壓縮天然氣加氣站脫水裝置的選擇

    在地球上水分子無處不在，天然氣中含有程度不同的水分。從GB 5832．2--2008《氣體中微量水分的測定第2部分：露點(diǎn)法》附錄中，可知即使在一100℃、大氣壓下的飽和空氣中，仍然有0.010 39 mg/m³的水以水蒸氣狀態(tài)存在。在很多工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中，水是必須去除的有害組分。

    天然氣中含有水、硫化氫、二氧化碳等有害組分，對這些組分必須進(jìn)行控制。天然氣中有害組分控制要求和國內(nèi)主要管道天然氣的有害組分參數(shù)見表l。從表1可以看到，我國車用天然氣標(biāo)準(zhǔn)GB18047--2000《車用壓縮天然氣》對水分、硫化氫的要求怛J，要高于城市管道天然氣的標(biāo)準(zhǔn)GB 17820—1999《天然氣》。各條長輸管道天然氣實(shí)際的水分、硫化氫、二氧化碳等有害組分的控制結(jié)果也各不相同。

表1  天然氣中有害組分的控制要求和國內(nèi)主要管道天然氣的有害組分參數(shù)

 

續(xù)表1

 

    未經(jīng)處理的天然氣中所含有的水分、硫和其他雜質(zhì)，不僅會影響天然氣的熱值及辛烷值，還會影響管道、加氣站設(shè)備和天然氣汽車的安全。當(dāng)水分子處于氣體狀態(tài)時，天然氣中的硫化氫、二氧化碳對于處理和儲存天然氣的設(shè)備無害或者危害極小，可以忽略不計(jì)。當(dāng)氣態(tài)的水分子一旦凝結(jié)成液體后，便和硫化氫、二氧化碳形成酸性的腐蝕性液體，給設(shè)備的長期運(yùn)行帶來安全隱患。另外，水分的存在也會直接導(dǎo)致加氣站設(shè)備(如加氣機(jī)等)在運(yùn)行中出現(xiàn)冰堵等故障，影響正常生產(chǎn)。

    天然氣中的水分脫除是加氣站建設(shè)中一項(xiàng)重要的工藝過程，它對加氣站的安全運(yùn)行和CNG汽車的安全行駛起著至關(guān)重要的作用。因此合理地選擇天然氣脫水裝置成為壓縮天然氣加氣站建設(shè)中一項(xiàng)不可忽視的工作。

    目前用于工業(yè)上的氣體水分脫除方法主要有加壓冷卻、冷凍降溫分離、膜分離、吸收、物理吸附等方法。

    加壓冷卻和冷凍降溫分離的原理相同，都是通過使氣體中水蒸氣的分壓力超過其當(dāng)時溫度下的飽和壓力，導(dǎo)致水蒸氣凝結(jié)成液態(tài)水，再通過機(jī)械分離的方法將液態(tài)水排除，以降低氣體中的水分含量。兩者的不同之處在于加壓冷卻是采用壓縮機(jī)將氣體壓力提升到適當(dāng)?shù)闹�，然后將壓縮后的氣體再冷卻到接近常溫；當(dāng)水蒸氣的分壓力超過其溫度下的飽和壓力時，一部分水蒸氣便凝結(jié)成液體；隨著氣體水分子的凝結(jié)，水蒸氣分壓力也隨之下降，直到與該溫度下的飽和壓力相等，氣態(tài)的水蒸氣分子不再凝結(jié)；然后，用機(jī)械的方法排除凝結(jié)水，再將氣體減壓膨脹到所需的壓力，氣體由此得到干燥。而冷凍降溫分離則利用冷凍機(jī)冷卻氣體，隨著溫度的降低，水蒸氣的飽和壓力也逐漸下降，直到低于水蒸氣的分壓力，水蒸氣便凝結(jié)成液體，被排出系統(tǒng)。氣體溫度越低，從水蒸氣凝結(jié)的液態(tài)水也越多，氣體干燥的程度也越高。冷凍降溫法僅適用于干燥度要求不高的工業(yè)氣體，如壓縮空氣等。

