天然氣脫水方法綜述

劉建勛 寧雯宇

摘 要：目前，國(guó)內(nèi)天然氣行業(yè)正進(jìn)入高速發(fā)展的歷史新格局，天然氣的高效開發(fā)和利用已成為未來(lái)能源發(fā)展的新課題。所以，未來(lái)天然氣高效脫水技術(shù)將是一個(gè)重要的研究方向?，F(xiàn)階段工業(yè)上天然氣脫水方法主要有：三甘醇脫水（TEG）、分子篩脫水、低溫脫水。近年來(lái)膜分離和超音速這兩種新型技術(shù)正日益受到人們的關(guān)注，發(fā)展迅速。這兩種新技術(shù)在天然氣脫水方面具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能耗低、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用小、操作簡(jiǎn)單、污染小等特點(diǎn)。從根本上彌補(bǔ)了以往天然氣脫水技術(shù)系統(tǒng)復(fù)雜、體積龐大、高能耗、維護(hù)費(fèi)用高、污染大的特點(diǎn)。未來(lái)以膜、超音速脫水為代表的新技術(shù)將會(huì)有很大的發(fā)展空間。

關(guān) 鍵 詞：天然氣；膜脫水；超音速； 高效

中圖分類號(hào)：TE 624 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1671-0460（2015）07-1548-02

Natural Gas Dehydration Methods

LIU Jian-xun，NING Wen-yu

（China University of Petroleum， Beijing 102249，China）

Abstract： At present， domestic natural gas industry is entering a stage of rapid development， and efficient development and utilization of natural gas has become a new topic of future energy development. The highly efficient gas dehydration technology is an important part of the effective use of natural gas. Now industrial gas dehydration methods include TEG dehydration （TEG）， molecular sieve dehydration and low temperature dehydration. In recent years， the membrane separation and supersonic method are drawing people's attention. These two new technologies have many characteristics， such as simple structure， low energy consumption， low operation and maintenance cost， and low pollution. The new film and supersonic dehydration technologies will be a great space for development.

Key words： Natural gas； Membrane dehydration； Supersonic； Efficient

改革開放以來(lái)，我國(guó)的石油天然氣行業(yè)得到了大力發(fā)展，人們的消費(fèi)意識(shí)也不斷增強(qiáng)，徹底擺脫了自給自足的生產(chǎn)模式，致使天然氣的需求也日益增長(zhǎng)。美國(guó)的天然氣消費(fèi)量高達(dá)6 200億m3/a，全世界天然氣的總消費(fèi)量達(dá)到95 000億m3/a，而我國(guó)2012年天然氣的表觀消費(fèi)量達(dá)到了1 475億m3，預(yù)計(jì)到2020年天然氣需求量將達(dá)到3 000億m3?？梢灶A(yù)見(jiàn)，未來(lái)的5～10 a將是我國(guó)的天然氣行業(yè)蓬勃發(fā)展的新時(shí)期。天然氣高速發(fā)展的同時(shí)，隨之而來(lái)的環(huán)境問(wèn)題也必須引起人們的關(guān)注，由此未來(lái)天然氣凈化處理行業(yè)也會(huì)也來(lái)越受到人們的重視，其在天然氣工業(yè)中的地位也會(huì)越來(lái)越重要，這必將增大國(guó)家在天然氣凈化行業(yè)中的投入。

1 天然氣脫水的必要性

從地下儲(chǔ)氣層中開采出來(lái)的天然氣往往含有水和水蒸氣等有害物質(zhì)，在對(duì)其輸送之前，必須要進(jìn)行相應(yīng)的處理，以及防止天然氣中的水蒸氣在輸送過(guò)程中冷凝液化成液態(tài)水進(jìn)而形成水合物，造成管道、儀表的堵塞，同時(shí)天然氣管道中的液態(tài)水積聚在管低洼處，還會(huì)降低管道的輸送能力，增加輸送成本；管道中的酸性氣體如，等溶于水中將形成酸液，還會(huì)引起管道內(nèi)壁的腐蝕，因此在對(duì)其輸送使用之前必須進(jìn)行相關(guān)的處理，以達(dá)到相關(guān)規(guī)范的要求。目前，天然氣凈化方法包括：分離和過(guò)濾、冷凝分離、吸附法、吸收法、直接轉(zhuǎn)化法和綜合法等。而應(yīng)用最多的三種方法是：三甘醇（TEG）脫水、分子篩脫水、低溫脫水。近年來(lái)以膜分離和超音速法脫水為代表的新型脫水技術(shù)正日益受到人們的關(guān)注，相信這些新技術(shù)在不遠(yuǎn)的將來(lái)顛覆以往的天然氣脫水技術(shù)。

