天然氣加氣母站脫水工藝研究

李 光,孫 沖,趙怡斐,張 迪

(中石化中原石油工程設(shè)計(jì)有限公司，河南 鄭州 450000)

隨著社會(huì)的發(fā)展，居民收入不斷增加，中國(guó)汽車的產(chǎn)銷量日益增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020年，中國(guó)汽車的保有量達(dá)到2.81億輛[1]。隨著汽車的增加，燃油的供需矛盾日益突出，環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)重。壓縮天然氣汽車，作為新能源汽車，不僅能夠克服汽車燃料供應(yīng)的單一性，降低對(duì)汽油的依賴，同時(shí)壓縮天然氣汽車排放的尾氣中不含氮氧化物、硫氧化物，可以有效減少溫室氣體的排放，降低“酸雨”的影響，提供更加潔凈的天空。

壓縮天然氣加氣母站是指，以壓縮天然氣(CNG)形式，向天然氣汽車(NGV)和大型CNG子站車提供燃料的場(chǎng)所。根據(jù)《車用壓縮天然氣》(GB18047-2017)規(guī)范的要求，在最高操作壓力下，CNG的水露點(diǎn)不應(yīng)高于-13 ℃，即CNG的常壓水露點(diǎn)不應(yīng)高于-60 ℃。通常，天然氣的常壓水露點(diǎn)一般為-30～-40 ℃，因此需要對(duì)天然氣進(jìn)行脫水處理，以滿足CNG的要求。為達(dá)到-60 ℃ 水露點(diǎn)的要求，CNG加氣母站的脫水通常采用分子篩吸附脫水的方式。

分子篩吸附脫水過(guò)程主要分為：吸附、再生、冷吹三個(gè)過(guò)程。CNG加氣母站的分子篩脫水再生方法分為濕氣再生與干氣再生兩種工藝。濕氣再生工藝與干氣再生工藝主要區(qū)別在于分子篩再生時(shí)選用介質(zhì)不同：濕氣再生工藝在再生時(shí)選用含水的濕天然氣作為再生氣，而干氣再生工藝再生時(shí)利用脫過(guò)水的干天然氣作為再生氣[2]。

1 CNG加氣母站脫水工藝

1.1 濕氣再生工藝

濕氣再生工藝流程簡(jiǎn)介[3]：①吸附。濕的天然氣從塔頂進(jìn)入分子篩吸附塔A，經(jīng)過(guò)分子篩脫水處理，脫過(guò)水的天然氣從塔底出來(lái)，完成吸附過(guò)程。分子篩干燥塔A在吸附的同時(shí)分子篩干燥塔B進(jìn)行再生。②再生。將分子篩干燥塔B內(nèi)的天然氣降壓放空，將天然氣壓力降至 0.15 MPa。從外輸干氣中引一股再生氣，進(jìn)入空冷器；然后進(jìn)入氣水分離器，從頂部出來(lái)的再生氣，經(jīng)壓縮機(jī)增壓至 0.20 MPa，經(jīng)電加熱器加熱至 250 ℃，再然后從分子篩干燥塔B頂部進(jìn)入，對(duì)分子篩進(jìn)行加熱再生：含水的再生氣從塔底出來(lái)，經(jīng)空冷器冷卻至 45 ℃，再進(jìn)入氣水分離器，分離出的水，通過(guò)排污閥從分離器底部排出，天然氣從分離器頂部出來(lái)。然后又經(jīng)壓縮機(jī)增壓至 0.20 MPa，進(jìn)入電加熱器，天然氣加熱到 250 ℃ 以后，進(jìn)入分子篩干燥塔B，完成分子篩吹掃再生循環(huán)。③冷吹。從氣水分離器出來(lái) 45 ℃ 的冷的再生氣，經(jīng)壓縮機(jī)增壓至 0.20 MPa，直接進(jìn)入分子篩干燥塔B頂部，對(duì)分子篩床層進(jìn)行冷卻降溫；冷卻后天然氣從分子篩干燥塔塔底出來(lái)，進(jìn)入空冷器冷卻至 45 ℃，然后進(jìn)入氣水分離器；天然氣從分離器頂部出來(lái)，經(jīng)壓縮機(jī)增壓至 0.20 MPa，直接進(jìn)入分子篩干燥塔B頂部，完成冷吹循環(huán)，具體工藝流程詳見(jiàn)圖1。