    膜分離利用氣體組分在有機(jī)高聚合物膜內(nèi)的滲透能力、擴(kuò)散速度不同，以壓力或化學(xué)位能為推動力，達(dá)到分離水分或某種組分的目的。膜式干燥器目前可將氣體的水露點(diǎn)降低20—30℃。由于氣體通過中空的纖維膜時，水分子或某種特定組分是依靠分子的滲透率及擴(kuò)散速度差實(shí)現(xiàn)分離，因此過程中不需要耗電。膜分離目前主要應(yīng)用于壓縮空氣的干燥及化工領(lǐng)域的氣體分離。

    吸收分離法主要是利用甘醇類物質(zhì)的吸水性，通過洗淋等方法將氣體中的水分吸收，達(dá)到干燥氣體的目的，可使氣體水露點(diǎn)降低28—42℃，適用于大流量、水分含量較高的氣體的干燥。

    吸附分離是一種非相變狀態(tài)下的組分在吸附劑微孔表面的富集，其機(jī)理是在兩相界面上，因異相分子間作用力與主體分子問作用力不同，導(dǎo)致相界面上流體分子密度不同于主體密度而產(chǎn)生吸附作用。多孔介質(zhì)顆粒吸附劑擁有大量的微孔，具有較大的比表面積(400～1 000 m2／g)，見表2，適合于不同類型的吸附分離過程。工業(yè)用多孔介質(zhì)顆粒吸附劑的性能參數(shù)見表2。

 

 

    目前常用于加氣站天然氣脫水的吸附劑主要是人工合成的分子篩，如鉀A型分子篩、鈉A型分子篩。

    當(dāng)前國內(nèi)外主要的天然氣深度脫水裝置，是利用合成氟石分子篩對氣體中的水蒸氣分子的強(qiáng)烈吸附作用，達(dá)到深度脫水的目的。

    合成氟石分子篩是一種有嚴(yán)格骨架結(jié)構(gòu)的硅鋁酸鹽晶體，其硅鋁四面體形成的內(nèi)部骨架具有三維連通的無數(shù)微孔，是一種孔徑大小均一的強(qiáng)極性吸附劑，具有很高的選擇吸附分離能力。隨著硅鋁比的增加，分子篩的極性逐漸降低，因此低硅鋁比的分子篩具有更強(qiáng)烈的吸附水分的能力，適合于氣體的深度脫水。

    分子篩是壓縮天然氣常用的高效脫水劑，其主要優(yōu)點(diǎn)如下：

  ①分子篩可以使氣體深度脫水。在通常情況下，它的吸附量比其他吸附劑高，因而可以縮小干燥塔的尺寸，節(jié)約資金。

  ②分子篩在較高溫度下也能有效地干燥氣體。

    ③分子篩能選擇性地吸附水分，避免發(fā)生重?zé)N類共吸附而使吸附劑失效。

    ④分子篩不易被液態(tài)水損壞，而硅膠等吸附劑遇水則容易破脆。

    按不同的分子結(jié)晶結(jié)構(gòu)和不同的交換金屬離子，分子篩微孔孔徑的大小也各異。如鉀A型分子篩的有效孔徑為0.30—0.33 nm，稱為3A型分子篩；鈉A型分子篩的有效孔徑為0.42～0.47 nm，稱為4A型分子篩。天然氣脫水多用4A型分子篩。

    當(dāng)氣體通過分子篩床層時，氣體中的水蒸氣分子隨氣流進(jìn)入分子篩內(nèi)部的孔道。由于水分子屬于強(qiáng)極性分子，因此被吸附在孔道上不再隨氣體流動；而甲烷等烴類氣體屬于非極性分子，會順利通過，氣體從而得到干燥。

    隨著吸附塔內(nèi)的分子篩吸附的水分增加，分子篩對水分子的吸附能力也逐漸下降，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定值時，吸附塔出口的氣體中的水分子就會超過規(guī)定值，說明該塔內(nèi)的分子篩已吸附飽和。此時，必須對該吸附塔內(nèi)的分子篩進(jìn)行再生。

