，該措施可將貧TEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高至99.20%～99.98%，相應(yīng)的露點(diǎn)降范圍為55～83 ℃。經(jīng)改進(jìn)的Drizo工藝可使干氣中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降至1×10-6以下，脫水深度達(dá)到分子篩吸附脫水的水平。該工藝還具有減少BTEX/CO2排放、可回收原料氣所含芳烴、降低投資與成本等技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，尤其適用于FLNG工程。同時(shí)，近年來(lái)在國(guó)外建設(shè)的TEG脫水裝置上，高效規(guī)整填料、電動(dòng)齒輪泵、能量轉(zhuǎn)換泵和全焊式板式換熱器等新型設(shè)備及材料的應(yīng)用日益普及。

天然氣 TEG 脫水 Drizo工藝 惰氣氣提 水露點(diǎn) 水含量

在天然氣從采出至消費(fèi)的各個(gè)處理或加工步驟中，水是最常見(jiàn)的雜質(zhì)組分。天然氣中的水通常為飽和水。一般認(rèn)為，天然氣中的水分只有在以液態(tài)水的形式存在時(shí)才是有害的，因?yàn)橐簯B(tài)水的存在將導(dǎo)致冰及水合物的形成、設(shè)備腐蝕與開(kāi)裂及影響管道輸氣效率等諸多操作問(wèn)題。有一系列方法可用于原料天然氣脫水，并使之達(dá)到管輸或深度脫水要求，按其工藝原理大致可分為壓縮與冷凍(物理)分離法、以TEG為代表的溶劑吸收法和以分子篩為代表的固體吸附劑法等3大類(lèi)，見(jiàn)圖1[1]。

1 天然氣脫水工藝

1.1 冷凍分離法

工業(yè)上常用節(jié)流膨脹和/或加壓冷卻2種制冷工藝，它們通常與輕烴回收工藝過(guò)程相結(jié)合。節(jié)流膨脹適用于高壓氣田即利用焦耳-湯姆遜效應(yīng)制冷；如需進(jìn)一步冷卻，可再使用膨脹機(jī)制冷。加壓冷卻利用增壓降溫后天然氣中飽和水含量會(huì)降低的特點(diǎn)，部分分離飽和水，此方法適用于低壓氣田。冷凍分離設(shè)施經(jīng)常是采氣系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，當(dāng)氣田原始?jí)毫ο陆抵敛荒軡M(mǎn)足制冷要求，且增壓或由外部供應(yīng)冷源又不經(jīng)濟(jì)時(shí)，就應(yīng)考慮其他類(lèi)型的脫水方法。

1.2 固體干燥劑吸附法

利用固體干燥劑的表面力使氣體中某些組分的分子被其內(nèi)孔表面吸著的過(guò)程稱(chēng)為吸附。按表面力的不同本質(zhì)，吸附過(guò)程又可分為物理吸附和化學(xué)吸附。天然氣脫水的吸附過(guò)程屬于物理吸附，我國(guó)主要使用分子篩吸附劑，分子篩吸附主要適用于要求干氣水露點(diǎn)低于-40 ℃的深度脫水。

1.3 溶劑吸收法

溶劑吸收法是目前天然氣工業(yè)中應(yīng)用最普遍的脫水工藝，雖有多種溶劑可供選擇，但我國(guó)和北美地區(qū)絕大多數(shù)脫水裝置采用TEG。據(jù)2004年的統(tǒng)計(jì)，加拿大正在運(yùn)行的TEG裝置約有3 900套，而美國(guó)則多達(dá)36 000套[2]。故以下重點(diǎn)討論在天然氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中作為重要配套工藝之一的原料氣三甘醇(TEG)脫水。

近年來(lái)，在原料天然氣脫水領(lǐng)域中的技術(shù)開(kāi)發(fā)相當(dāng)活躍，相繼成功地開(kāi)發(fā)了膜分離法、以Morphysorb工藝為代表的物理溶劑法、Twister超聲分離器法和LTX低溫分離法，以及以IFPEX-1工藝為代表的冷凍甲醇法等諸多新工藝技術(shù)。但上述工藝由于存在干氣含水量要求、重?zé)N在溶劑中溶解度和/或工藝與設(shè)備尚有待完善等各種原因而未能全面推廣。另一方面，TEG脫水工藝則因其工藝成熟、操作簡(jiǎn)便、技術(shù)經(jīng)濟(jì)相對(duì)合理等原因，當(dāng)前仍是天然氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中不可或缺的配套工藝，并在以下方面取得了一系列全新的技術(shù)進(jìn)步。

