天然氣脫水技術(shù)現(xiàn)狀

王倩新疆油田公司采氣一廠 （新疆克拉瑪依　833400）

情報(bào)調(diào)研

天然氣脫水技術(shù)現(xiàn)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(yè)正進(jìn)入快速發(fā)展的新階段，天然氣脫水有利于高效地開發(fā)利用天然氣。介紹了國(guó)內(nèi)目前使用的傳統(tǒng)天然氣脫水技術(shù)（包括溶劑吸收法、固體吸附法和低溫分離法）的應(yīng)用情況，并對(duì)近年發(fā)展起來的超音速脫水法和膜分離法進(jìn)行了分析，說明了各自的優(yōu)缺點(diǎn)。新型天然氣脫水方法將逐步成為天然氣脫水領(lǐng)域的新趨勢(shì)。

關(guān)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(huì)造成很多危害：（1）降低管道輸送能力，造成不必要的動(dòng)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(shè)備；（3）若天然氣中含有H2S和CO2，與水接觸會(huì)形成酸液，腐蝕管路和設(shè)備。因此，必須對(duì)天然氣進(jìn)行脫水，以達(dá)到氣質(zhì)指標(biāo)或使用要求。

天然氣脫水的實(shí)質(zhì)是其中的水蒸氣從飽和狀態(tài)變?yōu)椴伙柡偷臓顟B(tài)。傳統(tǒng)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(shù)也得到了大力發(fā)展。

1　傳統(tǒng)天然氣脫水技術(shù)

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(duì)水的吸收能力強(qiáng)而對(duì)天然氣、烴類物質(zhì)的吸收能力弱的特點(diǎn)，在吸收塔內(nèi)進(jìn)行氣液傳質(zhì)從而脫除天然氣中的水分[1]。

因?yàn)榇碱惢衔镂詮?qiáng)，故相對(duì)分子質(zhì)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(yè)上TEG作為脫水溶劑使用最為普遍，其工藝設(shè)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(yōu)點(diǎn)：熱穩(wěn)定性好、易再生、吸水性強(qiáng)、蒸汽壓低、氣相攜帶損失少且脫水后的天然氣水露點(diǎn)可以降低到-30℃，完全可以滿足管輸對(duì)天然氣水露點(diǎn)的要求[5]。

TEG法的缺點(diǎn)：系統(tǒng)較復(fù)雜；TEG再生能耗高；TEG容易損失和被污染，需要及時(shí)補(bǔ)充和凈化；系統(tǒng)中有輕油存在時(shí)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(shè)備大多為進(jìn)口，投資和運(yùn)行成本較高等[6]。

目前，國(guó)內(nèi)的普光氣田、克拉2氣田、長(zhǎng)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(nèi)孔吸附，從而將其除去。工業(yè)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(shù)成熟可靠，應(yīng)用最為廣泛。

分子篩脫水技術(shù)適用于以下場(chǎng)合:要求天然氣水露點(diǎn)低于-40℃；需要同時(shí)脫水脫烴以滿足烴、水露點(diǎn)的要求；天然氣需要同時(shí)脫水和凈化；對(duì)高酸性天然氣進(jìn)行脫水且脫水的同時(shí)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(qiáng)、吸附容量大、使用壽命長(zhǎng)、不易被液態(tài)水破壞以及對(duì)天然氣物性和負(fù)荷變化不敏感等優(yōu)點(diǎn)。脫水后干氣中水的體積分?jǐn)?shù)可低至10-6，露點(diǎn)可低至-100℃，適用于深度脫水。分子篩法不僅可以達(dá)到管輸天然氣的露點(diǎn)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(dāng)制冷溫度更低時(shí)，還可以回收乙烷[8]。

分子篩的法缺點(diǎn)是設(shè)備投資和操作費(fèi)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?zé)N、CO2、H2S等會(huì)污染固體吸附劑。

塔里木氣田的輪南作業(yè)區(qū)、塔中作業(yè)區(qū)和桑吉作業(yè)區(qū)均采用分子篩脫水裝置對(duì)天然氣進(jìn)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(diǎn)，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(jié)流制冷和透平膨脹機(jī)制冷等方法。為了防止天然氣在節(jié)流前后迅速降溫而生成水合物，J-T節(jié)流制冷法需要在預(yù)冷器前注入水合物抑制劑[8]。