圖1 濕氣再生工藝流程圖

1.2 干氣再生工藝

干氣再生工藝流程簡(jiǎn)介[4]：①濕的天然氣從塔頂進(jìn)入分子篩吸附塔A，經(jīng)過(guò)分子篩脫水處理，干的天然氣從塔底出來(lái)，完成吸附過(guò)程；分子篩干燥塔A吸附的同時(shí)，分子篩干燥塔B進(jìn)行再生。②再生。從脫過(guò)水的干氣中引出一股，進(jìn)入電加熱器，加熱至 250 ℃，從分子篩干燥塔B底部進(jìn)入，對(duì)分子篩進(jìn)行加熱再生：含水的再生氣從塔頂出來(lái)，經(jīng)空冷器冷卻至 45 ℃，進(jìn)入氣水分離器。分離出的水，通過(guò)排污閥從分離器底部排出；天然氣從分離器頂部出來(lái)，經(jīng)壓縮機(jī)增壓至比原料氣高 0.15 MPa，進(jìn)入濕原料氣，完成分子篩再生循環(huán)。③當(dāng)分子篩干燥塔B完成再生過(guò)程，進(jìn)行冷吹。從脫過(guò)水的干氣中引出一股，直接進(jìn)入分子篩干燥塔B底部，對(duì)分子篩床層進(jìn)行冷卻降溫。冷卻后天然氣從分子篩干燥塔塔頂出來(lái)，進(jìn)入空冷器冷卻至 45 ℃，然后進(jìn)入氣水分離器，天然氣從分離器頂部出來(lái)，經(jīng)壓縮機(jī)增壓至比原料氣高 0.15 MPa，接著進(jìn)入濕原料氣，完成冷吹循環(huán)。具體工藝流程詳見(jiàn)圖2。

圖2 干氣再生工藝流程圖

2 脫水工藝方法的比較

2.1 濕氣再生工藝脫水的特點(diǎn)

濕氣脫水工藝具有：工藝簡(jiǎn)單、便于操作，濕氣再生工藝密閉循環(huán)，整套設(shè)備適合成撬；采用低壓再生(0.20 MPa)，即使再生溫度達(dá)到 270 ℃，再生氣管道的材質(zhì)普通碳鋼即可滿足要求，不必選用特殊高溫管材；再生氣增壓壓差僅為 0.10 MPa，壓差較小，同時(shí)再生氣壓力僅為 0.20 MPa。因此再生氣壓縮機(jī)可以選用羅茨鼓風(fēng)機(jī)(羅茨鼓風(fēng)機(jī)價(jià)格較低)。濕氣再生工藝具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，投資較少的優(yōu)點(diǎn)。

2.2 干氣再生工藝

干氣再生工藝結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，主要體現(xiàn)在再生氣壓縮機(jī)以及再生氣密閉方面。再生氣壓縮機(jī)主要對(duì)再生氣部分增壓，以便于再生氣能夠反輸至原料氣中，因此再生氣壓縮機(jī)既要適應(yīng)原料氣的高壓，又要滿足再生氣低壓差要求，造成再生壓縮機(jī)選型困難。干氣再生工藝中再生氣完全回收，從脫過(guò)水干氣中引一部分作為再生氣，經(jīng)過(guò)加熱、再生、冷卻、分離、增壓反輸至原料氣中，整個(gè)過(guò)程再生氣沒(méi)有絲毫浪費(fèi)，真正實(shí)現(xiàn)天然氣零排放工藝。由于采用干氣再生，再生氣不含水，天然氣的水露點(diǎn)較低，天然氣的水露點(diǎn)可以達(dá)到-60 ℃ 以下。

