LNG 工厂脱水工艺及优化研究

2023-11-03丁宁唐高峰

辽宁化工 2023年10期

丁宁，唐高峰

（1. 咸阳市天然气有限公司，陕西咸阳 712021； 2. 陕西液化天然气投资发展有限公司，陕西杨凌 712100）

LNG 是Liquefied Natural Gas 的缩写，它是利用低温换热器将管输天然气逐级降温到-162 ℃，最终使得天然气呈现液体状态[1]。经过液化后的天然气，体积大大的缩小了，1 m3LNG 气化后可得625 m3标准天然气。由于管输天然气的前期投资较大，很多时候一些偏远地区尚未敷设管道，使用天然气就存在一定困难，虽然CNG 也能进行点供，但单位体积的CNG 供应量远远低于LNG，因此很多地方建设LNG 储存罐，通过定期将LNG 卸车贮存至储罐，使用空温式气化器、电加热气化器或者水浴式气化器进行气化反输，也可以利用LNG 作为冬季用气高峰的应急调峰手段[2]。

管输天然气的来源很多，包括气田采出气、油田伴生气、页岩气和煤层气等，之后在集输站进行初步的脱水和杂质去除，输送到分输站增压前还会进一步脱水，经过层层处理的天然气水含量相对来说较低，通常情况下其水露点要比当地最低环境温度还要低5 ℃[3]。但对于LNG 生产加工来说，水含量仍然偏高，在LNG 主低温换热器的高温段会凝固，进而堵塞低温换热器的管束、凝析油汽提塔等设备，因此需要在天然气的净化处理单元对原料气进行脱硫、脱水、脱重烃，经过干燥单元后水质量分数要低于1×10-6[4]。

1 天然气脱水方法

目前，天然气水分脱除的方法主要有冷却法、吸收法、吸附法、膜分离法、超音速脱水法等[5]。

1.1 冷却法

在不同的温度和压力下，天然气本身的饱和含水量会发生变化。通常而言，天然气的温度越低，水含量越低，二者存在正比关系；天然气的压力越低，水含量高，二者存在反比关系。冷却法脱水就是在保证天然气压力维持恒定的情况下，利用降低温度将所含的水分凝析出来[6]。按照原理的不同，冷却法包括利用焦耳-汤姆逊效应的透平膨胀机法和加压节流降温法，都属于物理脱水法。

优点：占地面积小，投资费用低，操作简单，压力适用范围广。

缺点：设备能耗高，脱水深度低，脱水过程中易出现天然气水化物，需要添加抑制成分并进行收集分离回收。

1.2 吸收法

吸收法是利用一些对水蒸气具有较强吸收能力的醇类物质在吸收塔填料中进行逆向接触，从而将天然气中的水分吸收到醇类循环系统中，这些醇类物质需要满足以下条件：不能和天然气其他组分发生反应、对水蒸气具有亲水性、化学性质稳定、对设备没有腐蚀，与此同时能够通过加热等方法进行再生。由于具有性能稳定、不易变质、运行时间长、脱水深度高等特点，常常应用于一些化工项目。醇类脱水物质包括二甘醇、三甘醇和甘醇胺溶液，其中价格便宜的三甘醇脱水效果好、脱水深度高，可以将水分降低到126×10-6以下，所以成为应用最为广泛的吸收脱水物质[7]。

常见的三甘醇脱水系统包括三个部分：

1）脱水部分：原料气经过气液分离罐后，将水分进行初步分离脱除之后进入脱水塔的底部，自下而上的经过脱水塔的填料、塔盘，与塔顶送来的脱水吸收贫液进行逆向充分接触，脱水吸收贫液将原料气中的水分吸收后转变为富液，依靠自身重力势能输送至再生环节，脱水后的天然气由塔顶输出。为了冷却贫液的同时回收贫液的热能，塔顶出来的天然气需要经过干气-贫液换热器加热后进入下一单元。

2）脱水富液再生：在脱水塔中吸收饱和的富液从塔的底部流出，依靠自身重力输送至精馏柱一次换热，富液中的水分在精馏柱中被重沸器产生的高温蒸气汽提带走，汽提气在塔顶回流段冷凝回收部分富液，之后富液进入富液闪蒸罐，将溶解在富液中的轻烃类物质闪蒸析出，随后通过机械-活性炭-机械三级过滤器，过滤掉富液中含有的降解产物和其它杂质，过滤后的富液通过板式换热器与再生后的贫液进行二次换热，然后通过缓冲罐与贫液三次换热，经过三次换热的富液由精馏柱进入高温重沸器中加热再生，经过高温后的富液完全脱除吸收的水分成为贫液，提纯后的贫液进入缓冲罐、板式换热器反向与富液换热，最后通过贫液循环泵加压输送至干气-贫液换热器后进入脱水塔顶部，至此富液的再生循环完成。