(1) 為適應(yīng)輕烴回收與液化甲烷(LNG)生產(chǎn)過(guò)程中深度脫水的要求，強(qiáng)化再生過(guò)程以獲得高純度TEG的技術(shù)開(kāi)發(fā)取得重大進(jìn)展，采用改進(jìn)的Drizo深度脫水工藝可使干氣的水露點(diǎn)降至-95 ℃以下，水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為1×10-6[3]。

(2) 為適應(yīng)長(zhǎng)輸管道和海上氣田天然氣在高于其臨界凝析壓力(cricondenbar)下輸送以避免產(chǎn)生凝液的要求，2002年，奧地利國(guó)家石油公司(OMV)在澳大利亞海上采氣平臺(tái)上建設(shè)了1套在17 MPa下操作的TEG脫水撬裝裝置，處理規(guī)模為225×104m3/d的高壓天然氣TEG脫水裝置(見(jiàn)圖2)。該裝置的全部設(shè)備安裝在3個(gè)撬板上：即原料氣過(guò)濾分離撬、TEG脫水塔撬和TEG再生撬[4]。

(3) 1990年發(fā)布的美國(guó)聯(lián)邦法規(guī)規(guī)定，油氣工業(yè)排放的空氣有害污染物總量不得超過(guò)25 t/a，并規(guī)定任何一種空氣有害污染物的排放總量不得超過(guò)10 t/a。但按美國(guó)環(huán)境保護(hù)署(EPA)的統(tǒng)計(jì)，僅甘醇型脫水裝置的甲烷排放量即達(dá)其排放總量的12%[3]。因此，通過(guò)各種有效措施降低TEG脫水裝置的苯、甲苯、乙苯、二甲苯(BTEX)及各種溫室氣體的排放量已成為技術(shù)進(jìn)步的主要組成部分。

(4) 對(duì)處于“超臨界態(tài)”的高壓天然氣的含水量和以水合物形式存在的“亞穩(wěn)態(tài)”液相水開(kāi)展了廣泛的理論與實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，天然氣中的飽和含水量與其壓力、溫度和組成密切相關(guān)。高壓下天然氣組成對(duì)其飽和含水量的影響甚大，含有大量CO2和/或H2S原料氣的影響尤其明顯(見(jiàn)表1)。美國(guó)天然加工者協(xié)會(huì)(GPSA)《氣體加工工程數(shù)據(jù)手冊(cè)》中的圖20-3基于氣液平衡關(guān)系的狀態(tài)方程制作，首次發(fā)表于1958年[5]，此圖所示數(shù)據(jù)僅在一定溫度與壓力范圍內(nèi)適用于凈化氣脫水裝置的設(shè)計(jì)。圖中虛線(xiàn)所示部分?jǐn)?shù)據(jù)的液相水皆處于“亞穩(wěn)態(tài)”(meta-stable)，與之相平衡的氣相水濃度實(shí)際上高于與固體水合物相平衡的濃度?？傮w而言，酸性天然氣飽和含水量的預(yù)測(cè)相當(dāng)復(fù)雜，大多數(shù)情況下應(yīng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，且由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出的圖表或經(jīng)驗(yàn)方程不能外推，否則風(fēng)險(xiǎn)極大。

表1 不同組成天然氣水合物形成條件實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值的比較Table1 Comparisonofexperimentaldataandcalculateddataofhydrateformationconditionwithdifferentnaturalgascompositiony(組分)/%甲烷丙烷H2S相對(duì)密度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)溫度/℃溫度/℃絕壓/kPa圖20?15[5]方程20?3[5]文獻(xiàn)[6]預(yù)測(cè)值/℃88．6547．1724．1740．6494．67062．65．488．6547．1724．1740．6491114195．08．411．388．6547．1724．1740．64914．220247．211．214．188．6547．1724．1740．64918336711．714．918．481．0097．01611．9750．69610．48171．15．110．881．0097．01611．9750．69619．5281311．714．921．560．8887．40231．7100．82313．16862．87．113．260．8887．40231．7100．82319．114458．315．320．360．8887．40231．7100．82324．3255812．819．724．8

