天然氣脫水技術(shù)綜述

李星雨

天然氣脫水技術(shù)綜述

李星雨

（東北石油大學(xué)， 黑龍江 大慶 163318）

天然氣作為最清潔燃料擁有非常大的市場價值。天然氣脫水是各種天然氣工藝中非常重要的環(huán)節(jié)。本文介紹了幾種天然氣天然氣脫水工藝，固體吸附脫水、液體溶劑吸收脫水、低溫分離脫水、膜分離技術(shù)脫水、天然氣超音速脫水，并對幾種脫水技術(shù)進(jìn)行優(yōu)缺點(diǎn)分析。

天然氣脫水；固體吸附；溶液吸收；膜分離；超音速脫水

天然氣從地下開采出來后會攜帶高礦化度地層水、凝析油、H2S、CO2、氣井井下污染物等。其中水分的存在有極大的危害。在一定條件下，天然氣與液態(tài)水形成天然氣水合物會堵塞管路、閥門和設(shè)備；水與H2S、CO2會形成酸類物質(zhì)，腐蝕管路和設(shè)備；水分的存在會使管路輸氣能力下降，增大了設(shè)備的動力消耗，造成資金浪費(fèi)。

1 天然氣傳統(tǒng)脫水工藝

1.1 固體吸附脫水

固體吸附脫水的原理：利用固體干燥劑的親水性質(zhì)和對水分吸附張力，使水分吸附在干燥劑內(nèi)部孔隙中，從而達(dá)到脫水目的[1]。

（1）分子篩吸附脫水：分子篩吸附脫水工藝是一個物理流程，目前天然氣處理工業(yè)主要采用固定吸收塔對天然氣脫水。一般處理流程有雙塔流程、三塔流程和多塔流程，這幾種流程能夠保證設(shè)備、裝置穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)行，主要包括脫水環(huán)節(jié)和吸附材料再生環(huán)節(jié)[2-3]。

優(yōu)點(diǎn)：分子篩吸附脫水脫水效果好，水分脫除徹底，脫水后的天然氣中水含量達(dá)到1ppm以下。

缺點(diǎn)：分子篩使用3~5年就需要更換。前期設(shè)備投入資金較高，主要有用于脫水環(huán)節(jié)的分子篩塔及用于再生環(huán)節(jié)的加熱爐且加熱再生環(huán)節(jié)消耗熱能巨大。

（2）硅膠吸附脫水：硅膠是一種高活性吸附材料，是一種親水性極性干燥劑，可用于天然氣脫水，工藝流程與分子篩吸附流程類似。

優(yōu)點(diǎn)：硅膠吸水效果良好，無毒無味，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、吸附性能好、有較高的機(jī)械強(qiáng)度，易再生。

缺點(diǎn)：硅膠吸水極易達(dá)到飽和，而且硅膠與液態(tài)水接觸會發(fā)生破裂，產(chǎn)生粉塵。

1.2 液體溶劑吸收脫水

液體溶劑吸收脫水的基本原理：用于脫水的液體溶劑具有對于水高溶解度、強(qiáng)吸收力，對于天然氣和烴類物質(zhì)具有低溶解度的特點(diǎn)，天然氣在吸收塔內(nèi)與液體溶劑氣液傳質(zhì)[4]，從而脫除天然氣中水分。

（1）醇類有機(jī)溶劑脫水：醇類有機(jī)溶劑主要為高分子醇類。用于脫水的醇類有乙二醇、二甘醇、三甘醇，工業(yè)中最常用的醇類有機(jī)溶劑為三甘醇（TEG）。三甘醇脫水的主要工藝設(shè)備包括：吸收塔、再生塔、貧/富液換熱器、閃蒸罐、貧液/干氣換熱器等[5]。

優(yōu)點(diǎn)：三甘醇的熱穩(wěn)定性好，對水有較強(qiáng)的吸收性。通過三甘醇溶液脫水后的天然氣水露點(diǎn)可降到-30 ℃以下，可保證天然氣管輸過程中的水露點(diǎn)要求。且三甘醇的蒸汽壓較低，具有氣相攜帶損失小的特性。

缺點(diǎn)：三甘醇脫水系統(tǒng)復(fù)雜，所需的撬裝設(shè)備多數(shù)為進(jìn)口設(shè)備，前期投資成本較高。三甘醇溶液易損失、易污染，需及時補(bǔ)充和再生，再生耗能高，導(dǎo)致運(yùn)行成本高。在高溫下三甘醇溶液易氧化，氧化產(chǎn)物為腐蝕性酸，腐蝕設(shè)備。

（2）CaCl2水溶液脫水：氯化鈣水溶液是一種較好的天然氣脫水劑，采用較早。一般脫水流程是CaCl2固體顆粒與CaCl2水溶液搭配使用，裝置內(nèi)氣體流向為自下向上，在固定床層下使用3~5層塔盤，CaCl2水溶液置于塔盤中，讓含水天然氣預(yù)先與CaCl2水溶液接觸，之后通過頂端固定床層上均勻鋪設(shè)的厚度為10~20 mm CaCl2顆粒，達(dá)到天然氣脫水的目的。

優(yōu)點(diǎn)：脫水設(shè)備簡單，易于安裝、運(yùn)行、維護(hù)。CaCl2儲存方便，溶液粘度小、成本低。特別適用于交通不便、氣產(chǎn)量不多、環(huán)境較差的地點(diǎn)。

