天然气脱水技术综述

李星雨

天然气脱水技术综述

李星雨

（东北石油大学， 黑龙江 大庆 163318）

天然气作为最清洁燃料拥有非常大的市场价值。天然气脱水是各种天然气工艺中非常重要的环节。本文介绍了几种天然气天然气脱水工艺，固体吸附脱水、液体溶剂吸收脱水、低温分离脱水、膜分离技术脱水、天然气超音速脱水，并对几种脱水技术进行优缺点分析。

天然气脱水；固体吸附；溶液吸收；膜分离；超音速脱水

天然气从地下开采出来后会携带高矿化度地层水、凝析油、H2S、CO2、气井井下污染物等。其中水分的存在有极大的危害。在一定条件下，天然气与液态水形成天然气水合物会堵塞管路、阀门和设备；水与H2S、CO2会形成酸类物质，腐蚀管路和设备；水分的存在会使管路输气能力下降，增大了设备的动力消耗，造成资金浪费。

1 天然气传统脱水工艺

1.1 固体吸附脱水

固体吸附脱水的原理：利用固体干燥剂的亲水性质和对水分吸附张力，使水分吸附在干燥剂内部孔隙中，从而达到脱水目的[1]。

（1）分子筛吸附脱水：分子筛吸附脱水工艺是一个物理流程，目前天然气处理工业主要采用固定吸收塔对天然气脱水。一般处理流程有双塔流程、三塔流程和多塔流程，这几种流程能够保证设备、装置稳定连续运行，主要包括脱水环节和吸附材料再生环节[2-3]。

优点：分子筛吸附脱水脱水效果好，水分脱除彻底，脱水后的天然气中水含量达到1ppm以下。

缺点：分子筛使用3~5年就需要更换。前期设备投入资金较高，主要有用于脱水环节的分子筛塔及用于再生环节的加热炉且加热再生环节消耗热能巨大。

（2）硅胶吸附脱水：硅胶是一种高活性吸附材料，是一种亲水性极性干燥剂，可用于天然气脱水，工艺流程与分子筛吸附流程类似。

优点：硅胶吸水效果良好，无毒无味，化学性质稳定、吸附性能好、有较高的机械强度，易再生。

缺点：硅胶吸水极易达到饱和，而且硅胶与液态水接触会发生破裂，产生粉尘。

1.2 液体溶剂吸收脱水

液体溶剂吸收脱水的基本原理：用于脱水的液体溶剂具有对于水高溶解度、强吸收力，对于天然气和烃类物质具有低溶解度的特点，天然气在吸收塔内与液体溶剂气液传质[4]，从而脱除天然气中水分。

（1）醇类有机溶剂脱水：醇类有机溶剂主要为高分子醇类。用于脱水的醇类有乙二醇、二甘醇、三甘醇，工业中最常用的醇类有机溶剂为三甘醇（TEG）。三甘醇脱水的主要工艺设备包括：吸收塔、再生塔、贫/富液换热器、闪蒸罐、贫液/干气换热器等[5]。

优点：三甘醇的热稳定性好，对水有较强的吸收性。通过三甘醇溶液脱水后的天然气水露点可降到-30 ℃以下，可保证天然气管输过程中的水露点要求。且三甘醇的蒸汽压较低，具有气相携带损失小的特性。

缺点：三甘醇脱水系统复杂，所需的撬装设备多数为进口设备，前期投资成本较高。三甘醇溶液易损失、易污染，需及时补充和再生，再生耗能高，导致运行成本高。在高温下三甘醇溶液易氧化，氧化产物为腐蚀性酸，腐蚀设备。

（2）CaCl2水溶液脱水：氯化钙水溶液是一种较好的天然气脱水剂，采用较早。一般脱水流程是CaCl2固体颗粒与CaCl2水溶液搭配使用，装置内气体流向为自下向上，在固定床层下使用3~5层塔盘，CaCl2水溶液置于塔盘中，让含水天然气预先与CaCl2水溶液接触，之后通过顶端固定床层上均匀铺设的厚度为10~20 mm CaCl2颗粒，达到天然气脱水的目的。

优点：脱水设备简单，易于安装、运行、维护。CaCl2储存方便，溶液粘度小、成本低。特别适用于交通不便、气产量不多、环境较差的地点。

缺点：若来气中含有H2S会发生反应生成沉淀，影响脱水效果。溶液中阴阳离子多，易对设备产生电化学腐蚀。处理后的天然气露点降较低。

1.3 低温分离脱水

天然气低温分离脱水是一种物理脱水方法，主要依据是当天然气所处压力一定时，温度越低，天然气中水分含量越少，当温度降低到一定程度时，天然气中水分就会凝析出来，从而达到分离脱水的目的。一般分为直接降温和加压降温两种工艺方式，工艺流程中包括热交换、制冷、气液分离和排液四个部分，常见的主要设备为透平膨胀机和J-T阀[6-7]。