    再生流程就是將分子篩微孔內(nèi)吸附的水分子驅(qū)逐出去，使分子篩重新活化的過程。再生流程的設(shè)計(jì)對于干燥器的連續(xù)運(yùn)行至關(guān)重要。作為吸附水分的分子篩填裝塔體，不論選取了多大的設(shè)計(jì)余度，分子篩終究會飽和，失去吸附水分的能力。因此，選擇合理的再生流程和參數(shù)成為干燥器設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。一個合理的再生流程可以做到用盡可能少的消耗(電加熱功率、氣體耗損率)，達(dá)到有效再生的目的。

    吸附劑的再生方法主要有降壓再生法、電熱再生法、將降壓與電熱結(jié)合的降壓電熱再生法。在某些領(lǐng)域，還有采用降壓再生法的變種——真空再生法。根據(jù)再生氣流的流動方式，分為開式再生法和閉式循環(huán)再生法。

    開式再生法是將脫水后的氣體減壓后，先加熱或者不加熱(無熱再生)，再通過吸附塔將分子篩上吸附的水分帶走，再排出干燥器外。根據(jù)再生氣體的價值高低，分為回收和不回收兩種。對于空氣等廉價氣體，一般是排出到大氣中，不再回收；而對于天然氣等氣體，則該部分氣體必須回收，一般是放回進(jìn)氣管路。   

閉式循環(huán)再生時，通過循環(huán)風(fēng)機(jī)，氣體被加熱后反向流動(與分子篩吸附水分時的氣流方向逆向流動)通過吸附塔，將吸附塔內(nèi)分子篩微孔表面所吸附的水分子帶走，分子篩便重新獲得吸附能力。

開式再生法和閉式循環(huán)再生法各有優(yōu)缺點(diǎn)，分別應(yīng)用于不同的領(lǐng)域。

    天然氣干燥器采用雙吸附塔(A塔和B塔)并聯(lián)工作方式。當(dāng)一個塔工作，即脫去氣體中的水分時，另一個塔活化再生。除了電控箱設(shè)置在操作室，干燥器的其余部件均集中安裝在同一橇體上，用管道、閥門、電纜等聯(lián)成整體，以方便運(yùn)輸、安裝、操作、控制。

    一般地，前置式天然氣干燥器最主要的優(yōu)點(diǎn)是在壓縮前將天然氣中存在的水分脫除，給天然氣壓縮機(jī)提供較好品質(zhì)的天然氣，延長壓縮機(jī)氣閥、活塞環(huán)、填料函等運(yùn)動密封件的使用壽命。另一方面，由于大多數(shù)的管輸天然氣在長距離集輸前，經(jīng)過了相當(dāng)程度的凈化，其中的水分含量很低，此時采用前置式干燥器，由于天然氣壓力較低，整個脫水系統(tǒng)壓力等級較低，設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)、運(yùn)行、維護(hù)管理都較簡便，一次性投資費(fèi)用少。因此，實(shí)際運(yùn)行成本較低 (特別是在加氣母站運(yùn)行的干燥器)，這也是大部分的天然氣加氣站采用前置式干燥器的重要原因之一。

    閉式循環(huán)再生干燥器工藝流程見圖l。利用兩組閥門(A塔側(cè)的切換閥A_1～4和B塔側(cè)的切換閥

B_1～4)的開啟或關(guān)閉組合，使天然氣在從循環(huán)風(fēng)機(jī)，經(jīng)過加熱器，到吸附塔(A塔或B塔)，再通過冷卻器、分離器，最后又回到循環(huán)風(fēng)機(jī)，形成封閉循環(huán)的氣流。此循環(huán)中的天然氣即是再生氣，功能是將吸附在塔內(nèi)分子篩內(nèi)孔壁面上的水分子帶出吸附塔。

