小型天然气液化装置的脱酸和脱水技术研究

许 剑，池胜高，信石玉

（1. 中石化石油机械股份有限公司研究院，湖北 武汉 430223；2. 中石化石油机械装备重点实验室，湖北 武汉 430223)

近年来， 随着我国环保要求日趋严格，“煤改气”政策大力推进，天然气需求持续增长，行业进入快速发展期。 通过对天然气净化、压缩、冷却转变为液化天然气（LNG），具有体积小、储运方便、热值高、安全高效等特点，是一种新型优质的清洁能源，在工业燃料、城镇燃气、交通运输等领域得到广泛应用。

当前，我国投产的LNG液化工厂约170余座，正朝两个方向发展，即大型化和小型化。 一方面，通过增加产能降低能耗来建设大型液化工厂，产能普遍在50万m3/d以上， 如中石油黄冈液化工厂为国内规模最大，达到500万m3/d；中石化涪陵液化工厂为国内首个页岩气LNG工厂，达到100万m3/d。 这些大型液化工厂通常采用EPC模式，建设周期长，总体投资大，均为固定式装置。 另一方面，通过降低投资增加效率来推广小型液化装置，产能为5万m3/d～10万m3/d，一般采用撬装形式，具有建设周期短、移动运输方便等显著优势，适用于偏远井、分散井的井口气回收领域，对我国天然气开采具有重要意义。 本文以小型液化装置为研究重点，分析其预处理过程中的脱酸和脱水技术[1-4]。

1 脱酸和脱水技术现状

由于天然气在液化过程中需逐步深冷至-140～-160℃， 而井口气一般含有H2S、CO2和H2O等杂质组分。 其中，酸性气体一方面会腐蚀设备及管道，另一方面在降温过程中易析出固体而堵塞设备和管道；同时，水分会降低天然气热值，在降温升压过程中易形成水合物。 因此为了保证整套小型液化装置的稳定运行，需重点针对H2S、CO2和H2O进行深度脱除，高于一般天然气压缩回收的要求（ρ(H2S)≤6mg/m3，φ(CO2)≤3%，无游离水），满足天然气液化回收的要求（φ(H2S)＜4×10-6，φ(CO2)＜50×10-6，φ(H2O)＜1×10-6）[5-6]。

1.1 脱酸技术国内外现状

国内外已开发出多种脱酸处理方法，主要包括可再生溶剂法、膜分离法、低温分离法、固定床吸附法和直接转化法等。 其中可再生溶剂法应用最为广泛，根据工作原理分为化学吸收法、物理吸收法和联合吸收法。 由于化学吸收法采用醇胺液，如一乙醇胺 （MEA）、 二乙醇胺 （DEA）、 甲基二乙醇胺（MDEA）等，更能适应于低压天然气，对烃类组分溶解度较小，反应速度较快，处理成本较低，因此在井口气液化预处理中较为常用[7-8]。

1.2 脱水技术国内外现状

目前，天然气脱水主要包括：溶剂吸收法、固体吸附剂法、膜分离法、冷却法等。 其中溶剂吸收法主要通过醇类化合物对天然气溶解度较低和对水溶解度较高的作用，如二甘醇和三甘醇，但处理总体成本较高。 而固体吸附剂法采用分子筛、硅胶、活性氧化铝等，如分子筛具有吸附容量较高、吸附选择性较强、使用寿命较长等优势，在小型天然气液化装置中应用较广泛[9-10]。

2 脱酸和脱水技术方案

根据陕北地区井口气特点， 选定A井作为研究对象，通过井口前端的三相过滤分离后，进气压力为3.5MPa，进气温度30～40℃，处理量5万m3/d，CO2体积分数为2%，H2O体积分数为0.15%， 采用先脱酸、再脱水的总体技术方案进行处理，以满足天然气液化的要求[11-12]。

2.1 脱酸工艺流程

根据工艺要求， 采用MDEA溶液去除原料天然气中所含的酸性气体CO2，工艺流程如图1所示。 天然气从吸收塔的底部进入，自下而上流动，通过与吸收塔内部自上而下流动的MDEA贫液逆向接触，处理后的天然气从吸收塔顶部释放。 但由于气体与液体的吸收过程属于放热， 因此天然气温度上升，需通过换热器进行冷却后分离，再进入脱水工艺。

图1 天然气脱酸工艺流程

天然气与MDEA贫液接触后，CO2含量升高变为富液，需要通过加热再生的方式重复利用，工艺流程如图2所示。 富液从吸收塔底部排出进入闪蒸分离器脱气， 再利用贫富液换热器升温至90～100℃，进入再生塔顶部， 同步利用再沸器的热源加热富液， 气相CO2从塔顶进入CO2冷却器和CO2分离器后放空。 另外，已从富液转化为贫液在底部聚集，并通过贫富液换热器、 贫液水冷却器将贫液冷却至45～55℃，进入地下贫液罐，并根据需求通过贫液泵进入活性炭过滤器和机械过滤器去除杂质，最终进入吸收塔。