2 天然氣脫水方法

2.1 三甘醇脫水

三甘醇脫水屬于溶劑吸收法的范疇，目前是天然氣行業(yè)中應(yīng)用最廣泛的脫水技術(shù)。其工藝設(shè)備主要包括：吸收塔、再生塔、貧富液交換器、閃蒸罐及換熱器等[1]。三甘醇法穩(wěn)定性好、易再生、脫水后天然氣露點(diǎn)至少可以降低-55 ℃。目前美國(guó)使用的天然氣脫水工藝中，三甘醇法脫水占到大約85%，而海上天然氣平臺(tái)脫水占得比例更高，達(dá)到了95% [2]。

雖然就目前來(lái)看，TEG技術(shù)占得比例很大，但是這種方法尚且存在一些問(wèn)題主要是：系統(tǒng)比較復(fù)雜；TEG溶液再生能耗大；易被污染損失大，需要及時(shí)補(bǔ)充和凈化， Ghiasi[3]用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法對(duì)TEG的純度進(jìn)行了預(yù)測(cè)；易被氧化生成強(qiáng)腐蝕性的有機(jī)酸；TEG脫水設(shè)備龐大，系統(tǒng)復(fù)雜維修不便；其次目前使用的撬裝結(jié)構(gòu)多為進(jìn)口，雖然性能穩(wěn)定但是投資和運(yùn)行成本比較高，消耗品價(jià)格昂貴。因此三甘醇脫水比較適合較大規(guī)模的天然氣脫水，小規(guī)模的天然氣處理廠很難支付高額的維護(hù)費(fèi)用，目前這種技術(shù)主要應(yīng)用于集氣站等大型天然氣處理廠[4]。

2.2 分子篩

天然氣常用的固體干燥劑包括：活性氧化鋁、硅膠和分子篩。其中分子篩較另外兩種更為常用，分子篩脫水類似三甘醇同屬于物理方法，主要依靠其內(nèi)部的豐富的孔洞實(shí)現(xiàn)對(duì)天然氣的脫水，該項(xiàng)脫水技術(shù)較為成熟，而且分子篩設(shè)備簡(jiǎn)單操作方便 ，在國(guó)內(nèi)外被廣泛應(yīng)用。

分子篩吸附脫水主要是利用其內(nèi)部孔道、空腔依靠分子引力和熱擴(kuò)散原理實(shí)現(xiàn)對(duì)天然氣中水的吸附進(jìn)而除掉天然氣氣體混合物中的水蒸氣。常用的分子篩有 3A型、4A 型和 5A 型。按照再生壓力對(duì)分子篩進(jìn)行分類，可分為變溫再生（TSA）和變壓再生（PSA）兩大類[5]。傳統(tǒng)的分子篩的吸附表面積較大，具有高效的吸附容量，壽命較長(zhǎng)，有較高的吸附能力組分不易被破壞，再生能力強(qiáng)，所需原料價(jià)格低廉、貨源充足等特性，得到了較廣泛的應(yīng)用。但分子篩脫水裝置的能耗通常較高，特別是對(duì)于處理量較小的裝置。由于分子篩脫水之后能使天然氣露點(diǎn)能降低到-73 ℃，甚至-100 ℃，故其多用于天然氣液化前的脫水工藝中。分子篩脫水的主要缺點(diǎn)：1）設(shè)備投資和操作費(fèi)用比較大，達(dá)到相同露點(diǎn)時(shí)，建設(shè)一座處理量 / 的處理站，其投資比 TEG 法高出將近53%[6]；2）能耗大，吸附劑難以實(shí)現(xiàn)再生需要經(jīng)常更換；3）分子篩的再生、回收困難[7]。

