煤制天然氣干燥后水露點(diǎn)高的原因分析及應(yīng)對(duì)措施

牛寶玉，梁進(jìn)倉，王希奮

（伊犁新天煤化工有限責(zé)任公司，新疆伊寧 835000）

伊犁新天煤化工有限責(zé)任公司20×108m3／a煤制天然氣項(xiàng)目，采用雙系列送氣，設(shè)計(jì)單系列天然氣 （SNG）產(chǎn)能3000km3／d，SNG干燥裝置采用成都賽普瑞興科技有限公司的三甘醇脫水技術(shù)。

1 三甘醇脫水原理

三甘醇別名三乙二醇，分子式為C6H14O4，屬無色無臭有吸濕性的粘稠液體，沸點(diǎn)288℃，熔點(diǎn)－4.30℃，折射率1.46，閃點(diǎn)165.85℃，粘度49mPa·s，自燃點(diǎn)371.10℃，蒸氣壓＜1.33Pa；可燃、低毒，相對(duì)密度1.127，與水、乙醇混溶，微溶于乙醚，幾乎不溶于石油醚。三甘醇具有脫水效率高、脫水后水露點(diǎn)低、工藝操作簡單、運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于國內(nèi)煤制天然氣生產(chǎn)中。

三甘醇脫水的基本原理：利用三甘醇對(duì)天然氣、烴類的溶解度低而對(duì)水的溶解度高和水汽吸收能力強(qiáng)的特點(diǎn)，使天然氣中的水汽及液態(tài)水被溶解和吸收，然后再將含水三甘醇溶液與天然氣分離，三甘醇富液則經(jīng)再生除水后返回系統(tǒng)中循環(huán)使用。

天然氣的水露點(diǎn)是指在一定的壓力條件下，天然氣中開始出現(xiàn)第一滴水珠時(shí)的溫度，也就是在該壓力條件下與飽和水汽含量對(duì)應(yīng)的溫度。在《天然氣》 （GB17820—1999）中，水露點(diǎn)是衡量商品天然氣氣質(zhì)的一個(gè)指標(biāo)。

水是商品天然氣中有害無益的組分，因?yàn)樘烊粴庵兴拇嬖跁?huì)降低天然氣的熱值和輸氣管道的輸送能力，當(dāng)溫度降低或壓力增加時(shí)，天然氣中析出的液態(tài)水會(huì)在管道和設(shè)備中形成積液，不僅增加流動(dòng)阻力，甚至形成段塞流，還會(huì)加速天然氣中酸性組分對(duì)管道和設(shè)備的腐蝕；此外，液態(tài)水不僅在冰點(diǎn)時(shí)會(huì)結(jié)冰，而且即使是天然氣的溫度高于水的冰點(diǎn)，液態(tài)水還是會(huì)與天然氣中的一些氣體組分生成水合物，嚴(yán)重時(shí)會(huì)堵塞閥門、管道和設(shè)備，影響輸氣管道的平穩(wěn)供氣和生產(chǎn)裝置的正常運(yùn)行。

2 SNG干燥工藝流程簡述

SNG干燥裝置主要分為SNG脫水系統(tǒng)和三甘醇循環(huán)再生系統(tǒng)。

2.1 SNG脫水系統(tǒng)

來自甲烷化合成單元的濕天然氣 （40℃、2.28MPa），進(jìn)入原料氣過濾分離器，在濾芯的作用下除去原料氣中的游離水、固體顆粒、烷烴液和烴類重組分；過濾后的氣體由脫水吸收塔下部進(jìn)入塔內(nèi)，向上流動(dòng)，在填料層內(nèi)與三甘醇逆向接觸，脫除天然氣中的水分；出脫水吸收塔的干燥天然氣進(jìn)入產(chǎn)品氣分離器，分離掉攜帶的少量三甘醇后進(jìn)入天然氣壓縮系統(tǒng)，分離出來的三甘醇則送入三甘醇補(bǔ)充罐。

2.2 三甘醇循環(huán)再生系統(tǒng)