2.3 脫水工藝指標(biāo)的比較

1)水露點(diǎn)不同

相比較干氣再生工藝，濕氣再生工藝因?yàn)椴捎脻駳庾鳛樵偕鷼猓瑵駳庵泻兴?，分子篩在冷吹過(guò)程中，分子篩與濕氣中的水蒸氣達(dá)到氣固平衡狀態(tài)。經(jīng)過(guò)計(jì)算，濕氣再生工藝處理的天然氣常壓水露點(diǎn)一般為-50～-55 ℃。

2)天然氣密閉循環(huán)

濕氣再生工藝為降壓密閉循環(huán)，再生氣從加熱、再生、降溫、分離的整個(gè)過(guò)程為密閉循環(huán)，再生氣一直循環(huán)使用；干氣再生工藝為開式工藝，再生氣經(jīng)加熱、再生、降溫、分離、增壓后進(jìn)入原料氣。

濕氣再生工藝再生過(guò)程開始時(shí)，將需要再生干燥塔內(nèi)天然氣放空，降低天然氣壓力，造成天然氣排放；而干氣再生工藝，直接用脫過(guò)水的干氣作為再生氣，處理過(guò)的再生氣被壓縮機(jī)增壓，進(jìn)入到原料氣，沒(méi)有絲毫天然氣排放。

例如，某CNG加氣母站，采用濕氣再生分子篩脫水工藝，原料氣壓力 5.2 MPa，分子篩干燥塔的體積為 1.6 m3，每天分子篩吸附周期為 8 h。每次分子篩再生時(shí)，分子篩干燥塔內(nèi)的天然氣降壓放空，每次需排放 80 m3天然氣，每天按照 16 h 工作時(shí)間計(jì)算，則該加氣母站每天放空達(dá)到 160 m3天然氣,每年排放天然氣量達(dá)到 56000 m3。天然氣價(jià)格按照2.1元/m3計(jì)算，該加氣母站每年多增加損耗11.76萬(wàn)元。天然氣的定期排放，對(duì)加氣母站的安全，以及當(dāng)?shù)丨h(huán)境形成安全隱患，采用干氣再生工藝，則避免了上述弊端。

3)再生氣壓縮機(jī)

干氣再生工藝中的再生氣與原料氣壓力相等，如果原料氣壓力較高，超過(guò) 4.0 MPa，再生工藝管道就需要選用高溫管材。因?yàn)樵偕鷼鉁囟瘸^(guò) 250 ℃，操作壓力較高，普通碳鋼管道許用應(yīng)力降低，容易形成泄漏事故。

干氣再生工藝中的壓縮機(jī)，再生氣進(jìn)口壓力與原料氣相同，但是壓縮機(jī)出口僅僅增壓 0.2 MPa，造成壓縮機(jī)的壓比特別小，致使再生氣壓縮機(jī)選型特別困難；而濕氣再生工藝，選用普通的羅茨鼓風(fēng)機(jī)即可滿足要求。

濕氣再生脫水工藝過(guò)程中，整個(gè)系統(tǒng)壓力降低，氣水分離器中操作壓力 0.15 MPa 左右，容易造成分離出的水從氣水分離器不易排出，致使氣水分離器堵塞，使整個(gè)脫水系統(tǒng)不能正常工作，嚴(yán)重影響加氣母站的正常生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)。

4)投資費(fèi)用

濕氣再生脫水工藝與干氣再生脫水工藝相比，原料氣壓力低于 1.2 MPa，二種工藝在滿足水露點(diǎn)要求前提下，投資相差不大，干氣再生脫水工藝略高于濕氣再生脫水工藝；原料氣壓力高于 4.0 MPa，干氣再生脫水工藝比濕氣再生脫水工藝投資高10%以上。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)濕氣再生工藝與干氣再生工藝比較，濕氣再生工藝設(shè)備較少、操作簡(jiǎn)單、投資較少，天然氣常壓水露點(diǎn)-50～-55 ℃，因此應(yīng)用在處理規(guī)模較小的加氣母站，以及溫度相對(duì)較高的地區(qū)。干氣再生工藝結(jié)構(gòu)復(fù)雜，投資較多，但是天然氣水露點(diǎn)可以達(dá)到-60 ℃ 以上，在規(guī)模較大以及氣候嚴(yán)寒地區(qū)的CNG加氣母站應(yīng)用較為廣泛。