分子篩脫水工藝以及在泰安LNG工廠中的應用

王光宏 孫常梅 陳開

（山東泰安昆侖能源有限公司，山東泰安 271000）

分子篩脫水工藝以及在泰安LNG工廠中的應用

王光宏1孫常梅1陳開2

（山東泰安昆侖能源有限公司，山東泰安 271000）

脫水處理工藝是LNG工廠天然氣凈化處理的關鍵環節，脫水方法多種多樣，分子篩脫水為近些年來國內諸多LNG工廠常用的脫水方法，該方法工藝簡單，操作方便。介紹了天然氣脫水的幾種方法，并總結了分子篩脫水的操作參數控制以及在泰安LNG工廠的實際應用情況。

分子篩；脫水；工藝；工廠；應用

目前我國各大城市PM2.5嚴重超標、霧霾等的環境問題日趨嚴重，“以氣代油”業務發展迫在眉睫，LNG是綠色清潔燃料，它以安全、高效、便于儲存等優點，迅速成為我國“以氣代油”的主力軍，國內LNG工廠如雨后春筍般迅猛發展，LNG工廠天然凈化技術也在不斷革新。若天然氣在液化時含水，進入冷箱后，在低溫情況下，天然氣中的水分會以冰或霜的形式凍結在冷箱的表面或節流閥的內部，使換熱器壓差增大，造成冰堵。而且在一定的溫度和壓力下，天然氣能和水反應形成天然氣水化物，可能導致工藝管線、設備和膨脹機噴嘴堵塞，嚴重影響生產的安全穩定運行。為了避免天然氣中水對液化工藝的影響，需將天然氣中的游離水脫除，使其露點達到-70℃以下，以達到低溫處理的要求。

1 天然氣凈化脫水工藝簡介

為了避免天然氣中游離水的存在造成堵塞，通常須在天然氣凈化單元就將原料氣中的游離水脫除，使其露點達到-70℃以下。目前天然氣凈化方面應用的脫水技術有：三甘醇法、分子篩法、低溫冷凝等。

目前用于天然氣脫水的工藝方法主要有低溫分離、固體吸附和溶劑吸收三類方法。

1.1 低溫分離

低溫分離法有膨脹制冷法和冷劑外制冷法。

膨脹制冷法主要有J-T閥節流制冷、膨脹機制冷等。節流制冷法為防止天然氣溫度在節流閥后迅速降低而生成水合物，在節流閥前須注入水合物抑制劑。采用節流制冷法脫水，裝置設備簡單，一次性投資低，裝置操作費用較低。該方法主要用于有壓力能可供利用的高壓氣田，并且該氣田的壓力逐年下降緩慢，在氣田開發的前期不需增壓處理的氣田。膨脹機制冷主要用于深冷回收天然氣凝液。

冷劑制冷法中的丙烷外制冷法是利用液體丙烷蒸發成氣體丙烷所產生的冷量將天然氣冷卻至一定的溫度，以達到天然氣脫水脫烴的目的，在天然氣冷卻前需要注入水合物抑制劑，以防止水合物的生成。該方法主要用于氣田無充分的壓力能可供利用，或雖然為高壓氣田，但氣田壓力下降較快，在開發前期就需進行增壓處理的氣田。

1.2 固體吸附

固體吸附法是利用干燥劑大的內表面積，使氣體中的水分子被干燥劑內孔吸附而從天然氣中除去的方法。常用的干燥劑有分子篩、硅膠等。該類方法中分子篩脫水應用最廣泛，技術成熟可靠，脫水后干氣含水量可低至1ppm，露點低至-100℃。這類方法適用于深度脫水裝置。

采用分子篩脫水后的干天然氣水露點可低至-100℃，不僅可以滿足管輸對天然氣的露點要求，而且適應下游深冷法回收液化石油氣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。

該法一般應用于水露點要求較高以及需要深度脫水的場合，如下游有采用深冷法回收乙烷或液化石油氣的輕烴回收裝置，則必須采用分子篩法脫水，以避免形成水合物，堵塞管道、閥門以及膨脹機入口。