2 再生過(guò)程的強(qiáng)化

為了防止TEG熱分解，常壓下重沸器溫度不應(yīng)超過(guò)204 ℃，對(duì)應(yīng)的最高TEG貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅98.6%。在工業(yè)裝置上進(jìn)一步提高TEG貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的措施按原理大致可分為：惰氣氣提、局部冷凝、減壓蒸餾和共沸蒸餾(以Drizo工藝為代表)4類(lèi)，如圖3所示。

采用不同強(qiáng)化工藝可以得到的TEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)列于表2。

2.1 惰氣氣提

惰氣氣提是最簡(jiǎn)單、目前工業(yè)上使用最廣泛的強(qiáng)化再生工藝，通常以脫水干氣或閃蒸氣作氣提氣，如圖3(a)所示，氣提氣先經(jīng)重沸器預(yù)熱后再進(jìn)入再生系統(tǒng)。氣提氣用量與再生后貧TEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系如圖4所示。貧液氣提塔為填料塔，填料高度視貧TEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)要求而定，通常為1.2～1.6 m，可按噴淋密度10.35 m3/(m2·h)估算塔徑。

表2 不同強(qiáng)化再生工藝可得到的TEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table2 AvailableTEGmassfractionbydifferentstrengtheningregenerationprocess再生過(guò)程強(qiáng)化方法TEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%相應(yīng)的露點(diǎn)降/℃惰氣氣提99．20～99．9855～83局部冷凝99．9655～83減壓蒸餾99．20～99．9055～83Drizo工藝99．99以上100～122

由圖4可以看出，氣提氣經(jīng)重沸器預(yù)熱后進(jìn)入再生系統(tǒng)的氣提效果要比直接進(jìn)入時(shí)好。當(dāng)重沸器溫度為204 ℃時(shí)，同樣對(duì)1 L·TEG使用40 L·氣提氣，前者可使TEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高至99.95%，而后者僅為99.6%[7]。

2.2 局部冷凝法

局部冷凝法又稱(chēng)為“冷指法”(Cold finger)，是一種從液體中除去微量水分的工藝。如圖3(d)所示。該工藝?yán)貌迦胫胤衅鞯闹感喂苁?立管)冷凝其氣相中的水及烴類(lèi)，以提高貧TEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)，收集于受液盤(pán)中的冷凝水與烴類(lèi)經(jīng)分離并處理后回收或外排。由于水和輕烴的沸點(diǎn)與TEG沸點(diǎn)相差甚大，故此工藝在不使用惰氣氣提的情況下，即可獲得質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為99.96%的TEG。

2.3 減壓蒸餾

減壓蒸餾是利用一個(gè)抽真空的系統(tǒng)，通過(guò)降低整個(gè)系統(tǒng)的總壓以降低氣相空間的水蒸氣分壓。其工藝特點(diǎn)是僅將冷凝液容器上部的局部空間抽真空(見(jiàn)圖3(b))，故此工藝只需在常規(guī)系統(tǒng)中增加一臺(tái)真空泵即可實(shí)現(xiàn)。但系統(tǒng)在負(fù)壓下運(yùn)行，外部空氣容易竄入系統(tǒng)而嚴(yán)重影響再生效果，故此工藝很少應(yīng)用。

2.4 共沸蒸餾法

共沸蒸餾工藝(見(jiàn)圖3(c))早在19世紀(jì)50年代即開(kāi)發(fā)成功。天然氣脫水裝置上最早使用的共沸劑為異辛烷，它與水形成一種不均勻的共沸混合物，從而使塔頂冷凝器的溫度低于水(100 ℃)或異辛烷(99.2 ℃)的沸點(diǎn)溫度。對(duì)于TEG循環(huán)量為10 L/kg·水和異辛烷加入量為0.15 L/L·TEG的裝置，塔頂冷凝器的操作溫度約為90 ℃。異辛烷用量對(duì)TEG溶液再生效果的影響參見(jiàn)表3。

表3 異辛烷用量對(duì)TEG溶液再生的影響Table3 EffectofisooctanedosageonTEGregeneration異辛烷/TEG體積流量比/(L·L-1)能達(dá)到的最大TEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%①重沸器熱負(fù)荷/(kJ·(LTEG)-1)098．605520．1099．905800．1599．955930．2099．986070．2599．99621 注：①假定在204℃下等溫操作，并達(dá)到最大的解吸。