优点：低温分离脱水法对于高压天然气脱水过程非常经济，目前国内应用较为广泛

缺点：脱水循环过程中往往生成水合物，需添加水合物抑制剂。透平机中存在高速转动部件，制造、维修难度大。需制冷设备，增加了前期投资。

2 天然气新型脱水技术

2.1 天然气膜法脱水

天然气膜分离脱水技术利用不同气体透过分离膜选择透过性完成脱水。由于不同气体透过膜时存在渗透力差异，天然气中各组分因渗透速率不同而富集于膜的两侧，从而使天然气中的水分脱除。天然气脱水所用的膜主要是由醋酸纤维、聚酸亚胺、聚矾等材料制成的微孔膜。国外在20世纪80年代开始研究膜法脱水技术，目前加拿大、美国、日本等国已应用于天然气脱水工业。中国在1998年开始研究膜分离技术，甲烷回收率高于98%，效果良好。

优点：能有效的脱除天然气中水，降低天然气水露点。和传统工艺相比，具有设备简单、结构紧凑、重量轻、占用空间小等优点[8]。

缺点：膜分离方法存在膜的塑化和溶胀性、浓差极化、烃损失大、一次性投资较大等问题。这些因素严重制约了膜分离技术的广泛开展。复杂的制膜工艺使得膜系统造价昂贵，还有在现有工业条件下，膜的性能存在着不稳定性。以现有的研制水平，膜分离技术无法在任何情况下使天然气的脱水深度达到要求，有时需要以传统处理技术作为最终的脱水步骤。

2.2 天然气超音速脱水

天然气超音速脱水是一种新型节能环保的技术，是低温冷凝脱水技术的一种。利用拉瓦尔喷管使气体在一定压力下加速到超音速，随着压力下降，其温度亦随之大幅下降至露点以下，气体中的水蒸气凝结成小液滴，随后在超音速气流中被旋转分离出去，从而达到天然气脱水效果[9-12]。超音速脱水分离装置简图如图1所示。

优点：天然气超音速脱水系统简单，设备体积小，可靠性高，而且操作方便，运行费用低。超音速脱水技术不需添加化学药剂，安全环保。利用来气自身压力工作，节约能源。

目前，天然气超音速脱水法在国外已经得到商业应用，在国内还处于研究阶段，且研究较少，超音速脱水技术是一种节能环保技术，应该大力支持有关超音速脱水的研究，尽快应用到现场脱水工艺中。

图1 天然气超音速脱水分离装置简图

3 结 语

作为清洁能源，天然气的需求量日益上升，因此天然气脱水的处理量也越来越大。现行的传统脱水技术虽然能达到脱水要求，但不经济环保。因此应当大力支持新型天然气脱水技术的开发，大力推进新型天然气脱水技术的研究，也可是传统技术与新型技术相结合，使各技术实现优点突出，缺点互补，有效的降低工艺成本。

［1］胡晓敏,陆永康,曾亮泉.分子筛脱水工艺[J].天然气与石油,2008,26(1)：39-41.

［2］祁亚玲.天然气水合物和天然气脱水新工艺探讨[J].天然气与石油,2006,24(6):35-38.

［3］何策,张晓东.国内外天然气脱水设备技术现状及发展趋势[J]. 石油机械, 2008, 36(1): 69-73.

［4］尤怀祖，罗梅玉，胡文杰．海洋石油工程设计指南: 海洋石油工程陆上终端与LNG收终端［M］．北京:石油工业出版社，2006:36－37.

［5］张加奇．三甘醇脱水和分子筛脱水对比探究［J］．中国石油和化工标准与质量，2013(12):37．

［6］辛绍杰, 王建军, 李宪文. 天然气透平膨胀机脱水装置的研制及应用[J]. 石油机械, 2007, 35(2):25-27.

［7］文绍牧,胡攀峰,沈萍,等.含硫天然气脱水装置技术改造及效果分析[J]. 天然气工业,2004,24(12):127-131.

［8］冯海东,张好民,陈勇,等.玻璃态聚合物膜在天然气净化/脱水中的应用[J].天然气工业,2006,26(2):141-143.

［9］Okimoto F,Brouwer JM.Supersonic Gas Conditioning[J]. World oil, 2002, 223(8):1170-1178.

［10］Okimoto F, Betting M, Page DM. Twister Supersonic Gas Conditioning[J]. GPA Paper, 2001.

［11］Twister BV, Kongsberg FMC. Demonstration of Twister for Subsea Application[R]. REP0000021304, 2002.

［12］宋 辉,张新军,汪长永,等.天然气超音速脱水试验研究[J].山东建筑大学学报, 2009, 24(1): 50-53.

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，黑龙江省哈尔滨市，东北石油大学硕士研究生在读，研究方向：油气集输与矿场加工。