天然氣加氣母站脫水工藝研究

李 光,孫 沖,趙怡斐,張 迪

(中石化中原石油工程設計有限公司，河南 鄭州 450000)

隨著社會的發展，居民收入不斷增加，中國汽車的產銷量日益增加。據統計，2020年，中國汽車的保有量達到2.81億輛[1]。隨著汽車的增加，燃油的供需矛盾日益突出，環境污染問題日益嚴重。壓縮天然氣汽車，作為新能源汽車，不僅能夠克服汽車燃料供應的單一性，降低對汽油的依賴，同時壓縮天然氣汽車排放的尾氣中不含氮氧化物、硫氧化物，可以有效減少溫室氣體的排放，降低“酸雨”的影響，提供更加潔凈的天空。

壓縮天然氣加氣母站是指，以壓縮天然氣(CNG)形式，向天然氣汽車(NGV)和大型CNG子站車提供燃料的場所。根據《車用壓縮天然氣》(GB18047-2017)規范的要求，在最高操作壓力下，CNG的水露點不應高于-13 ℃，即CNG的常壓水露點不應高于-60 ℃。通常，天然氣的常壓水露點一般為-30～-40 ℃，因此需要對天然氣進行脫水處理，以滿足CNG的要求。為達到-60 ℃ 水露點的要求，CNG加氣母站的脫水通常采用分子篩吸附脫水的方式。

分子篩吸附脫水過程主要分為：吸附、再生、冷吹三個過程。CNG加氣母站的分子篩脫水再生方法分為濕氣再生與干氣再生兩種工藝。濕氣再生工藝與干氣再生工藝主要區別在于分子篩再生時選用介質不同：濕氣再生工藝在再生時選用含水的濕天然氣作為再生氣，而干氣再生工藝再生時利用脫過水的干天然氣作為再生氣[2]。

1 CNG加氣母站脫水工藝

1.1 濕氣再生工藝

濕氣再生工藝流程簡介[3]：①吸附。濕的天然氣從塔頂進入分子篩吸附塔A，經過分子篩脫水處理，脫過水的天然氣從塔底出來，完成吸附過程。分子篩干燥塔A在吸附的同時分子篩干燥塔B進行再生。②再生。將分子篩干燥塔B內的天然氣降壓放空，將天然氣壓力降至 0.15 MPa。從外輸干氣中引一股再生氣，進入空冷器；然后進入氣水分離器，從頂部出來的再生氣，經壓縮機增壓至 0.20 MPa，經電加熱器加熱至 250 ℃，再然后從分子篩干燥塔B頂部進入，對分子篩進行加熱再生：含水的再生氣從塔底出來，經空冷器冷卻至 45 ℃，再進入氣水分離器，分離出的水，通過排污閥從分離器底部排出，天然氣從分離器頂部出來。然后又經壓縮機增壓至 0.20 MPa，進入電加熱器，天然氣加熱到 250 ℃ 以后，進入分子篩干燥塔B，完成分子篩吹掃再生循環。③冷吹。從氣水分離器出來 45 ℃ 的冷的再生氣，經壓縮機增壓至 0.20 MPa，直接進入分子篩干燥塔B頂部，對分子篩床層進行冷卻降溫；冷卻后天然氣從分子篩干燥塔塔底出來，進入空冷器冷卻至 45 ℃，然后進入氣水分離器；天然氣從分離器頂部出來，經壓縮機增壓至 0.20 MPa，直接進入分子篩干燥塔B頂部，完成冷吹循環，具體工藝流程詳見圖1。

圖1 濕氣再生工藝流程圖

1.2 干氣再生工藝

干氣再生工藝流程簡介[4]：①濕的天然氣從塔頂進入分子篩吸附塔A，經過分子篩脫水處理，干的天然氣從塔底出來，完成吸附過程；分子篩干燥塔A吸附的同時，分子篩干燥塔B進行再生。②再生。從脫過水的干氣中引出一股，進入電加熱器，加熱至 250 ℃，從分子篩干燥塔B底部進入，對分子篩進行加熱再生：含水的再生氣從塔頂出來，經空冷器冷卻至 45 ℃，進入氣水分離器。分離出的水，通過排污閥從分離器底部排出；天然氣從分離器頂部出來，經壓縮機增壓至比原料氣高 0.15 MPa，進入濕原料氣，完成分子篩再生循環。③當分子篩干燥塔B完成再生過程，進行冷吹。從脫過水的干氣中引出一股，直接進入分子篩干燥塔B底部，對分子篩床層進行冷卻降溫。冷卻后天然氣從分子篩干燥塔塔頂出來，進入空冷器冷卻至 45 ℃，然后進入氣水分離器，天然氣從分離器頂部出來，經壓縮機增壓至比原料氣高 0.15 MPa，接著進入濕原料氣，完成冷吹循環。具體工藝流程詳見圖2。