早期工藝再生后貧TEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高可達(dá)99.99%，干氣露點(diǎn)可降至約-73 ℃。20世紀(jì)70年代，DOW公司又開(kāi)發(fā)了新型的共沸劑并申請(qǐng)了Drizo工藝的專(zhuān)利；20世紀(jì)90年代初，美國(guó)OPC工程公司又在此基礎(chǔ)上作了若干改進(jìn)，使再生后貧TEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到99.995%以上，露點(diǎn)降可超過(guò)80 ℃，現(xiàn)已建設(shè)60多套工業(yè)裝置(見(jiàn)表4)[8]。近年來(lái)開(kāi)發(fā)成功的、經(jīng)改進(jìn)的Drizo工藝可以使干氣中水的體積分?jǐn)?shù)降至1×10-6以下，脫水深度達(dá)到可以與分子篩吸附法相匹敵的水平。

表4 Drizo工藝天然氣深度脫水工業(yè)裝置示例Table4 IndustrialunitexamplesofnaturalgasdeepdeghydrationbyDrizoprocess建設(shè)地點(diǎn)英國(guó)尼日利亞敘利亞挪威哈薩克斯坦投產(chǎn)年份/年19942004200920092009處理規(guī)模/(106m3·d-1)11．35．67．563×301×3．7原料氣條件溫度/℃438392535壓力/MPa9．07．35．43．66．8含5%(y)H2STEG循環(huán)量/(m3·h-1)5．21611．4963(每臺(tái)再生塔)干氣條件干氣水露點(diǎn)/℃-80-27-50-70-65水體積分?jǐn)?shù)/10-6<1203．60．71．0重沸器熱負(fù)荷/kW2903×16012202×4804550備注采用熱導(dǎo)油加熱系統(tǒng)建于海上平臺(tái)，3臺(tái)脫水塔共用1臺(tái)再生塔，采用電加熱重沸器燃料氣加熱重沸器建于海上平臺(tái)，采用電加熱重沸器4臺(tái)高壓脫水塔，1臺(tái)低壓脫水塔，2臺(tái)蒸汽加熱重沸器

3 Drizo工藝

第1套經(jīng)改進(jìn)的Drizo工藝深度脫水裝置于1999年在匈牙利Szeged油田建成投產(chǎn)，該裝置用于膨脹機(jī)法輕烴回收的原料氣脫水。處理量為384×104m3/d，脫水塔操作壓力5.0～6.0 MPa，溫度20～35 ℃。經(jīng)深度脫水后的原料氣能適應(yīng)脫甲烷塔頂-108 ℃、表壓1.6 MPa的低溫?，F(xiàn)場(chǎng)以卡爾-費(fèi)休法測(cè)定的貧TEG中水分體積分?jǐn)?shù)約0.1×10-6，實(shí)際已低至測(cè)量?jī)x器下限；對(duì)應(yīng)的TEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)99.999%。當(dāng)原料氣進(jìn)裝置的溫度為30 ℃時(shí)，出口干氣露點(diǎn)預(yù)計(jì)達(dá)到-130 ℃以下。

圖5為Drizo工藝流程示意圖[8]。圖中藍(lán)色所示為常規(guī)TEG脫水工藝流程，其余則為Drizo工藝增加的設(shè)備與管線(xiàn)。經(jīng)改進(jìn)Drizo工藝的核心是增加了兩個(gè)切換使用的液體烴類(lèi)共沸劑干燥器(紅色圓圈內(nèi)所示)，烴類(lèi)溶劑經(jīng)干燥后，其中的水體積分?jǐn)?shù)可從0.1%降低至約10×10-6。Drizo工藝的主要工藝特點(diǎn)可歸納如下:

(1) 專(zhuān)利的共沸劑是相對(duì)分子質(zhì)量大于80的芳烴混合物，使用后易于分離回收，故此工藝應(yīng)用于含有極易溶解于TEG的BTEX的原料氣時(shí)具有特殊的環(huán)保優(yōu)勢(shì)；BTEX相對(duì)排放量可減少80%以上，CO2排放量可減少40%，見(jiàn)表5。

表5 3種TEG脫水工藝的BTEX/CO2相對(duì)排放量比較Table5 RelativeemissioncomparisonofthreeTEGdehydrationprocesses氣提法氣提法Drizo工藝貧TEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%99．599．9599．995BTEX相對(duì)排放量/%3710018CO2相對(duì)排放量/%7010060