3）辅助系统：主要包括阀门气动控制的工厂仪表风系统、为重沸器提供热量的燃料气系统。

优点：运行稳定连续，脱水深度较高。

缺点：占地面积大，工艺流程复杂，溶液存在发泡和变质现象易损耗，操作有一定难度，投入设备多。

1.3 吸附法

吸附脱水法是利用某些接触表面积大、内部多孔的物质来吸附天然气中的水分，常用的吸附剂有分子筛、活性氧化铝、硅胶。由于整个吸附过程不发生化学反应，只有物理吸附作用，这种单一选择性的吸附效果具有得天独厚的优势，能够把水露点降低到100 ℃以下，因此被广泛应用于脱水工艺[8]。按照吸附法脱水的要求，脱水吸附剂需要具备以下条件:（1）选择性吸附水的能力强、具备大的比表面积，也就是在脱水工艺中能够选择性的仅仅吸附需要去除的水分，而对于天然气中的甲烷、乙烷等主要烃类组分不会吸附或者吸附量微小；（2）脱水吸附剂对于天然气中的杂质成分不敏感，不会由于杂质的污染而降低吸附能力；（3）脱水吸附剂容易加工制备，具有统一的制作标准，有一定的体积且大小一致，能够均匀的分布填充在脱水床层中，对原料气的压力影响小、压力降不大，运行过程中不易发生偏流等故障；（4）由于吸附剂在吸附饱和后需要进行高温气流逆向吹扫再生，脱水吸附剂具备一定的耐高温性，与此同时在周期性反复吸附-再生过程中自身不会由于热应力变化而发生变形或者脆化；（5）脱水吸附剂要具有高机械强度，在高压原料气流和干燥再生气流的冲刷下不被破坏；（6）由于脱水吸附剂更换周期通常为3～5 年，因此价格要便宜，降低设备运行中填料更换的费用。

优点：占地面积适中，操作简单，自动化程度高，脱水深度高。

缺点：吸附物质填充量大，运行周期短，更换填料费时费力，再生单元能耗较高。

1.4 膜分离法

膜分离法脱水是利用不同气体组分通过具有选择性穿越能力的膜材料时渗透率不同，在施加压力的条件下被分离，并利用脱水后的原料气作为再生气反向吹扫膜材料进行再生。脱水用的膜材料属于渗透膜，是由特殊选择性的多聚体材料制成，材料整体呈中空纤准型或平板型，与具有网孔或者小洞的分子筛类过滤材料不同[9]。膜材料分为无机膜、有机聚合物膜、复合膜[10]。

由于气体通过不同结构的膜的传递扩散方式不同，因而分离原理也存在差异，总体而言分为两种：

1）多孔膜的微孔扩散机理：气体通过多孔膜的传递机理包括表面扩散、分子扩散、粘性流动、努森扩散等，但由于多孔膜的孔径不同、孔的内表面性质不同，最终让气体分子在与多孔膜相互作用的程度有所差异，导致传递特征表现不一。

2）非多孔膜的溶解-扩散原理：气体在非多孔膜穿透分为3 个过程，首先气体在膜的进入端表面吸附溶解，其次吸着后的气体在膜表面浓度差的作用下扩散穿过膜，最后膜输出端表面的气体解析出来从而实现了分离[11]。

优点：占地面积适小，设备布置集中，使用寿命长，投资费用低，操作简单，维护方便，脱水深度较高。

缺点：一次性投资较高[12]，脱水处理能力较低，有机聚合物膜耐水、耐热稳定性差，无机膜制造复杂耗时。

1.5 超音速脱水法

超音速脱水法是一种利用天然气自身的压力或增压后通过拉法尔喷管脱水的方法，由于拉法尔喷管内部通道存在截面积突变，流经气体的流速会急速增加至几倍音速，与此同时通过换热降低温度后进入分离器脱去水分[13]。

优点：占地面积小，运行成本低，不产生污染物质，投资费用低，操作简单，运行稳定，脱水深度较高。

缺点：对设备强度要求高，需要较高压力。

1.6 内联式气旋法

内联式气旋法是利用内联式气液分离器使得通过的气体在涡流发生器产生强旋流，在离心力的作用下气液混合物逐步分离为气液两相流，属于一种高效的紧凑型气液分离技术，在实现气液分离的同时能够将损失的压力降弥补回来[14]。

优点：运行费用低，无需使用化学添加剂，工作效率高。

缺点：技术仅仅掌握在国外企业手中，无法获取关键部件。

2 分子筛吸附脱水法工艺探究

2.1 双塔分子筛脱水流程

以陕西某LNG 工厂举例，原料气经过增压单元、脱碳单元处理合格后进入脱水单元，脱碳净化后气体由上向下经过两个脱水床之一脱除水分，最终将水分质量分数降低至1×10-6。正常运行时，一个容器用于吸附脱水，另一个处在再生过程，工艺流程见图1。

图1 脱水工艺流程

吸附床层在达到饱和点前，脱除水分的净化气分离出一部分当作再生气输送到另一个装有干燥吸附剂的床层。然后，吸附饱和的床层在经过换热器加热后的再生气反向吹扫下脱除水分。含有水汽的热的再生废气通过空气冷却器冷却析出水分，然后通过气液分离罐进一步分离排去水分，随后返回到进口压缩机当作原料气进入循环。脱水塔下游设置滤尘器用于分离净化气中含有的分子筛粉末，防治下游单元设备及管路堵塞。

再生气在脱水再生气加热器首先加热到140 ℃进行高温再生持续一定的时间，之后再被加热到280 ℃进一步超高温再生持续一定的时间。当完成前面两个时间序列流程后，然后床层进入冷却流程，在分子筛床处于冷却模式时，大部分的再生气通过再生气加热器旁路进入床层冷却，同时少量的再生气体继续流过再生气加热器用于防止加热器过热。冷却完毕之后，床层准备投入使用进行吸附。