天然氣脫水技術現狀

王倩新疆油田公司采氣一廠 （新疆克拉瑪依　833400）

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天然氣脫水技術現狀

王倩
新疆油田公司采氣一廠 （新疆克拉瑪依833400）

摘要天然氣行業正進入快速發展的新階段，天然氣脫水有利于高效地開發利用天然氣。介紹了國內目前使用的傳統天然氣脫水技術（包括溶劑吸收法、固體吸附法和低溫分離法）的應用情況，并對近年發展起來的超音速脫水法和膜分離法進行了分析，說明了各自的優缺點。新型天然氣脫水方法將逐步成為天然氣脫水領域的新趨勢。

關鍵字天然氣脫水溶劑吸收三甘醇超音速膜分離

0　前言

天然氣中含有大量的水蒸氣，而水分的存在會造成很多危害：（1）降低管道輸送能力，造成不必要的動力消耗；（2）在一定條件下，水蒸氣與天然氣形成水合物，堵塞閥門、管道和設備；（3）若天然氣中含有H2S和CO2，與水接觸會形成酸液，腐蝕管路和設備。因此，必須對天然氣進行脫水，以達到氣質指標或使用要求。

天然氣脫水的實質是其中的水蒸氣從飽和狀態變為不飽和的狀態。傳統的天然氣脫水方法主要有溶劑吸收法、固體吸附法和低溫分離法等。近年來，膜分離法和超音速脫水法等新型的脫水方法和技術也得到了大力發展。

1　傳統天然氣脫水技術

1.1溶劑吸收法

溶劑吸收法的基本原理是利用脫水溶劑對水的吸收能力強而對天然氣、烴類物質的吸收能力弱的特點，在吸收塔內進行氣液傳質從而脫除天然氣中的水分[1]。

因為醇類化合物吸水性強，故相對分子質量較高的醇類常被用作脫水溶劑，例如乙二醇（EG）、二甘醇（DFG）和三甘醇（TEG）等。工業上TEG作為脫水溶劑使用最為普遍，其工藝設備主要包括吸收塔、再生塔、貧/富液換熱器、閃蒸罐、貧液/干氣換熱器等[2-4]。

TEG法的優點：熱穩定性好、易再生、吸水性強、蒸汽壓低、氣相攜帶損失少且脫水后的天然氣水露點可以降低到-30℃，完全可以滿足管輸對天然氣水露點的要求[5]。

TEG法的缺點：系統較復雜；TEG再生能耗高；TEG容易損失和被污染，需要及時補充和凈化；系統中有輕油存在時甘醇易起泡，高溫下甘醇溶液易氧化生成具有腐蝕性的酸；使用的撬裝設備大多為進口，投資和運行成本較高等[6]。

目前，國內的普光氣田、克拉2氣田、長慶氣田積元壩氣田均采用TEG吸收法脫水。

1.2固體吸附法

固體吸附法的原理是利用干燥劑的吸附張力使天然氣中的水分子被干燥劑內孔吸附，從而將其除去。工業上常用硅膠、活性氧化鋁和分子篩作干燥劑，其中分子篩脫水技術成熟可靠，應用最為廣泛。

分子篩脫水技術適用于以下場合:要求天然氣水露點低于-40℃；需要同時脫水脫烴以滿足烴、水露點的要求；天然氣需要同時脫水和凈化；對高酸性天然氣進行脫水且脫水的同時要脫去微量硫化物（COS、H2S、CS2、硫醇）[7]。

分子篩法具有占地面積小、吸附性和選擇性強、吸附容量大、使用壽命長、不易被液態水破壞以及對天然氣物性和負荷變化不敏感等優點。脫水后干氣中水的體積分數可低至10-6，露點可低至-100℃，適用于深度脫水。分子篩法不僅可以達到管輸天然氣的露點要求，而且能夠滿足下游深冷回收液化石油氣（LPG）和輕油的輕烴回收裝置的要求，當制冷溫度更低時，還可以回收乙烷[8]。

分子篩的法缺點是設備投資和操作費用高，干燥劑易中毒和破碎，分子篩再生過程能耗大，氣體壓降大，天然氣中的重烴、CO2、H2S等會污染固體吸附劑。

塔里木氣田的輪南作業區、塔中作業區和桑吉作業區均采用分子篩脫水裝置對天然氣進行脫水。

1.3低溫分離法

低溫分離法是利用天然氣飽和含水量隨著壓力升高、溫度降低而降低的特點，將飽和天然氣冷卻降溫或先增壓再降溫從而脫水的方法。低溫分離法屬于物理脫水，主要分為膨脹制冷法和丙烷制冷法。膨脹制冷法又可分為J-T閥節流制冷和透平膨脹機制冷等方法。為了防止天然氣在節流前后迅速降溫而生成水合物，J-T節流制冷法需要在預冷器前注入水合物抑制劑[8]。