圖2 干氣再生工藝流程圖

2 脫水工藝方法的比較

2.1 濕氣再生工藝脫水的特點

濕氣脫水工藝具有：工藝簡單、便于操作，濕氣再生工藝密閉循環，整套設備適合成撬；采用低壓再生(0.20 MPa)，即使再生溫度達到 270 ℃，再生氣管道的材質普通碳鋼即可滿足要求，不必選用特殊高溫管材；再生氣增壓壓差僅為 0.10 MPa，壓差較小，同時再生氣壓力僅為 0.20 MPa。因此再生氣壓縮機可以選用羅茨鼓風機(羅茨鼓風機價格較低)。濕氣再生工藝具有結構簡單，投資較少的優點。

2.2 干氣再生工藝

干氣再生工藝結構相對復雜，主要體現在再生氣壓縮機以及再生氣密閉方面。再生氣壓縮機主要對再生氣部分增壓，以便于再生氣能夠反輸至原料氣中，因此再生氣壓縮機既要適應原料氣的高壓，又要滿足再生氣低壓差要求，造成再生壓縮機選型困難。干氣再生工藝中再生氣完全回收，從脫過水干氣中引一部分作為再生氣，經過加熱、再生、冷卻、分離、增壓反輸至原料氣中，整個過程再生氣沒有絲毫浪費，真正實現天然氣零排放工藝。由于采用干氣再生，再生氣不含水，天然氣的水露點較低，天然氣的水露點可以達到-60 ℃ 以下。

2.3 脫水工藝指標的比較

1)水露點不同

相比較干氣再生工藝，濕氣再生工藝因為采用濕氣作為再生氣，濕氣中含有水分，分子篩在冷吹過程中，分子篩與濕氣中的水蒸氣達到氣固平衡狀態。經過計算，濕氣再生工藝處理的天然氣常壓水露點一般為-50～-55 ℃。

2)天然氣密閉循環

濕氣再生工藝為降壓密閉循環，再生氣從加熱、再生、降溫、分離的整個過程為密閉循環，再生氣一直循環使用；干氣再生工藝為開式工藝，再生氣經加熱、再生、降溫、分離、增壓后進入原料氣。

濕氣再生工藝再生過程開始時，將需要再生干燥塔內天然氣放空，降低天然氣壓力，造成天然氣排放；而干氣再生工藝，直接用脫過水的干氣作為再生氣，處理過的再生氣被壓縮機增壓，進入到原料氣，沒有絲毫天然氣排放。

例如，某CNG加氣母站，采用濕氣再生分子篩脫水工藝，原料氣壓力 5.2 MPa，分子篩干燥塔的體積為 1.6 m3，每天分子篩吸附周期為 8 h。每次分子篩再生時，分子篩干燥塔內的天然氣降壓放空，每次需排放 80 m3天然氣，每天按照 16 h 工作時間計算，則該加氣母站每天放空達到 160 m3天然氣,每年排放天然氣量達到 56000 m3。天然氣價格按照2.1元/m3計算，該加氣母站每年多增加損耗11.76萬元。天然氣的定期排放，對加氣母站的安全，以及當地環境形成安全隱患，采用干氣再生工藝，則避免了上述弊端。

3)再生氣壓縮機

干氣再生工藝中的再生氣與原料氣壓力相等，如果原料氣壓力較高，超過 4.0 MPa，再生工藝管道就需要選用高溫管材。因為再生氣溫度超過 250 ℃，操作壓力較高，普通碳鋼管道許用應力降低，容易形成泄漏事故。

干氣再生工藝中的壓縮機，再生氣進口壓力與原料氣相同，但是壓縮機出口僅僅增壓 0.2 MPa，造成壓縮機的壓比特別小，致使再生氣壓縮機選型特別困難；而濕氣再生工藝，選用普通的羅茨鼓風機即可滿足要求。

濕氣再生脫水工藝過程中，整個系統壓力降低，氣水分離器中操作壓力 0.15 MPa 左右，容易造成分離出的水從氣水分離器不易排出，致使氣水分離器堵塞，使整個脫水系統不能正常工作，嚴重影響加氣母站的正常生產運營。

4)投資費用

濕氣再生脫水工藝與干氣再生脫水工藝相比，原料氣壓力低于 1.2 MPa，二種工藝在滿足水露點要求前提下，投資相差不大，干氣再生脫水工藝略高于濕氣再生脫水工藝；原料氣壓力高于 4.0 MPa，干氣再生脫水工藝比濕氣再生脫水工藝投資高10%以上。

3 結論

通過對濕氣再生工藝與干氣再生工藝比較，濕氣再生工藝設備較少、操作簡單、投資較少，天然氣常壓水露點-50～-55 ℃，因此應用在處理規模較小的加氣母站，以及溫度相對較高的地區。干氣再生工藝結構復雜，投資較多，但是天然氣水露點可以達到-60 ℃ 以上，在規模較大以及氣候嚴寒地區的CNG加氣母站應用較為廣泛。