缺點(diǎn)：若來氣中含有H2S會發(fā)生反應(yīng)生成沉淀，影響脫水效果。溶液中陰陽離子多，易對設(shè)備產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。處理后的天然氣露點(diǎn)降較低。

1.3 低溫分離脫水

天然氣低溫分離脫水是一種物理脫水方法，主要依據(jù)是當(dāng)天然氣所處壓力一定時，溫度越低，天然氣中水分含量越少，當(dāng)溫度降低到一定程度時，天然氣中水分就會凝析出來，從而達(dá)到分離脫水的目的。一般分為直接降溫和加壓降溫兩種工藝方式，工藝流程中包括熱交換、制冷、氣液分離和排液四個部分，常見的主要設(shè)備為透平膨脹機(jī)和J-T閥[6-7]。

優(yōu)點(diǎn)：低溫分離脫水法對于高壓天然氣脫水過程非常經(jīng)濟(jì)，目前國內(nèi)應(yīng)用較為廣泛

缺點(diǎn)：脫水循環(huán)過程中往往生成水合物，需添加水合物抑制劑。透平機(jī)中存在高速轉(zhuǎn)動部件，制造、維修難度大。需制冷設(shè)備，增加了前期投資。

2 天然氣新型脫水技術(shù)

2.1 天然氣膜法脫水

天然氣膜分離脫水技術(shù)利用不同氣體透過分離膜選擇透過性完成脫水。由于不同氣體透過膜時存在滲透力差異，天然氣中各組分因滲透速率不同而富集于膜的兩側(cè)，從而使天然氣中的水分脫除。天然氣脫水所用的膜主要是由醋酸纖維、聚酸亞胺、聚礬等材料制成的微孔膜。國外在20世紀(jì)80年代開始研究膜法脫水技術(shù)，目前加拿大、美國、日本等國已應(yīng)用于天然氣脫水工業(yè)。中國在1998年開始研究膜分離技術(shù)，甲烷回收率高于98%，效果良好。

優(yōu)點(diǎn)：能有效的脫除天然氣中水，降低天然氣水露點(diǎn)。和傳統(tǒng)工藝相比，具有設(shè)備簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、占用空間小等優(yōu)點(diǎn)[8]。

缺點(diǎn)：膜分離方法存在膜的塑化和溶脹性、濃差極化、烴損失大、一次性投資較大等問題。這些因素嚴(yán)重制約了膜分離技術(shù)的廣泛開展。復(fù)雜的制膜工藝使得膜系統(tǒng)造價昂貴，還有在現(xiàn)有工業(yè)條件下，膜的性能存在著不穩(wěn)定性。以現(xiàn)有的研制水平，膜分離技術(shù)無法在任何情況下使天然氣的脫水深度達(dá)到要求，有時需要以傳統(tǒng)處理技術(shù)作為最終的脫水步驟。

2.2 天然氣超音速脫水

天然氣超音速脫水是一種新型節(jié)能環(huán)保的技術(shù)，是低溫冷凝脫水技術(shù)的一種。利用拉瓦爾噴管使氣體在一定壓力下加速到超音速，隨著壓力下降，其溫度亦隨之大幅下降至露點(diǎn)以下，氣體中的水蒸氣凝結(jié)成小液滴，隨后在超音速氣流中被旋轉(zhuǎn)分離出去，從而達(dá)到天然氣脫水效果[9-12]。超音速脫水分離裝置簡圖如圖1所示。

優(yōu)點(diǎn)：天然氣超音速脫水系統(tǒng)簡單，設(shè)備體積小，可靠性高，而且操作方便，運(yùn)行費(fèi)用低。超音速脫水技術(shù)不需添加化學(xué)藥劑，安全環(huán)保。利用來氣自身壓力工作，節(jié)約能源。

目前，天然氣超音速脫水法在國外已經(jīng)得到商業(yè)應(yīng)用，在國內(nèi)還處于研究階段，且研究較少，超音速脫水技術(shù)是一種節(jié)能環(huán)保技術(shù)，應(yīng)該大力支持有關(guān)超音速脫水的研究，盡快應(yīng)用到現(xiàn)場脫水工藝中。

圖1 天然氣超音速脫水分離裝置簡圖

3 結(jié) 語

作為清潔能源，天然氣的需求量日益上升，因此天然氣脫水的處理量也越來越大?，F(xiàn)行的傳統(tǒng)脫水技術(shù)雖然能達(dá)到脫水要求，但不經(jīng)濟(jì)環(huán)保。因此應(yīng)當(dāng)大力支持新型天然氣脫水技術(shù)的開發(fā)，大力推進(jìn)新型天然氣脫水技術(shù)的研究，也可是傳統(tǒng)技術(shù)與新型技術(shù)相結(jié)合，使各技術(shù)實現(xiàn)優(yōu)點(diǎn)突出，缺點(diǎn)互補(bǔ)，有效的降低工藝成本。

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Review of Natural Gas Dehydration Technology

（Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163318, China）

As one of clean fuels, natural gas has a very large market value. In this paper, several kinds of natural gas dehydration technologies were introduced, such as solid adsorption dehydration, solvent absorption dehydration, low temperature separation dehydration, membrane separation technology and natural gas supersonic dehydration. And then, their advantages and disadvantages were analyzed.

natural gas dehydration; solid adsorption; solution absorption; membrane separation; supersonic dehydration

TE 64

A

1004-0935（2017）03-0269-03

2017-02-19

李星雨（1994-），男，黑龍江省哈爾濱市，東北石油大學(xué)碩士研究生在讀，研究方向：油氣集輸與礦場加工。