煤层气深冷液化多级脱水工艺

甘海龙

（中煤科工集团重庆研究院有限公司瓦斯研究分院，瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037）

煤层气在抽采过程中会从地层和水环真空泵中携带出大量的水，水以液态和气态的形式混夹在煤层气中。在使用煤层气制取LNG流程[1]中，含氧煤层气在进入冷箱液化之前，必须进行深度脱水[2]，使煤层气在进入冷箱液化之前的露点达到-70℃，以防止煤层气进入冷箱后其中的水结冰堵塞换热器。如果采用单级变温吸附（TSA）脱水工艺原理，大量的液态水和气态水会同时进入TSA干燥塔，加大TSA干燥塔的负荷，减少干燥塔吸附时间，增加干燥塔的切换频率。因为干燥塔在泄压再生时，会同时泄放出干燥塔内的煤层气，提高干燥塔切换频率会增加煤层气的损耗，并且液态水也会减少吸附剂的寿命。采用多级逐步脱出煤层气中的水可以大大降低末级TSA脱水负荷，减少煤层气损耗，延长吸附剂的寿命。多级脱水工艺的第一级采用机械脱水[3]方式，利用丝网气液分离器[4]将煤层气中的液态游离水脱除；第二级采用氟利昂预冷机组给煤层气降温[5]，脱除煤层气中的饱和气态水；第三级采用双塔流程的TSA脱水工艺[6]，利用复合床层[7]的吸附剂在不同压力和温度下吸附容量差异性和选择吸附的特性，脱除工艺气体中的水分和残留少量CO2。两塔轮流交替工作，当一台干燥塔在吸附时，另外一台干燥塔在进行泄压置换、加热和冷却，实现再生。整个吸附和再生的过程由程控阀自动切换实现连续操作。该工艺流程特别适用于含水量极大的煤层气深度脱水工艺。

1 多级脱水技术工艺流程

多级脱水技术由三级脱水工艺段组成，分别为：机械脱水、氟利昂预冷脱水、TSA脱水。工艺流程如图1所示。

图1 多级脱水技术工艺流程图Fig.1 Flow diagram of multi-stage dehydration process

1.1 机械脱水

机械脱水采用立式气液分离器的方法脱水。该分离器主要采用重力原理分离出较重的液态水[8]，在分离器顶部出口处设置丝网除沫器，丝网除沫器通过捕捉煤层气中的微小液滴[9]，进一步脱除随气流上升的微小液态水。水在丝网除沫器上不断聚集，最后形成大液滴，掉入分离器底部。分离器设置液位传感器，当液位超过设定值时，控制系统自动打开底部放水阀排水。

1.2 氟利昂预冷脱水

氟利昂预冷脱水采用降温脱水的原理，脱除煤层气中的饱和气态水。氟利昂预冷机组一般采用撬装成套供货，其工艺流程见图2。

图2 氟利昂预冷脱水流程Fig.2 Freon precooling dehydration process

氟利昂预冷脱水流程包含三路流程，分别是：煤层气流程、氟利昂循环流程和循环冷却水流程。

（1）煤层气流程：煤层气进入冷却器与氟利昂进行换热，煤层气被冷却降温，当温度下降到低于煤层气的露点时，煤层气中的饱和气态水变成液态水[10]，跟随煤层气一起进入分离器中，液态水滴在分离器中上升时被顶部的丝网除沫器捕捉，不断聚集的液态水在重力作用下滴入分离器底部，当达到一定液位高度时，分离器底部的放水阀自动打开排水。降温后的煤层气则进入回热器，通过与较高温度的煤层气换热，使煤层气预冷。回热器能回收低温煤层气的冷量，降低氟利昂预冷机组的能耗。

