對天然氣凈化工藝中脫水技術問題的探析

【摘" " 要】天然氣凈化，主要包括天然氣脫硫和天然氣脫水。天然氣脫水的方法主要有低溫脫水、溶劑吸收法脫水、固體吸附法脫水和化學反應法脫水。目前溶劑吸收法脫水法是最為有利的，也是使用最為廣泛的。

【關鍵詞】天然氣;脫水;膜

中圖分類號：G4" " " 文獻標識碼：A DOI：10.3969/j.issn.1672-0407.2018.08.154

一、概述

天然氣是一種多組分的混合氣體，主要成分是烷烴，其中甲烷占絕大多數，另有少量的乙烷、丙烷和丁烷，此外一般還含有硫化氫、二氧化碳、氮和水氣，以及微量的惰性氣體，如氮和氯等。在標準狀況下，甲烷至丁烷以氣體狀態存在，戊烷以上為液體。廣義的天然氣是指在地殼中一切天然生成的氣體，包括油田氣、氣田氣、泥火山氣、煤層氣和生物生成氣等。按天然氣在地下存在的不同相態可以分為游離態、溶解態、吸附態和固態水合物。只有游離態的天然氣經聚集形成天然氣藏，才可以開發利用。天然氣主要由氣態的低分子烴和非烴氣體混合而成。無色無味，主要成分中85～95%為甲烷（CH4），比重0.65，比空氣要輕，具有無色、無味、無毒的特性，極容易揮發，并且在空氣中擴散迅速。天然氣與空氣混合濃度在5～15%時遇明火或大于天然氣燃點530°C時即燃燒，屬于可燃可爆性氣體。

二、天然氣脫水工藝的必要性

天然氣水合物的形成會對輸氣管道的起到危害的作用。19世紀30年代初，人們開始注意到天然氣輸氣管線中形成的天然氣水合物。因為水合物造成的天然氣輸氣管道堵塞問題給天然氣工業帶來許多麻煩。1934年，發表了水合物造成天然氣輸氣管線堵塞的有關數據，人們開始更加詳細地研究天然氣水合物和它的相關性質。

天然氣水合物形成的必要條件氣體是處于水氣飽和或過飽和狀態并存在游離水;有足夠高的壓力和足夠低的溫度。在具備上述條件時，水合物尚不能形成，還必須有其他的一些輔助條件，如壓力，氣體的高速流動，因流向的突變產生的攪動，水合物晶種的存在及晶種停留的特定物理位置如彎頭、孔板、閥門、粗糙的管壁等。水合物形成的臨界溫度是水合物可能存在的最高溫度，高于此溫度，不論壓力多高，也不會有水合物形成。

用于天然氣脫水的方法有多種，天然氣凈化通常采用的脫水工藝方法有溶劑脫水法和固體干燥劑吸附法。溶劑吸收法具有設備投資和操作費用較低的優點，較適合大流量高壓天然氣的脫水，其中應用最廣泛的為三甘醇溶液脫水方法，但其脫水深度有限，露點降一般不超過45℃，而固體干燥劑吸附法脫水后的干氣，露點可低于-50℃。當要求水露點lt;-35℃，溶劑脫水法難以達到，因此需采用固體干燥劑脫水工藝，如分子篩脫水工藝，此外還有直接冷卻法和化學反應法等。

三、低溫分離脫水法

低溫分離脫水法主要有膨脹制冷法和丙烷外制冷法。膨脹制冷法又有節流閥制冷、膨脹機制冷等方法。節流制冷法為防止天然氣溫度在節流閥之前、后迅速降低生成水合物，在預冷器前需要加入水合物抑制劑，以防止水合物的形成。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。優點是設備簡單，占地面積小;投資低，裝置操作費用低。缺點是只適用于高壓天然氣并且有足夠壓力能可利用的氣田天然氣處理，對于壓小的天然氣，達不到足夠的水露點要求。如果沒有足夠的壓力就必須采用增壓時，裝置的投資和運行費用將會較高。

四、三甘醇脫水裝置

三甘醇脫水由高壓吸收系統及低壓再生系統兩部分組成。來自脫硫裝置的濕凈化天然氣經原料分離器自吸收塔下部進入吸收塔，由于進入吸收塔的氣體不允許含有游離液體（水與液烴）、化學劑、壓縮機潤滑油及泥沙等物，所以濕天然氣進入裝置后，先經過進口氣滌器除去游離液體和固體雜質。如果天然氣中雜質過多，還要采用過濾分離器。進口氣滌器頂部設有捕霧氣（除沫器），用來脫除出口氣體中攜帶的液滴。

五、天然氣膜法脫水技術

天然氣膜法脫水。自20世紀80年代以來，一些國家對天然氣膜脫水技術進行了研究開發，目前已基本實現工業化。美國Speared公司開發了醋酸纖維素螺旋卷式膜組件，用于海上開發平臺天然氣水，H2O/CH4分離因子為500，在7.8 MPa、38℃下脫水后的天然氣的水露點溫度可達到-48℃，水蒸汽含量小于10-4，可以除去97%的水分，這對天然氣的輸送，避免管道腐蝕十分有利。由于膜分離法天然氣脫水裝置體積小、結構緊湊、重量輕，減少了海上采油平臺建設的投資費用。美國Grace公司利用卷式膜組件開發了天然氣水分和酸性氣體脫除的工業試驗裝置，并在加拿大等地現場進行了試驗，取得了良好的效果。近來挪威Air Product公司已經開發岀適用于海洋開發平臺的天然氣脫水裝置。美國氣體產品公司的柏美亞部（Permea）是氣體分離膜的開拓者，利用專業的技術力量從八十年代中開始天然氣脫水膜的研究，至1999年已經實現天然氣脫水膜的商業化，所使用的膜為新型普里森（Prism）氣體分離膜，分離系統在4-8 MPa的壓力下，并輔以原料氣流量的2%-5%干燥氣作為返吹氣的條件下，可脫除天然氣中95%的水分，從而得到含水量達到管線輸送標準的干燥天然氣。和其它膜分離一樣，膜天然氣脫水具有結構簡單、可靠性高、操作維修方便、無環境污染操作費用及投資低等特點，它將成為對傳統脫水法極具競爭性的新工藝。

參考文獻

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