低溫分離法優點：設備簡單、投資低、特別適用于高壓氣體。

低溫分離法缺點：能耗高、水露點高；脫水循環的一部分在生成水合物范圍內，需添加抑制劑等防止水合物的形成，并設置配套的抑制劑回收系統；如需深度脫水要增加制冷設備，造成工程投資和使用成本的增加[9]。

在國內氣田中，低溫分離法是除TEG法以外應用較多的天然氣脫水技術，主要用于高壓氣田。克拉2氣田、長慶采氣二廠等均采用該方法。

2　新型天然氣脫水技術

2.1超音速脫水法

超音速脫水法屬于低溫冷凝脫水技術，其基本原理是利用拉瓦爾噴管使氣體在一定壓力下加速到超音速，使其溫度和壓力大幅下降，氣體中的水蒸氣凝結成小液滴，在超音速氣流中被旋轉分離出，然后對干氣進行再壓縮[10]。超音速分離器簡圖見圖1。

天然氣超音速脫水法將膨脹機、分離器與壓縮機的功能集中到一個管道內，使脫水系統大大簡化，系統可靠性和效率得到提高，且不需要添加任何化學試劑。超音速脫水法可以有效降低投資費用并減少環境污染，還可脫除天然氣中的CO2、H2S和汞等雜質[11]。

超音速脫水法的優點：系統簡單體積小、可靠性高、操作方便、運行費用低；無需添加化學試劑，安全環保；利用天然氣自身壓力工作，節約能源。

目前，超音速脫水技術在國外已進入商業應用。2003年12月，馬來西亞的B11海上平臺安裝了第一個商業化的超音速脫水系統，而國內在這方面的研究較少。與傳統的脫水技術相比，超音速脫水是一種新型的節能環保天然氣脫水技術，擁有顯著的優勢和廣闊的市場實際應用前景，因此應大力開發和推廣，盡快實現其在國內工業上的廣泛應用。

2.2膜分離法

天然氣膜分離是在壓力的驅動下，各氣體因透過膜時的滲透率不同而被分離的過程。膜分離法的基本原理見圖2。根據材料的不同，分離膜可分為無機膜和有機膜。無機膜主要有無機致密膜和微孔膜兩類，有機膜主要包括纖維素類、改性膜材料和聚酰胺類。由于有機膜的成本比無機膜低1～2個數量級，目前膜分離法實際使用的多數是有機膜，膜材料主要是聚酰亞胺和醋酸纖維素。醋酸纖維膜對水氣的滲透流速較甲烷高500倍左右，特別適用于天然氣中水分的脫除。雖然醋酸纖維素在實際操作條件下的分離因子不是很高，但由于價格便宜，仍然是目前天然氣凈化使用最廣的膜材料[1]。

圖1　超音速分離器簡圖

圖2　膜法脫水基本原理

膜分離法的優點：工藝簡單，易操作、成本低、能耗低；無運動部件、便于維修、占地面積小；利用天然氣自身壓力作為推動力，壓力損失可忽略不計；不添加其他試劑，無需再生、無二次污染。

膜分離法的缺點：塑化作用對膜的性能有一定影響；在滲透過程中CH4隨水分進入滲透氣中，造成烴損失（損失率為5%～6%）；一次性投資較大等[12]。

為了減少產品氣的損失，使膜能承受更高壓力，需要進一步提高膜的穩定性，開發選擇性更高的膜。隨著制膜工藝和新型膜技術的不斷提高，天然氣膜分離法脫水會得到更大的發展。

3　結語

目前，天然氣的需求量較從前而言大幅增長，天然氣行業正進入快速發展的新階段，因此如何高效開發利用天然氣是必須重視的課題。在選擇天然氣脫水方法前，應當充分考慮脫水的目的、要求、處理的規模和各技術的特點，并進行經濟和技術對比，最終選定最適用的脫水技術極其配套工藝。針對新興的天然氣脫水技術（如超音速和膜分離等），要大力研發和推廣，并將其與傳統的脫水工藝相結合，形成天然氣集成處理技術，從而大幅度優化工藝組合，降低經濟成本。

參考文獻：

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[12]魏星,黃維菊,陳文梅.國內外膜分離法天然氣脫水研究現狀[J].過濾與分離,2007,17(4):37-41.

中圖分類號TE 868

收稿日期：2015年1月

作者簡介：王倩女1989年生碩士研究生助理工程師

The Developm ent Status of Natural Gas Dehydration Technology

Wang Qian

Abstract:Natural gas industry is entering a new stage of rapid development.Natural gas dehydration is conducive to the efficient development and utilization of natural gas.Introduces the application situations of traditional natural gas dehydration technologies used in China at present,including solventabsorption,solid desiccantadsorption and low temperature separation.Analyzes the supersonic dehydration method and membrane separation method which are developed in recent years,and illustrates their respective advantages and disadvantages.The new methods for dehydration of natural gas will gradually become a new trend in the field of natural gas dehydration.

Key words:Natural gas dehydration;Solvent absorption;Triethylene glycol;Supersonic;Membrane separation