當(dāng)三甘醇緩沖罐建立起一定的液位，三甘醇貧液經(jīng)貧液冷卻器降溫后，通過三甘醇循環(huán)泵控制流量將三甘醇貧液 （45℃、2.53MPa）送入脫水吸收塔 （填料塔）頂部噴淋而下，在填料表面與濕天然氣逆向接觸，吸收其中的水分后從塔底排出；吸收塔底部出來的富三甘醇溶液（43.20℃、2.28MPa）經(jīng)塔底液位調(diào)節(jié)閥送入精餾柱頂部換熱器的殼程內(nèi)，冷卻精餾柱中上升的蒸氣后，三甘醇富液 （49.60℃、0.40MPa）進(jìn)入三甘醇閃蒸罐減壓閃蒸，閃蒸出的閃蒸氣由閃蒸罐壓力調(diào)節(jié)閥控制壓力在0.40MPa后送往火炬總管，閃蒸罐內(nèi)的液體則由閃蒸罐液位調(diào)節(jié)閥控制分別流經(jīng)1＃機(jī)械過濾器、活性炭過濾器、2＃機(jī)械過濾器，過濾后的富液再經(jīng)貧富液換熱器換熱后 （160℃、0.29MPa）進(jìn)入精餾柱的中上部，其中的重組分向下移動(dòng)流入蒸汽重沸器，蒸汽重沸器中的釜液通過中壓蒸汽加熱至185～203℃而汽化，利用混合液中各組分沸點(diǎn)的不同將水分脫出，釜液則溢流進(jìn)入氮?dú)馄嶂?，汽提出的輕組分從柱頂排入蒸汽重沸器，液相則從氮?dú)馄嶂撞颗懦?，?jīng)貧富液換熱器冷卻后送入三甘醇緩沖罐循環(huán)利用。

界外來的低壓氮?dú)?，?jīng)氮?dú)饧訜崞魃郎睾筮M(jìn)入汽提柱，以降低柱內(nèi)水分的分壓，利于水分的脫除，氮?dú)饧訜崞鳠嵩礊檎羝胤衅鞒鰜淼闹袎赫羝淠骸?/p>

三甘醇在循環(huán)利用的過程中會(huì)有少量損失，可通過三甘醇補(bǔ)充泵從三甘醇補(bǔ)充罐向三甘醇緩沖罐補(bǔ)液。富液精餾柱頂部排出的氣體主要為氮?dú)?、水蒸氣及少量烴類氣體，未冷凝部分水蒸氣從頂部逸出后進(jìn)入廢液收集罐，氣體就地放空，液體去污水總管。

2.3 SNG干燥工藝流程 （圖1）

圖1 SNG干燥工藝流程框圖

3 SNG干燥后水露點(diǎn)高事故經(jīng)過

2017年6月9日16：00，操作人員發(fā)現(xiàn)外送前手動(dòng)分析SNG水露點(diǎn)偏高，達(dá)－52℃ （常壓），車間管理人員立即通知化驗(yàn)人員連續(xù)取樣復(fù)檢，結(jié)果分別為－53℃、－54℃ （常壓），而正常情況下出干燥系統(tǒng)溫度42℃以下的SNG水露點(diǎn)≤－10℃ （12MPa）、烴露點(diǎn)≤－10℃（12MPa）；操作人員立即調(diào)整系統(tǒng)工況，6月10日16：00SNG水露點(diǎn)降至－57℃ （常壓）左右；之后經(jīng)過系統(tǒng)加大汽提氮?dú)饬?、提高循環(huán)量、提高再生系統(tǒng)溫度等操作調(diào)控措施，SNG水露點(diǎn)基本維持在－53℃ （常壓）左右；后經(jīng)車間技術(shù)人員攻關(guān)，6月24日以后SNG水露點(diǎn)基本維持在－60℃ （常壓）左右。

冬、夏季溫度不同，不同壓力SNG的水露點(diǎn)也不同，常用壓力下SNG水露點(diǎn)合格指標(biāo)見表1。

表1 常用壓力下SNG水露點(diǎn)合格指標(biāo)

3.1 事故的危害

（1）進(jìn)入壓縮機(jī)系統(tǒng)的SNG含水量大，壓縮機(jī)能耗增加，壓縮機(jī)級(jí)間和級(jí)后脫水量增大，壓縮機(jī)使用壽命縮短。

