大型LNG 項目的天然氣脫水工藝探討

李亞萍，楊 鵬，楊 充，郄海霞

（1.西安長慶科技工程有限責任公司，陜西西安 710018；2.中國石油長慶油田分公司第五采氣廠，陜西西安 710018）

液化天然氣（簡稱LNG）是天然氣經壓縮、冷卻至其沸點溫度后變成液體。LNG 的主要成分為甲烷，燃燒后對空氣污染非常小，而且放出的熱量大，所以液化天然氣是一種潔凈、先進的能源。由于生產LNG 的天然氣中一般都含有酸性氣體、飽和水、汞、凝析油等雜質，因此，其生產過程一般為脫酸氣、脫水、脫汞、脫凝析油等雜質后進行液化、儲存。

LNG 的沸點為-161.5 ℃，其脫水工藝中要求脫水后干氣中的水含量小于1 mg/L，LNG 脫水常用分子篩脫水工藝。雖然分子篩脫水工藝的脫水深度高，但是單位能耗較高，生產成本高。因此，為了降低LNG 生產中的能耗，對于大型LNG 項目的天然氣脫水建議采用幾種脫水工藝組合處理。

1 天然氣常用脫水方法簡介

目前國內外天然氣脫水常用的方法主要有溶劑吸收法、固體吸附法、冷卻法、膜分離法等，這些天然氣脫水方法的對比分析如下。

1.1 溶劑吸收法

溶劑吸收法是目前天然氣工業中普遍采用的脫水方法。溶劑吸收法脫水是根據吸收原理，采用一種親水液體與天然氣逆流接觸，從而脫除氣體中的水。用作脫水吸收劑的物質應對天然氣有高的脫水深度，對化學反應和熱作用較穩定，容易再生，蒸汽壓低，黏度小，對天然氣和液烴組分具有較低的溶解度，發泡和乳化傾向小，對設備無腐蝕性，同時還應是價格低廉，容易得到的物質。常用的脫水吸收劑有甘醇類化合物和金屬氯化物鹽溶液兩大類。

目前以三甘醇脫水工藝使用最為廣泛，其主要優點為：（1）天然氣中有酸性氣體存在時，在一般操作溫度下溶液是穩定的；（2）吸水容量大；（3）容易再生，蒸氣壓低，攜帶損失量小，三甘醇質量分數可高于99.96 %；（4）露點降可達55 ℃以上。缺點是投資較高。

1.2 固體吸附法

天然氣與多孔固體顆粒相接觸，天然氣流中的水分子被固體內孔表面吸附的過程叫固體吸附法。用于天然氣處理工業的吸附劑應具有較大的吸附表面積；對脫除的物質具有較好的吸附活性，對要脫除的組分具有較高的吸附容量，在使用過程中活性保持良好，使用壽命長；有較高的吸附傳質速度；能簡便而經濟的再生；吸水后能保持較好的機械強度；具有較大的堆積密度；有良好的化學穩定性、熱穩定性以及價格便宜、原料充足等特性。與甘醇吸收法比較，固體吸附法具有以下優點：（1）脫水后的干氣中含水量可低于1 mg/L；（2）對進料氣體溫度、壓力和流量的變化不敏感；（3）裝置設計和操作簡單，占地面積小；（4）一般情況下，對于小流量氣體的脫水成本較低。缺點是再生能耗高，故一般是在甘醇法脫水滿足不了天然氣露點要求時才采用固體吸附法。

1.3 冷卻法

由于天然氣的水露點隨著天然氣壓力升高，溫度降低，天然氣中飽和水含量也降低。因此，含飽和水的天然氣可采用通過冷卻至低溫的方法脫水。冷卻脫水又分為直接冷卻、加壓冷卻、膨脹制冷冷卻和冷劑制冷冷卻四種方法。天然氣冷卻法脫水要解決水合物形成的問題，通常在氣流中注入水合物抑制劑。冷卻法效率較低，有時難以達到氣體露點要求，經常作為輔助手段。