(2) 使用極高純度TEG的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是可以較大幅度地降低醇水比和貧TEG循環(huán)量。Szeged油田TEG脫水裝置的操作經(jīng)驗(yàn)表明，采用醇水比為11.9 L/kg·H2O即可達(dá)到深度脫水要求，循環(huán)量比常規(guī)Drizo工藝降低30%～40%。只要貧TEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到99.995%，脫水后干氣的水露點(diǎn)即可達(dá)到低于-95 ℃[3]。

(3) 常規(guī)TEG裝置重沸器溫度一般為202 ℃，但對(duì)于Drizo工藝而言，重沸器溫度可降至約193 ℃，大大降低了TEG的降解損耗。常規(guī)TEG裝置的溶劑綜合損耗量為8～16 kg/106m3·原料氣，而經(jīng)改進(jìn)的Drizo工藝裝置則約為5 kg/106m3。同時(shí)，只需設(shè)置一臺(tái)活性炭過(guò)濾器即可除去降解產(chǎn)物，后者與BTEX組分一起，經(jīng)反沖排出系統(tǒng)。

(4) Drizo工藝也適用于已建裝置的改造。圖5表明，只要在常規(guī)TEG脫水裝置流程上增加一個(gè)共沸劑加熱干燥系統(tǒng)，就可以改造為經(jīng)改進(jìn)的Drizo工藝，從而適應(yīng)原料氣深度脫水和/或脫除及回收原料氣中所含的BTEX組分。

(5) 極高純度的TEG提高了脫水塔氣液吸收過(guò)程的推動(dòng)力與脫水效率，降低了脫水塔高度，同時(shí)減少了其容積。對(duì)于可能在高風(fēng)速下運(yùn)行的、建于海上操作平臺(tái)的TEG脫水裝置而言，能相應(yīng)地減少脫水塔晃動(dòng)幅度[9]，從而增加了該工藝在FLNG(浮式LNG生產(chǎn)裝置)工程開(kāi)發(fā)中與分子篩法脫水工藝競(jìng)爭(zhēng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

(6) 與固體干燥劑法相比，Drizo工藝在技術(shù)經(jīng)濟(jì)方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。Szeged油田TEG脫水裝置的可行性研究表明，對(duì)于露點(diǎn)要求達(dá)到-120 ℃以下的深度脫水工藝，與固體干燥劑法相比，經(jīng)改進(jìn)的Drizo工藝裝置投資與成本均可降低30%；但如果處理量超過(guò)5.6×106m3/d，投資可降低約50%。

(7) 應(yīng)用于脫水深度要求較低的氣田開(kāi)發(fā)領(lǐng)域時(shí)，與固體干燥劑法相比，Drizo工藝裝置的節(jié)能優(yōu)勢(shì)頗為明顯。建于英國(guó)北海氣田海上操作平臺(tái)的Drizo工藝裝置，按表6所示的設(shè)計(jì)參數(shù)估計(jì)，裝置投資可降低約25%，年操作費(fèi)用可降低約48%(假定干燥劑分子篩的使用壽命為2 000個(gè)循環(huán)或3～4年)。

表6 Drizo工藝裝置的主要設(shè)計(jì)參數(shù)Table6 MaindesignparametersofDrizoprocessunit處理量/(m3·d-1)5．6×106脫水塔公稱(chēng)直徑/m1．8脫水塔表壓/MPa6．9脫水塔切線(xiàn)高度/m10．8原料氣溫度/℃30規(guī)整填料高度/m4．5干氣露點(diǎn)溫度/℃-50填料HETP/m1．09露點(diǎn)降/℃80理論塔板數(shù)/塊4．06貧TEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%99．96填料容積/m312．0脫水效率/%99．68醇水比/(L·(kgH2O)-1)25

4 其它技術(shù)進(jìn)步

4.1 規(guī)整填料

早期的TEG脫水塔通常使用4～10塊塔盤(pán)的逆流接觸泡罩塔。近年來(lái)，規(guī)整填料塔應(yīng)用日益廣泛。圖6為Szeged油田經(jīng)改進(jìn)的Drizo工藝裝置脫水塔，采用Montz B1-300規(guī)整填料，比表面積為300 m2/m3，在設(shè)計(jì)流量下其HETP略小于1 m，低于設(shè)計(jì)流量時(shí)其值更高。在理論塔板數(shù)要求小于1的情況下，也有使用靜態(tài)混合器的案例。