低溫分離法優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡(jiǎn)單、投資低、特別適用于高壓氣體。

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

在國(guó)內(nèi)氣田中，低溫分離法是除TEG法以外應(yīng)用較多的天然氣脫水技術(shù)，主要用于高壓氣田。克拉2氣田、長(zhǎng)慶采氣二廠等均采用該方法。

2　新型天然氣脫水技術(shù)

2.1超音速脫水法

超音速脫水法屬于低溫冷凝脫水技術(shù)，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(jié)成小液滴，在超音速氣流中被旋轉(zhuǎn)分離出，然后對(duì)干氣進(jìn)行再壓縮[10]。超音速分離器簡(jiǎn)圖見圖1。

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

超音速脫水法的優(yōu)點(diǎn)：系統(tǒng)簡(jiǎn)單體積小、可靠性高、操作方便、運(yùn)行費(fèi)用低；無需添加化學(xué)試劑，安全環(huán)保；利用天然氣自身壓力工作，節(jié)約能源。

目前，超音速脫水技術(shù)在國(guó)外已進(jìn)入商業(yè)應(yīng)用。2003年12月，馬來西亞的B11海上平臺(tái)安裝了第一個(gè)商業(yè)化的超音速脫水系統(tǒng)，而國(guó)內(nèi)在這方面的研究較少。與傳統(tǒng)的脫水技術(shù)相比，超音速脫水是一種新型的節(jié)能環(huán)保天然氣脫水技術(shù)，擁有顯著的優(yōu)勢(shì)和廣闊的市場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用前景，因此應(yīng)大力開發(fā)和推廣，盡快實(shí)現(xiàn)其在國(guó)內(nèi)工業(yè)上的廣泛應(yīng)用。

2.2膜分離法

天然氣膜分離是在壓力的驅(qū)動(dòng)下，各氣體因透過膜時(shí)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(jù)材料的不同，分離膜可分為無機(jī)膜和有機(jī)膜。無機(jī)膜主要有無機(jī)致密膜和微孔膜兩類，有機(jī)膜主要包括纖維素類、改性膜材料和聚酰胺類。由于有機(jī)膜的成本比無機(jī)膜低1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，目前膜分離法實(shí)際使用的多數(shù)是有機(jī)膜，膜材料主要是聚酰亞胺和醋酸纖維素。醋酸纖維膜對(duì)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(shí)際操作條件下的分離因子不是很高，但由于價(jià)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(jiǎn)圖

圖2　膜法脫水基本原理

膜分離法的優(yōu)點(diǎn)：工藝簡(jiǎn)單，易操作、成本低、能耗低；無運(yùn)動(dòng)部件、便于維修、占地面積小；利用天然氣自身壓力作為推動(dòng)力，壓力損失可忽略不計(jì)；不添加其他試劑，無需再生、無二次污染。

膜分離法的缺點(diǎn)：塑化作用對(duì)膜的性能有一定影響；在滲透過程中CH4隨水分進(jìn)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(chǎn)品氣的損失，使膜能承受更高壓力，需要進(jìn)一步提高膜的穩(wěn)定性，開發(fā)選擇性更高的膜。隨著制膜工藝和新型膜技術(shù)的不斷提高，天然氣膜分離法脫水會(huì)得到更大的發(fā)展。

3　結(jié)語

目前，天然氣的需求量較從前而言大幅增長(zhǎng)，天然氣行業(yè)正進(jìn)入快速發(fā)展的新階段，因此如何高效開發(fā)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(yīng)當(dāng)充分考慮脫水的目的、要求、處理的規(guī)模和各技術(shù)的特點(diǎn)，并進(jìn)行經(jīng)濟(jì)和技術(shù)對(duì)比，最終選定最適用的脫水技術(shù)極其配套工藝。針對(duì)新興的天然氣脫水技術(shù)（如超音速和膜分離等），要大力研發(fā)和推廣，并將其與傳統(tǒng)的脫水工藝相結(jié)合，形成天然氣集成處理技術(shù)，從而大幅度優(yōu)化工藝組合，降低經(jīng)濟(jì)成本。

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中圖分類號(hào)TE 868

收稿日期：2015年1月

作者簡(jiǎn)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