2.3 低溫冷凝

該技術(shù)主要是利用膨脹降溫達(dá)到脫水目的，屬于物理法脫水。傳統(tǒng)的方法是使氣體經(jīng)絕熱可逆膨脹致使溫度降低，使氣態(tài)水冷凝液化后分離出來(lái)。其工藝流程包括：熱交換、氣液分離、制冷和排液四部分。目前，天然氣行業(yè)中比較常見(jiàn)的設(shè)備是 J-T 閥和透平膨脹機(jī)。對(duì)于高壓天然氣這種方法是最經(jīng)濟(jì)合理的，并且已經(jīng)在國(guó)內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。長(zhǎng)慶采氣二廠、塔里木克拉2等均采用該方法[8]，但是由于氣體膨脹節(jié)流后，其溫度往往會(huì)低于水合物形成溫度，因此應(yīng)用該方法進(jìn)行節(jié)流脫水時(shí)，需注入乙二醇抑制劑來(lái)抑制水合物的形成。另外低溫冷凝分離法的能耗費(fèi)用比三甘醇脫水還要高，設(shè)備復(fù)雜投資比較大，這些都是制約其發(fā)展的主要因素。

2.4 膜脫水

近20多年來(lái)，膜分離技術(shù)作為一種新型的氣體分離處理手段，憑借其設(shè)備簡(jiǎn)單、能耗小、分離效率高、自動(dòng)化及衛(wèi)生程度高等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)逐步被人們所重視，并且已經(jīng)開始代替?zhèn)鹘y(tǒng)的脫水方法。膜分離技術(shù)主要是利用半透膜的選擇性機(jī)理，目前工業(yè)中用到的主要是中空纖維膜[9]。膜分離法在天然氣脫水中有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，未來(lái)的發(fā)展?jié)摿薮?，但是從目前?yīng)用情況來(lái)看， 至今尚未能在工業(yè)上得到廣泛的采用，可以說(shuō)膜法脫水技術(shù)在天然氣行業(yè)的應(yīng)用范圍還較窄，而且規(guī)模不大。

就目前情況來(lái)看，現(xiàn)階段膜分離技術(shù)仍然要向基礎(chǔ)研究方面?zhèn)戎?，高性能膜材料的研制仍然是首要?wèn)題，氣體膜分離技術(shù)將會(huì)是未來(lái)天然氣脫水技術(shù)的一個(gè)重要分支，如何與傳統(tǒng)脫水工藝結(jié)合，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)組合和最低投資，達(dá)到相互促進(jìn)將是未來(lái)膜技術(shù)的有一個(gè)新的發(fā)展方向。

2.5 超音速

超音速分離器具有良好的脫水性能；在無(wú)需任何外界物質(zhì)的條件下，其最大露點(diǎn)降約為20 ℃。超音速技術(shù)最早應(yīng)用Laval噴管進(jìn)行空調(diào)制冷，Shell 公司于 1997 年開始研發(fā)超音速脫水技術(shù)，之后的幾年一直是Stork Product Engineering 、Shell及TU/e等在進(jìn)行基礎(chǔ)研究[10]。超音速分離器具有緊湊的高壓系統(tǒng)能夠選擇性的出去天然氣中的水分，并且不影響氣體中烴類的含量。不僅如此，文獻(xiàn)[11]利用濕空氣作為工作流體進(jìn)行了反復(fù)試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)超音速分離器的分離效率可達(dá)到94%左右。

超音速分離技術(shù)可以說(shuō)是目前比較新穎的天然氣脫水凈化技術(shù)，雖然目前并未大規(guī)模的投入使用，但是在筆者看來(lái)未來(lái)的5～10 a這種技術(shù)將被廣泛的應(yīng)用到各大天然氣處理廠[12]。同常規(guī)脫水技術(shù)相比，具有設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、投資小、效率高、對(duì)氣體無(wú)污染、不會(huì)形成水合物且對(duì)環(huán)境無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，但是其缺點(diǎn)是壓力損失過(guò)大。由于我國(guó)天然氣開采具有壓降快和流量變化大的特點(diǎn)，超音速脫水技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用還存在一定的問(wèn)題，有待于進(jìn)一步改進(jìn)。（下轉(zhuǎn)第1552頁(yè)）