天然气脱水方法综述

刘建勋 宁雯宇

摘 要：目前，国内天然气行业正进入高速发展的历史新格局，天然气的高效开发和利用已成为未来能源发展的新课题。所以，未来天然气高效脱水技术将是一个重要的研究方向。现阶段工业上天然气脱水方法主要有：三甘醇脱水（TEG）、分子筛脱水、低温脱水。近年来膜分离和超音速这两种新型技术正日益受到人们的关注，发展迅速。这两种新技术在天然气脱水方面具有结构简单、能耗低、运行维护费用小、操作简单、污染小等特点。从根本上弥补了以往天然气脱水技术系统复杂、体积庞大、高能耗、维护费用高、污染大的特点。未来以膜、超音速脱水为代表的新技术将会有很大的发展空间。

关 键 词：天然气；膜脱水；超音速； 高效

中图分类号：TE 624 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2015）07-1548-02

Natural Gas Dehydration Methods

LIU Jian-xun，NING Wen-yu

（China University of Petroleum， Beijing 102249，China）

Abstract： At present， domestic natural gas industry is entering a stage of rapid development， and efficient development and utilization of natural gas has become a new topic of future energy development. The highly efficient gas dehydration technology is an important part of the effective use of natural gas. Now industrial gas dehydration methods include TEG dehydration （TEG）， molecular sieve dehydration and low temperature dehydration. In recent years， the membrane separation and supersonic method are drawing people's attention. These two new technologies have many characteristics， such as simple structure， low energy consumption， low operation and maintenance cost， and low pollution. The new film and supersonic dehydration technologies will be a great space for development.

Key words： Natural gas； Membrane dehydration； Supersonic； Efficient

改革開放以来，我国的石油天然气行业得到了大力发展，人们的消费意识也不断增强，彻底摆脱了自给自足的生产模式，致使天然气的需求也日益增长。美国的天然气消费量高达6 200亿m3/a，全世界天然气的总消费量达到95 000亿m3/a，而我国2012年天然气的表观消费量达到了1 475亿m3，预计到2020年天然气需求量将达到3 000亿m3。可以预见，未来的5～10 a将是我国的天然气行业蓬勃发展的新时期。天然气高速发展的同时，随之而来的环境问题也必须引起人们的关注，由此未来天然气净化处理行业也会也来越受到人们的重视，其在天然气工业中的地位也会越来越重要，这必将增大国家在天然气净化行业中的投入。

1 天然气脱水的必要性

从地下储气层中开采出来的天然气往往含有水和水蒸气等有害物质，在对其输送之前，必须要进行相应的处理，以及防止天然气中的水蒸气在输送过程中冷凝液化成液态水进而形成水合物，造成管道、仪表的堵塞，同时天然气管道中的液态水积聚在管低洼处，还会降低管道的输送能力，增加输送成本；管道中的酸性气体如，等溶于水中将形成酸液，还会引起管道内壁的腐蚀，因此在对其输送使用之前必须进行相关的处理，以达到相关规范的要求。目前，天然气净化方法包括：分离和过滤、冷凝分离、吸附法、吸收法、直接转化法和综合法等。而应用最多的三种方法是：三甘醇（TEG）脱水、分子筛脱水、低温脱水。近年来以膜分离和超音速法脱水为代表的新型脱水技术正日益受到人们的关注，相信这些新技术在不远的将来颠覆以往的天然气脱水技术。

2 天然气脱水方法

2.1 三甘醇脱水

三甘醇脱水属于溶剂吸收法的范畴，目前是天然气行业中应用最广泛的脱水技术。其工艺设备主要包括：吸收塔、再生塔、贫富液交换器、闪蒸罐及换热器等[1]。三甘醇法稳定性好、易再生、脱水后天然气露点至少可以降低-55 ℃。目前美国使用的天然气脱水工艺中，三甘醇法脱水占到大约85%，而海上天然气平台脱水占得比例更高，达到了95% [2]。

虽然就目前来看，TEG技术占得比例很大，但是这种方法尚且存在一些问题主要是：系统比较复杂；TEG溶液再生能耗大；易被污染损失大，需要及时补充和净化， Ghiasi[3]用神经网络的方法对TEG的纯度进行了预测；易被氧化生成强腐蚀性的有机酸；TEG脱水设备庞大，系统复杂维修不便；其次目前使用的撬装结构多为进口，虽然性能稳定但是投资和运行成本比较高，消耗品价格昂贵。因此三甘醇脱水比较适合较大规模的天然气脱水，小规模的天然气处理厂很难支付高额的维护费用，目前这种技术主要应用于集气站等大型天然气处理厂[4]。