表2-3 幾種常用分子篩

1.3 溶劑吸收

溶劑吸收法是利用脫水劑的良好吸水性能，通過在吸收塔內進行氣液傳質脫除天然氣中的水分。脫水劑中甘醇類化合物應用最為廣泛，其中尤以三甘醇（TEG）作吸收劑最佳，該方法是目前天然氣工業中普遍采用的脫水方法。

采用三甘醇脫水后的干天然氣水露點可低于-10℃，可以滿足管輸對天然氣的水露點要求，工藝成熟可靠。

各種脫水方案優缺點以及適用范圍見表1-1。

表1-1 脫水工藝方案比較

2 分子篩脫水工藝介紹及流程控制要點

2.1 工藝介紹

采用固定床分子篩脫水的工藝流程，為了保證脫水工藝連續，至少需要有兩個分子篩固定床切換操作，一臺進行吸附，另一臺進行再生和冷卻，這就是分子篩脫水的經典工藝流程，稱為雙塔流程。雙塔脫水工藝流程，流程簡潔，設備臺數少。除雙塔流程外，也有采用三塔、四塔、五塔等的多塔流程。采用三塔和四塔等的多塔流程，流程復雜，設備臺數多。優點是由于吸附塔數量多，可以調整好吸附、再生、冷吹等的時間，使再生加熱系統能夠連續操作，避免循環壓縮機和加熱爐頻繁開停，利于穩定操作，降低操作人員的勞動強度，另外利用冷吹的熱氣體作為再生氣也可以回收部分熱量，降低裝置的能耗。兩種工藝的優缺點如下：

工藝技術優點分子篩法脫水之雙塔流程缺點再生過程有間斷，不利于進行能量回收。流程簡潔，設備臺數少分子篩法脫水之三塔或多塔流程可以調整好吸附、再生、冷吹等的時間和順序，使再生加熱系統連續操作，另外利用冷吹的熱氣體作為再生氣也可以回收部分熱量，降低裝置的能耗。流程相對復雜，多一臺或幾臺干燥器

2.2 分子篩脫水工藝的流程控制要點。

天然氣吸附法脫水裝置的操作由吸附、再生和冷卻三個基本過程組成，不同操作過程的操作參數主要包括壓力、流量、溫度、操作時間等。

2.2.1 吸附操作參數

2.2.1.1 操作溫度

為使吸附劑保持高濕狀態，原料氣溫度不宜超過50℃，且濕原料氣的溫度不能低于其形成水合物的溫度。

2.2.1.2 操作壓力

取決于進入塔內的天然氣壓力，壓力波動可能引起吸附劑床層的擾動，嚴重時吸附劑顆粒將被氣流帶出塔內，因此應保持進氣壓力的穩定。

2.2.1.3 操作周期

一般是8h，根據情況可為16h或者24h。

2.2.1.4 吸附劑使用壽命

依氣質和再生過程的操作而定，一般為3-5年。

2.2.2 再生操作參數

2.2.2.1 再生操作

通常從濕原料氣或干燥氣中抽出部分氣體作為再生氣，將其加熱到一定溫度后進入再生塔床層，然后再匯入濕原料氣總管。

2.2.2.2 再生溫度

一般為175-310℃，這取決于吸附劑的種類；再生溫度越高，再生后的吸附劑的濕容量越大，但同時也將相應縮短吸附劑的使用壽命。

2.2.2.3 再生氣流量

再生氣流量應該滿足在規定時間內把再生床層提高到規定的溫度，一般為總原料氣的5%-15%。

2.2.2.4 再生時間

使再生吸附器出口溫度達到預定再生溫度的時間約占總時間的65%-75%。

2.2.3 冷卻操作參數

冷卻氣流量通常與再生氣流量相同，最終的冷卻溫度為40-55℃；床層冷卻時間約占總時間的25%-35%。

3 泰安LNG工廠分子篩脫水工藝說明，實際應用情況介紹

分子篩脫水采用兩塔吸附流程，按24h周期切換，保證脫水過程連續。每臺干燥器的操作分為吸附，再生，冷吹三個階段，吸附12小時、加熱7小時、再生5小時。再生氣有干燥后天然氣中提取，加熱至290℃后給分子篩進行等壓再生。