與泡罩塔相比，規(guī)整填料塔的主要優(yōu)點(diǎn)可歸納如下[10]:

(1) 極高的塔盤(pán)效率，每米填料的理論塔板數(shù)超過(guò)0.9。

(2) 同樣的操作工況下，具有更低的塔高度與阻力降。

(3) 能適應(yīng)更高的氣速，規(guī)整填料塔氣速約為泡罩塔氣速的2倍。

(4) 脫水塔操作彈性上限約125%，但下限可降到極低。

4.2 電動(dòng)齒輪泵

TEG脫水裝置的循環(huán)泵常用柱塞式計(jì)量泵，但其出口壓力波動(dòng)較大，出口處宜設(shè)置緩沖罐，且噪音較大，使用壽命及維護(hù)周期均較短。軸封為填料密封時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)泄漏問(wèn)題。柱塞式計(jì)量泵的流量調(diào)節(jié)也較困難，往往需要在電機(jī)上加裝變頻器以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。新一代TEG循環(huán)泵是專(zhuān)用的，如美國(guó)Rotor-Tech公司生產(chǎn)的電動(dòng)齒輪泵(見(jiàn)圖7)，其特點(diǎn)是適應(yīng)壓力范圍寬、流量穩(wěn)定、振動(dòng)小、無(wú)需脈動(dòng)緩沖器，且結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕，尤其適用于海上作業(yè)平臺(tái)[11]。

4.3 能量轉(zhuǎn)換泵

以能量轉(zhuǎn)換泵替代常規(guī)的柱塞泵或齒輪泵作為T(mén)EG貧液循環(huán)泵，可有效回收高壓富液的能量。目前主要有美國(guó)Rotor-Tech公司、Hydra-Lectrik公司和Ameritech公司3家公司生產(chǎn)甘醇型溶劑專(zhuān)用的能量交換泵，且已廣泛應(yīng)用于TEG脫水裝置，節(jié)能效果十分顯著。

4.4 全焊式板式換熱器

近年來(lái)開(kāi)發(fā)成功的全焊式板式換熱器的換熱片，由特種不銹鋼以特制模具壓制而成，見(jiàn)圖8。換熱片表面光滑，不易結(jié)垢；其特殊的波紋設(shè)計(jì)可使流體在低流速下產(chǎn)生渦流而提高傳熱效率，特別適合循環(huán)量相對(duì)較低的TEG脫水裝置。此類(lèi)換熱器通?？蛇m應(yīng)最高溫度300 ℃、最高壓力(表壓)3.2 MPa的極端工況。

與傳統(tǒng)的管殼式換熱器相比，TEG貧富液換熱器采用全焊式板式換熱器具有對(duì)數(shù)平均溫差大、使用壽命長(zhǎng)、占地面積小、重量輕、維修費(fèi)用低等一系列優(yōu)點(diǎn)，解決了一般的板式換熱器存在的耐壓?jiǎn)栴}，目前，已成功地應(yīng)用于TEG脫水工藝[11-12]。

4.5 水含量/水露點(diǎn)測(cè)定技術(shù)

水含量/水露點(diǎn)測(cè)定技術(shù)看似簡(jiǎn)單，實(shí)際相當(dāng)復(fù)雜，尤其是二者之間的換算。就本質(zhì)而言，水含量測(cè)定是組分濃度分析，具有清晰的溯源鏈；而水露點(diǎn)測(cè)定為物性測(cè)定，其值隨操作壓力而變化，必須以濕度計(jì)等設(shè)備對(duì)露點(diǎn)儀進(jìn)行校準(zhǔn)。水含量/水露點(diǎn)測(cè)定方法分為兩大類(lèi)：儀器測(cè)定與化學(xué)分析。當(dāng)前天然氣工業(yè)常用測(cè)定設(shè)備的主要技術(shù)規(guī)格如表7所示。