2.2 分子筛

天然气常用的固体干燥剂包括：活性氧化铝、硅胶和分子筛。其中分子筛较另外两种更为常用，分子筛脱水类似三甘醇同属于物理方法，主要依靠其内部的丰富的孔洞实现对天然气的脱水，该项脱水技术较为成熟，而且分子筛设备简单操作方便 ，在国内外被广泛应用。

分子筛吸附脱水主要是利用其内部孔道、空腔依靠分子引力和热扩散原理实现对天然气中水的吸附进而除掉天然气气体混合物中的水蒸气。常用的分子筛有 3A型、4A 型和 5A 型。按照再生压力对分子筛进行分类，可分为变温再生（TSA）和变压再生（PSA）两大类[5]。传统的分子筛的吸附表面积较大，具有高效的吸附容量，寿命较长，有较高的吸附能力组分不易被破坏，再生能力强，所需原料价格低廉、货源充足等特性，得到了较广泛的应用。但分子筛脱水装置的能耗通常较高，特别是对于处理量较小的装置。由于分子筛脱水之后能使天然气露点能降低到-73 ℃，甚至-100 ℃，故其多用于天然气液化前的脱水工艺中。分子筛脱水的主要缺点：1）设备投资和操作费用比较大，达到相同露点时，建设一座处理量 / 的处理站，其投资比 TEG 法高出将近53%[6]；2）能耗大，吸附剂难以实现再生需要经常更换；3）分子筛的再生、回收困难[7]。

2.3 低温冷凝

该技术主要是利用膨胀降温达到脱水目的，属于物理法脱水。传统的方法是使气体经绝热可逆膨胀致使温度降低，使气态水冷凝液化后分离出来。其工艺流程包括：热交换、气液分离、制冷和排液四部分。目前，天然气行业中比较常见的设备是 J-T 阀和透平膨胀机。对于高压天然气这种方法是最经济合理的，并且已经在国内得到广泛应用。长庆采气二厂、塔里木克拉2等均采用该方法[8]，但是由于气体膨胀节流后，其温度往往会低于水合物形成温度，因此应用该方法进行节流脱水时，需注入乙二醇抑制剂来抑制水合物的形成。另外低温冷凝分离法的能耗费用比三甘醇脫水还要高，设备复杂投资比较大，这些都是制约其发展的主要因素。

2.4 膜脱水

近20多年来，膜分离技术作为一种新型的气体分离处理手段，凭借其设备简单、能耗小、分离效率高、自动化及卫生程度高等优点，已经逐步被人们所重视，并且已经开始代替传统的脱水方法。膜分离技术主要是利用半透膜的选择性机理，目前工业中用到的主要是中空纤维膜[9]。膜分离法在天然气脱水中有其独特的优点，未来的发展潜力巨大，但是从目前应用情况来看， 至今尚未能在工业上得到广泛的采用，可以说膜法脱水技术在天然气行业的应用范围还较窄，而且规模不大。

就目前情况来看，现阶段膜分离技术仍然要向基础研究方面侧重，高性能膜材料的研制仍然是首要问题，气体膜分离技术将会是未来天然气脱水技术的一个重要分支，如何与传统脱水工艺结合，实现最优组合和最低投资，达到相互促进将是未来膜技术的有一个新的发展方向。

2.5 超音速

超音速分离器具有良好的脱水性能；在无需任何外界物质的条件下，其最大露点降约为20 ℃。超音速技术最早应用Laval喷管进行空调制冷，Shell 公司于 1997 年开始研发超音速脱水技术，之后的几年一直是Stork Product Engineering 、Shell及TU/e等在进行基础研究[10]。超音速分离器具有紧凑的高压系统能够选择性的出去天然气中的水分，并且不影响气体中烃类的含量。不仅如此，文献[11]利用湿空气作为工作流体进行了反复试验，结果发现超音速分离器的分离效率可达到94%左右。

超音速分离技术可以说是目前比较新颖的天然气脱水净化技术，虽然目前并未大规模的投入使用，但是在笔者看来未来的5～10 a这种技术将被广泛的应用到各大天然气处理厂[12]。同常规脱水技术相比，具有设备结构简单、投资小、效率高、对气体无污染、不会形成水合物且对环境无污染等优点，但是其缺点是压力损失过大。由于我国天然气开采具有压降快和流量变化大的特点，超音速脱水技术在我国的应用还存在一定的问题，有待于进一步改进。（下转第1552页）