（2）氟利昂循环流程：氟利昂作为冷剂由压缩机压缩后温度升高，进入水冷却器降温，经过节流后温度降低，然后与煤层气换热带走煤层气的热量，实现循环。

（3）循环冷却水流程：冷却水由循环水泵升压后进入水冷却器与氟利昂换热，水温升高，然后流出预冷机组，带走氟利昂的热量。

1.3 变温吸附脱水

TSA脱水流程详见图1。干燥塔采用复合床层，下部装填Al2O3，用于粗脱水[11]。上部装填分子筛，用于精脱水[12]。同时该复合床层具有脱出CO2等酸性气体的功能[13]。TSA脱水采用双塔流程[14]，每个塔的流程包括：升压吸附、降压热吹再生、冷吹再生[15]。以干燥塔A的工作流程为例分析其工作过程如下：

（1）升压吸附过程：Vd1 打开（Vd2、Vc1 关闭），煤层气由氟利昂预冷机组进入干燥塔A，塔内压力逐渐升高、煤层气经过复合床层后，其中的气态水被吸附剂吸附，剩下煤层气由Va1（Va2、Vb1关闭）阀进入后端冷箱。

（2）降压热吹再生：打开Vc1、V5将塔内气体放空，塔内压力降低，吸附剂中的部分水分会解析出来排入大气。然后将热氮气通过Vb1阀（Vb2、Va1关闭）通入干燥塔A，对干燥塔A进行热吹，吸附剂被加热后其中的水分会变成气态随着热氮气一起经Vc1、V5排入大气或者氮气循环系统。

（3）冷吹再生：热吹再生后的吸附剂温度较高，为了给吸附剂降温，需要通入常温氮气。常温氮气的流程与热氮气的流程一样。常温氮气把吸附剂的热量带出干燥塔A，同时也能带走残余的水份。经过冷吹后的干燥塔A完成了吸附剂的再生，为下一个循环的吸附脱水做好准备。

干燥塔B的工作流程与干燥塔A相同，只是他们在同一时间的工作状态不同。当干燥塔A升压吸附时，干燥塔B正处于降压热吹再生或冷吹再生。当干燥塔A吸附饱和时，就将干燥塔A和干燥塔B的工作流程切换，即干燥塔A再生，干燥塔B吸附干燥。切换阀通过程序自动控制，两塔交替循环工作，从而实现对煤层气连续干燥。

2 多级脱水工艺的应用实例

在贵州盘江煤层气提纯制LNG项目中，应用多级脱水工艺对煤层气进行脱水，开车成功，并取得了良好的经济效益。

贵州盘江煤层气提纯制LNG项目的基本情况见表1。

表1 贵州盘江煤层气提纯制LNG项目多级脱水参数Table 1 Multi-stage dehydration parameters of a coalbed methane to LNG project in Panjiang,Guizhou province

贵州盘江煤层气提纯制LNG项目中，多级脱水设备的现场照片如图3所示。

图3 多级脱水系统现场照片Fig.3 Multi-stage dehydration system spot photo

该项目利用湿法脱碳，多级干燥脱水，混合冷剂制冷工艺实现对含氧煤层气的液化分离，成功生产出LNG。多级脱水实现对含水量大的煤层气深度脱水，满足了后端制冷工艺要求。

3 结论

多级脱水是一种先进，安全可靠、高效率的深度脱水技术。该技术将现有比较成熟的多种脱水技术进行合理的组合，利用不同的脱水原理，脱除不同状态的水：利用重力原理脱除较重的液态水，利用丝网脱除较轻的液态水，利用降温原理脱除饱和气态水，利用TSA原理脱除微量的气态水。各级脱水都处于最佳工况，减少总体能耗，由于吸附脱水阶段的含水量已经大大减少，所以吸附剂的负荷显著降低，吸附时间延长，单位时间内泄压再生的次数减少，煤层气损耗量也减少，同时也延长了吸附剂的寿命，从而节约了运行成本。多级脱水工艺是经济可行、安全可靠的脱水工艺，尤其适用含水量极大的煤层气深度脱水，具有广阔的应用前景。