1.4 膜分離法

膜分離是利用混合氣體中各組分在膜中滲透速率的不同使各組分分離。氣體膜分離過程的推動力是膜的兩側的壓力差，在壓力差的作用下，氣體首先在膜的高壓側溶解，并從高壓側通過分子擴散傳遞到膜的低壓側，然后從低壓側解析而進入氣相，由于各種物質溶解、擴散速率的差異而達到分離的目的。目前這項技術在我國天然氣處理領域的無大處理量的工業化使用經驗，因此本次不探討此工藝。

2 大型LNG 項目的脫水工藝探討

本文以一處理量為300×104m3/d 的大型LNG 項目為例來進行探討。其脫水天然氣的主要參數（見表1）。

對于該項目的脫水工藝分為以下三種方案來進行探討。

2.1 分子篩脫水工藝

選用分子篩脫水工藝，采用常規的兩塔流程，即一塔吸附脫水，一塔進行再生，兩塔切換使用，其工藝流圖（見圖1）。

在工況條件下天然氣中的水含量為210 kg/h。分子篩脫水的設備投資和能耗情況（見表2）。

2.2 三甘醇脫水+分子篩脫水組合工藝

采用三甘醇脫水將天然氣中的水脫除至水露點小于-10 ℃后進入分子篩深度脫水。三甘醇脫水的工藝流程（見圖2），分子篩脫水的工藝流程圖（見圖1）。

表1 LNG 項目需脫水天然氣的主要參數表

表2 300 萬m3/d 常規分子篩脫水裝置的主要設備投資及能耗

圖1 常規的兩塔分子篩脫水工藝流程圖

圖2 常規的三甘醇脫水工藝流程圖

表3 300 萬m3/d 三甘醇脫水+分子篩脫水組合裝置的主要設備投資及能耗

天然氣經三甘醇脫水后，在工況條件下天然氣中的水含量為7 kg/h。采用三甘醇脫水+分子篩脫水組合工藝的設備投資和能耗情況（見表3）。

2.3 冷卻法+分子篩脫水組合工藝

LNG 工廠有可利用的冷劑，采用冷劑將天然氣冷卻至20 ℃（該工況下天然氣水合物形成溫度為15 ℃，高于該溫度5 ℃，天然氣中不用加注水合物抑制劑），分離掉游離水后進入分子篩脫水。冷卻法的工藝流程（見圖3），分子篩脫水的工藝流程圖（見圖1）。

圖3 冷卻法脫水工藝流程圖

表4 300 萬m3/d 冷卻法+分子篩脫水組合裝置的主要設備投資及能耗

表5 300 萬m3/d LNG 項目脫水方案的投資及運行費用對比

天然氣經冷卻法脫水后，在工況條件下天然氣中的水含量為54 kg/h。采用冷卻法+分子篩脫水組合工藝的設備投資和能耗情況（見表4）。

3 方案對比及結論

對該項目的三種脫水方案的投資及運行費用進行對比，其結果（見表5）。

結論：從300 萬m3/d LNG 項目的三種脫水方案的投資及運行費用對比可以看出：（1）采用冷卻法+分子篩脫水組合工藝的投資最低；（2）采用三甘醇脫水+分子篩脫水組合工藝的總運行費用和可比總投資最低。因此，推薦大型LNG 項目的脫水工藝可選用三甘醇脫水+分子篩脫水組合工藝。

［1］ 劉宏斌.石油和化工工程設計工作手冊［M］.北京：中國石油大學出版社，2010.

［2］ 中華人民共和國石油天然氣行標準［S］.SY T 0076-2003天然氣脫水設計規范，2003.

［3］ 高忠杰，劉德俊，等.LNG 原料氣預處理［J］.當代化工，2010，39（6）：689-692.

［4］ 胡曉敏，陸永康，等.分子篩脫水工藝簡介［J］.天然氣與石油，2008，26（1）：39-41.