表7 天然氣水含量/水露點(diǎn)測(cè)定設(shè)備的主要技術(shù)規(guī)格Table7 Maintechnicalspecificationsofmeasuringequipmentsforwatercontent/waterdewpointofnaturalgas設(shè)備名稱(chēng)檢測(cè)限誤差手動(dòng)冷卻鏡面式露點(diǎn)儀不使用±0．25℃(與測(cè)溫設(shè)備有關(guān))在線(xiàn)電容式露點(diǎn)儀可變露點(diǎn)溫度較高時(shí)±1℃露點(diǎn)溫度較低時(shí)±2℃在線(xiàn)激光微水儀4×10-6(w)讀數(shù)的±2%在線(xiàn)石英晶體微平衡分析儀(QCM)0．01×10-6(w)0．1×10-6(w)讀數(shù)的10%讀數(shù)的10%光纖式傳感器露點(diǎn)儀無(wú)數(shù)據(jù)在校準(zhǔn)溫度范圍內(nèi)±1℃

根據(jù)長(zhǎng)期的工業(yè)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)上述測(cè)量設(shè)備的基本認(rèn)識(shí)可歸納如下：

(1) 手動(dòng)式冷卻鏡面露點(diǎn)儀應(yīng)用于天然氣工業(yè)已有80多年歷史。只要能獲得有代表性的樣品，且操作人員具有足夠經(jīng)驗(yàn)，此類(lèi)儀器通?？梢蕴峁?zhǔn)確、可靠、重復(fù)性良好的數(shù)據(jù)，能達(dá)到的水含量測(cè)定下限也較低。其主要缺陷是響應(yīng)速度甚慢，且不能應(yīng)用于腐蝕性環(huán)境。自動(dòng)式冷卻鏡面露點(diǎn)儀具有響應(yīng)速度快、排除了烴露點(diǎn)干擾、測(cè)定壓力恒定和樣品不會(huì)被污染等優(yōu)點(diǎn)，但應(yīng)用于測(cè)定水露點(diǎn)低于-80 ℃的工況或工藝參數(shù)發(fā)生很大波動(dòng)時(shí)，其測(cè)定數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與可靠性變差[3]。

(2) 獲得有代表性樣品的關(guān)鍵是必須配備1個(gè)設(shè)計(jì)精巧、安裝合理且運(yùn)行穩(wěn)定的樣品(預(yù))處理系統(tǒng)(Sample Conditioning System)。該系統(tǒng)包括取樣探頭、壓力調(diào)節(jié)器、過(guò)濾器和樣品轉(zhuǎn)移管線(xiàn)(及其保溫)等一系列設(shè)備與材料[13]。

(3) 應(yīng)用于在線(xiàn)連續(xù)測(cè)定的設(shè)備分為“接觸式”與“非接觸式”兩大類(lèi)。電化學(xué)露點(diǎn)傳感器(電容式露點(diǎn)儀)屬前者，此類(lèi)儀器受測(cè)定原理限制，響應(yīng)速度較慢，傳感器易飄移和老化，校準(zhǔn)周期為1個(gè)月。缺陷是傳感器不能在高溫下工作，對(duì)被測(cè)氣體流量穩(wěn)定性、潔凈度的要求較高，且水含量測(cè)定下限要比冷鏡式差1個(gè)數(shù)量級(jí)。

(4) 基于近紅外吸收光譜原理的微水儀屬“非接觸式”儀器，其優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)速度較快，可以適應(yīng)較高的溫度、壓力及腐蝕性環(huán)境。但此類(lèi)儀器準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性較差，且樣品預(yù)處理系統(tǒng)復(fù)雜，運(yùn)行與維護(hù)成本較高，校準(zhǔn)周期為3個(gè)月。

(5) 當(dāng)前正在迅速發(fā)展的水露點(diǎn)測(cè)定設(shè)備是基于半導(dǎo)體激光吸收光譜(DLAS)原理的非接觸式激光微水儀。此類(lèi)儀器不僅能適應(yīng)高溫、高壓和強(qiáng)腐蝕性環(huán)境，且響應(yīng)速度極快，測(cè)定下限大致與冷鏡式儀器相當(dāng)，準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性均優(yōu)于紅外吸收光譜微水儀，測(cè)定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行成本較低，校準(zhǔn)周期約為半年。