（2）外送天然氣水露點(diǎn)偏高，中石油切氣。

3.2 事故處理過程

經(jīng)過優(yōu)化操作、技術(shù)排查和對(duì)三甘醇貧液進(jìn)行化驗(yàn)分析，最終將問題鎖定在三甘醇貧液冷卻器和氮?dú)饧訜崞魃??；?yàn)分析三甘醇貧液的純度，其純度由99.6%降至98.1%左右 （正常值≥99%），含水由0.4%升至1.8%；對(duì)三甘醇貧液冷卻器前、后進(jìn)行取樣分析，其純度、含水穩(wěn)定。氮?dú)饧訜崞鞑捎玫臒嵩词侵袎赫羝訜嵴羝胤衅鞲汉蟮恼羝淠?，迅速切除氮?dú)饧訜崞鞯臒嵩?，三甘醇貧液純度升高，趨于穩(wěn)定，6月24日后外送SNG水露點(diǎn)基本維持在－60℃（常壓）左右，趨于正常。

3.3 事故原因分析

基于切除氮?dú)饧訜崞鳠嵩春笙到y(tǒng)的變化情況，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行停車檢修，拆檢發(fā)現(xiàn)氮?dú)饧訜崞饔猩倭柯c(diǎn)。由此可以得出如下結(jié)論：由于中壓蒸汽 （4.9MPa、445℃）加熱蒸汽重沸器釜液后的冷凝液壓力高于低壓氮?dú)獾膲毫?（0.4 MPa、20℃），氮?dú)饧訜崞餍孤┰斐扇蚀钾氁核扛?、純度低，進(jìn)而導(dǎo)致干燥后的SNG水露點(diǎn)偏高。

4 脫水產(chǎn)品氣水露點(diǎn)高的常見原因及應(yīng)對(duì)措施

4.1 三甘醇循環(huán)量偏低

三甘醇循環(huán)量偏低，可通過三甘醇貧液流量示數(shù)直接讀取，也可通過三甘醇的濃度來判定。當(dāng)富三甘醇的濃度低于97%時(shí)，即可判定三甘醇循環(huán)量偏低，此時(shí)三甘醇吸收水分的速度及能力將明顯下降。

應(yīng)對(duì)措施：調(diào)節(jié)三甘醇循環(huán)泵轉(zhuǎn)速 （變頻調(diào)速），增加三甘醇循環(huán)量。

4.2 貧三甘醇濃度偏低

貧三甘醇濃度偏低，將使同樣三甘醇循量下三甘醇脫水量下降，并直接影響三甘醇對(duì)SNG的脫水深度。

應(yīng)對(duì)措施：增加中壓加熱蒸汽用量，增加汽提氮?dú)饬?，?duì)貧三甘醇進(jìn)行汽提，并根據(jù)不同的濃度確定不同的汽提量，確保三甘醇重沸溫度達(dá)到185～203℃，

4.3 SNG入塔溫度過高或過低

本SNG脫水系統(tǒng)中，要使外輸產(chǎn)品天然氣水露點(diǎn)在－10℃ （12MPa）以下，則入塔SNG溫度應(yīng)低于40℃。因此，應(yīng)通過甲烷化合成工段調(diào)節(jié)產(chǎn)品氣冷卻器負(fù)荷，以盡量保證SNG入塔溫度低于40℃；但若SNG入塔溫度過低 （＜15℃），又會(huì)使三甘醇因溫度過低、粘度增大而降低其吸水能力，造成外輸產(chǎn)品氣水露點(diǎn)偏高。

應(yīng)對(duì)措施：如果出現(xiàn)這種情況 （在冬季），應(yīng)聯(lián)系甲烷化合成崗位控制好出甲烷化合成系統(tǒng)SNG的溫度在正常范圍內(nèi)，使SNG入塔溫度在15℃以上。

4.4 吸收塔內(nèi)三甘醇發(fā)泡

三甘醇發(fā)泡，將嚴(yán)重影響三甘醇對(duì)水分的吸收，使外輸產(chǎn)品氣水露點(diǎn)超標(biāo)。

應(yīng)對(duì)措施：當(dāng)出現(xiàn)吸收塔內(nèi)三甘醇發(fā)泡時(shí)，應(yīng)降低生產(chǎn)負(fù)荷，加入消泡劑，控制設(shè)備內(nèi)液位平穩(wěn)，盡快消除發(fā)泡。