图2 天然气富液再生工艺流程

2.2 脱水工艺流程

当天然气完成脱酸后即进入脱水工艺，工艺流程如图3所示。天然气自下而上进入脱水塔A和脱水塔B，通过内部的分子筛对水进行吸附。分子筛层主要分为三个区域：饱和区、吸附区、未吸附区，吸附脱水后的气体进入后续小型天然气液化装置的其它流程。 当分子筛达到饱和状态时，需要采用脱水塔C脱水后的气体作为再生气， 进入再生气加热器加热至280～300℃，利用这部分气体对脱水塔A和脱水塔B的分子筛进行再生， 然后进入再生气冷却器和再生气分离器处理，最后回到脱水工艺入口。

图3 天然气脱水工艺流程

3 脱酸和脱水装备

3.1 总体装备方案

根据偏远井、分散井的井口气回收领域的装备应用现状，小型天然气液化装置的净化工艺需考虑占地面积、移动运输、维护保养等方面的现场限制条件，因此以脱酸和脱水工艺组成的天然气净化整体装备宜实现撬装化，设计原则如下：

（1）配套设备布局合理：由于上述技术方案中涉及的塔类、容器类、换热器类、泵类等多种设备，总体空间有限，其中吸收塔、再生塔为外部尺寸最大的设备，以此为主体，其他设备根据工艺流程和管径大小合理布局，最大限度节省空间。

（2）移动安装配置合理：由于井口气存在气质变化范围大的特点，小型天然气液化装置将面临经常需要搬迁的需求，因此净化整体装备的配重设置应合理，重量较大的设备应尽量布置在底部，有利于移动运输、现场地基的稳固可靠。

（3）操作维修简化合理：由于净化工艺流程中包括多次热交换过程， 涉及常温设备和高温设备，应重点考虑将其进行分区分类管理，有利于净化整体装备的现场保温材料安装和后续保养维修。

因此，按照天然气处理量5万m3/d，总体装备方案分为2个撬，即脱酸和脱水2个功能，塔类、容器类、换热器类、泵类等相关设备配套其中，每个撬占地面积为12m×2.5m（长×宽），便于移动运输，方案如图4所示[13-15]。

图4 天然气净化整体装备方案

3.2 配套设备设计

根据脱酸和脱水的总体装备方案， 针对塔类、容器类、换热器类、泵类等相关设备进行详细设计，满足天然气净化的工艺参数要求。

（1）塔类

净化工艺流程中涉及的塔类设备包括吸收塔、再生塔和脱水塔，通过对设备型式、设备规格、进塔温度、操作压力、塔板数量等因素进行分析计算，确定相关参数如表1所示。

表1 塔类设备参数

（2）容器类

净化工艺流程中涉及的容器类设备包括过滤分离器、净化气分离器、闪蒸分离器、CO2分离器、再生气分离器和活性炭过滤器。 通过对设备型式、设备规格、容器温度、操作压力等因素进行分析计算，确定相关参数如表2所示。

表2 容器类设备参数

（3）换热器类

净化工艺流程中涉及的换热器类设备包括净化气冷却器、再生塔再沸器、CO2冷却器、再生气加热器、再生气冷却器，均采用管壳式换热器。 通过对设备型式、壳体尺寸、管程温度、操作压力、换热面积等因素进行分析计算，确定相关参数如表3所示。

表3 换热器类设备参数

3.3 现场应用

通过在陕北地区5万m3/d井口气回收现场应用，小型天然气液化装置整体运行情况良好，在现场井口气的气质组分波动大、气源压力不稳定等特殊情况下，上述脱酸和脱水装备均可满足天然气净化要求，CO2体积分数稳定在32×10-6～45×10-6，H2O体积分数稳定在0.2×10-6～0.5×10-6， 分别满足CO2体积分数低于50×10-6和H2O体积分数低于1×10-6的要求，未出现管道和设备冰堵现象。

针对井口气现场的地质和运输条件，脱酸和脱水装备应进一步考虑如何减小占地面积，便于移动运输，通过降低塔类设备的高度，优化塔类设备的运行模式，从而实现总体装备的模块化。

4 结论

（1）通过对脱酸和脱水技术方案研究，先脱酸采用MDEA溶液，再脱水采用分子筛，可满足天然气液化对气质的要求。

（2）通过研制脱酸和脱水装备，总体分为2个撬，即脱酸和脱水2个功能，塔类、容器类、换热器类、泵类等相关设备配套其中。

（3）通过现场应用可满足天然气净化要求，CO2体积分数稳定在32×10-6～45×10-6，H2O体积分数稳定在0.2×10-6～0.5×10-6，具有一定的推广价值。