(6) 總體而言，當(dāng)干氣水露點(diǎn)低于-40 ℃或水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于20 mg/kg時(shí)監(jiān)測(cè)相當(dāng)困難。以Szeged油田Drizo工藝裝置為例，該裝置干氣露點(diǎn)保證值為-85 ℃(1.6 MPa)，按1955年發(fā)表的美國(guó)氣體工藝研究院(IGT)8號(hào)研究報(bào)告數(shù)據(jù)外推估計(jì)的水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為(0.10～0.16)×10-6，但微水儀的質(zhì)量分?jǐn)?shù)校準(zhǔn)下限為0.10×10-6，故難以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。貧TEG中微量水的測(cè)量也存在同樣的問(wèn)題，由于卡爾-費(fèi)休微水儀的測(cè)量下限為質(zhì)量分?jǐn)?shù)10×10-6，故當(dāng)TEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)99.999%時(shí)，其中水含量的分析數(shù)據(jù)缺乏重復(fù)性與溯源性[3]。

5 結(jié)論與建議

(1) 甘醇型溶劑吸收法是目前天然氣處理與加工過(guò)程中應(yīng)用最普遍的脫水工藝，雖有多種溶劑可供選擇，但基于技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，我國(guó)和北美地區(qū)絕大多數(shù)脫水裝置采用TEG為吸收溶劑。

(2) 工業(yè)裝置上提高TEG貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的措施按原理大致可分為：惰氣氣提、局部冷凝、減壓蒸餾和共沸蒸餾4類(lèi)，目前應(yīng)用最廣泛的是惰氣氣提。該措施可將TEG貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高至99.2%～99.98%，相應(yīng)的露點(diǎn)降范圍為55～83 ℃。

(3) 近年來(lái)開(kāi)發(fā)成功的、經(jīng)改進(jìn)的Drizo工藝可使干氣中水的體積分?jǐn)?shù)降至1×10-6以下，其脫水深度可達(dá)到分子篩吸附工藝的深度。

(4) 經(jīng)改進(jìn)的Drizo工藝還具有減少BTEX/CO2排放、可回收原料氣所含芳烴、降低投資與成本等技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，尤其適用于浮式LNG生產(chǎn)裝置(FLNG)。

(5) 基于加強(qiáng)節(jié)能與環(huán)保的考慮，近年來(lái)在國(guó)外建設(shè)的TEG脫水裝置上，高效規(guī)整填料、電動(dòng)齒輪泵、能量轉(zhuǎn)換泵和全焊式板式換熱器等新型設(shè)備及材料的應(yīng)用日益普及。

(6) 通常，只要能獲得有代表性的樣品，且操作人員具有足夠的經(jīng)驗(yàn)，手動(dòng)式冷卻鏡面露點(diǎn)儀可提供準(zhǔn)確、可靠、重復(fù)性良好的數(shù)據(jù)，能達(dá)到的測(cè)量下限也較低。而獲得有代表性樣品的關(guān)鍵是必須配備有效的樣品(預(yù))處理系統(tǒng)，但當(dāng)干氣水露點(diǎn)低于-40 ℃或水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于20×10-6時(shí)監(jiān)測(cè)相當(dāng)困難。

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Technical progress of TEG dehydration process in natural gas industry

Chen Gengliang

(ResearchInstituteofNaturalGasTechnology,PetroChinaSouthwestOilandGasfieldCompany,Chengdu610213,China)

TEG dehydration is an important technology for natural gas exploitation. The developmental tendencies of TEG dehydration process were discussed in this article. Recently inert gas stripping is the most popular measure to concentrate TEG and can improve the purity of TEG to 99.20%-99.98% which correspond to the water dew point depression range of 55-83 ℃ for dry gas. The improved Drizo process can reduce the mass concentration of water to lower than 1×10-6, the dehydration efficiency may reach that of molecular sieve adsorption process. The TEG dehydration process can reduce BTEX/CO2emission and recover aromatic, which will decrease CAPEX and OPEX also. Especially, Drizo process is suitable for FLNG engineering. At present brand-new equipments and materials are increasingly utilized in TEG dehydration unit, such as high-efficiency structured packing, electric gear pump, energy exchange pump and welded plate heat exchanger etc..

natural gas, TEG, dehydration, Drizo process, inert gas stripping, water dew point, water content

陳賡良(1940-)，男，上海人，教授級(jí)高工，1961年畢業(yè)于山東大學(xué)化學(xué)系，原任中國(guó)石油西南油氣田公司天然氣研究院院長(zhǎng)，現(xiàn)任全國(guó)天然氣標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)顧問(wèn)，已發(fā)表論文180余篇，專(zhuān)著8部。E-mail:chengengliang@petrochina.com.cn

TE644

B

10.3969/j.issn.1007-3426.2015.06.001

2015-06-25；編輯：溫冬云