4.5 脫水吸收塔運(yùn)行壓力降低

裝置運(yùn)行時(shí)，如果其他參數(shù)不變而脫水吸收塔壓力下降，一方面會(huì)明顯增加入吸收塔SNG的含水量，此刻若不相應(yīng)調(diào)節(jié)其他參數(shù)，如三甘醇循環(huán)量、貧三甘醇濃度等，則將引起外輸產(chǎn)品氣水露點(diǎn)升高；另一方面，在SNG流量很大時(shí)，脫水吸收塔內(nèi)壓力下降，會(huì)使吸收塔內(nèi)氣體流速超過容許最大空塔氣速而造成液泛，直接影響外輸產(chǎn)品氣的水露點(diǎn)。

應(yīng)對(duì)措施：對(duì)脫水吸收塔壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)。

5 SNG干燥系統(tǒng)開車操作注意事項(xiàng)

（1）進(jìn)氣之前一定要保持三甘醇循環(huán)量的穩(wěn)定，確保三甘醇的純度合格，三甘醇的pH在7～8之間，三甘醇再生系統(tǒng)的各項(xiàng)工藝指標(biāo)穩(wěn)定在許可范圍內(nèi)。

（2）打開原料氣入口閥時(shí)一定要緩慢，以免原料氣將三甘醇溶液吹出塔盤，引起攔液或大量三甘醇溶液被帶出裝置。

（3）三甘醇循環(huán)量的確定，通常應(yīng)保持在原料氣中1kg水對(duì)應(yīng)25～30L的三甘醇；裝置建立三甘醇循環(huán)過程中，溶液換熱器及過濾器需進(jìn)行高點(diǎn)排氣。

（4）三甘醇易被空氣氧化，開車過程中應(yīng)盡量避免三甘醇與空氣接觸；三甘醇緩沖罐補(bǔ)液時(shí)，要微開充氮閥，置換并隔離空氣。

（5）蒸汽重沸器必須在三甘醇正常建立循環(huán)后才能通入中壓蒸汽，且應(yīng)控制重沸器升溫速率在30～50℃／h。

（6）三甘醇的熱裂解溫度為206.7℃，重沸器操作時(shí)應(yīng)避免接近此溫度，控制重沸器內(nèi)三甘醇溫度在185～203℃。

（7）調(diào)整中壓蒸氣溫控閥 （TV-1010）時(shí)切忌幅度過大，必要時(shí)切換為手動(dòng)方式緩慢調(diào)節(jié)，以防局部超溫。

（8）三甘醇循環(huán)泵的設(shè)計(jì)使用溫度最高為60℃，任何情況下均不允許三甘醇循環(huán)泵入口三甘醇溫度超過60℃。

6 結(jié)束語

水是商品天然中的有害組分，為減少SNG在管道輸送過程中液態(tài)水的析出，在SNG出廠前必須進(jìn)行深度脫水，而SNG水露點(diǎn)高，其水汽含量必然高。因此，降低SNG水露點(diǎn)，無論是對(duì)于管道輸送還是符合商品天然氣氣質(zhì)要求等方面均具有重要的意義。只要我們對(duì)生產(chǎn)過程中脫水產(chǎn)品氣水露點(diǎn)高的常見原因及應(yīng)對(duì)措施了然于心，系統(tǒng)開車時(shí)注意操作事項(xiàng)，就能確保SNG水露點(diǎn)達(dá)標(biāo)。

［1］李超帥，李秀鵬，張世峰.煤制天然氣干燥技術(shù)分析 ［J］.山東化工，2014，43（2）：110－111.

［2］晁宏洲，王赤宇，趙建彬，等.降低水露點(diǎn)抑制天然氣水合物的生成 ［J］.石油工業(yè)技術(shù)監(jiān)督，2007（4）：48－52.

［3］王遇冬.天然氣處理與加工工藝 ［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1999.

［4］王淑娟，汪忖理.天然氣處理工藝技術(shù) ［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2008.