    假設(shè)A塔工作，B塔再生，其工藝流程如下：當(dāng)A塔工作時，濕氣體經(jīng)穩(wěn)壓罐穩(wěn)壓后，經(jīng)過人口過濾器和切換閥A。進(jìn)入干燥器的A塔脫水干燥。脫水后的干燥氣體由上端出氣，經(jīng)過濾器后匯人壓縮機(jī)進(jìn)氣總管。另一塔(B塔)則通過閥門的開啟、關(guān)閉與循環(huán)風(fēng)機(jī)、冷卻器、加熱器等組成一個閉式循環(huán)回路。再生時，循環(huán)風(fēng)機(jī)將氣體送往加熱器加熱至一定溫度，然后進(jìn)入B塔吹洗吸附劑，使其獲得活化再生。A塔與B塔的吸附一再生過程交替進(jìn)行，自動切換，供氣過程得以連續(xù)不斷。

    由于分子篩內(nèi)部的微孔壁面對水分子類的極性分子有著強(qiáng)烈的吸附力，再生時，水分子需要獲得足夠的能量，才能掙脫這種分子間的吸附力。因此再生氣在進(jìn)入吸附塔前，需要被加熱到一定溫度，通常是200～300℃，其目的是：將能量通過熱交換傳遞給水分子和分子篩；通過提高再生氣的溫度，以降低再生氣的相對濕度，使其獲得攜帶水蒸氣分子的能力，將分子篩內(nèi)解吸出來的水分子帶出吸附塔，實(shí)現(xiàn)再生的目的。

    出塔后的再生氣，溫度較高，攜帶了大量的水蒸氣，在冷卻器中冷卻后，水蒸氣凝結(jié)成液態(tài)水，通過分離器分離后排出。

    閉式再生循環(huán)中實(shí)現(xiàn)氣體循環(huán)的動力來自于循環(huán)風(fēng)機(jī)，它是干燥器能否實(shí)現(xiàn)分子篩再生的關(guān)鍵。目前廣泛使用的是羅茨鼓風(fēng)機(jī)，主要應(yīng)用于鼓風(fēng)壓力不超過0.1 MPa的工業(yè)領(lǐng)域。采用羅茨鼓風(fēng)機(jī)作為循環(huán)動力時，需選用帶機(jī)械密封的天然氣專用型，以防止?jié)櫥�油進(jìn)入機(jī)殼，污染分子篩。

后置式天然氣干燥器實(shí)際上是加壓冷卻脫水法和吸附分離法的串聯(lián)應(yīng)用。．先利用壓縮機(jī)在逐級的壓縮一冷卻過程中，將天然氣中的大量水分脫出，再采用吸附分離法進(jìn)行深度干燥。由于天然氣在壓縮過程中已脫出了其原始含水量中95％以上的水分，因此，與前置干燥器相比，同等處理量的后置干燥器具有更小的體積，其電加熱功率也較低。

  在某些特定區(qū)域，如川、渝地區(qū)油氣田，天然氣意進(jìn)行處理，天然氣中的水分含量不穩(wěn)定，且氣體中丕含有大量的有害雜質(zhì)。1989年，后置式天然氣干桑器應(yīng)用在我國第一個采用國產(chǎn)設(shè)備的四川榮縣天寒氣加氣站。可見，采用后置式天然氣干燥器****l勺優(yōu)點(diǎn)是，對氣源天然氣的品質(zhì)要求不高，因而特別舌合于水分含量不確定或需要在進(jìn)站前脫除硫化氫向場所。

  關(guān)于硫化氫的脫除，目前對于管道天然氣主要黽采用化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化法：

    Fe₂0₃+3H₂S+H₂0=Fe₂S₃·H₂0+3H₂0

     可見在脫硫過程中，干燥的管道天然氣被重新加濕。此時若采用前置式脫水裝置，其造價和運(yùn)行費(fèi)用將遠(yuǎn)高于同等處理量的后置式干燥器，因此后置式天然氣干燥器成為主要的選擇。

    后置式天然氣干燥器在進(jìn)行脫水前先濾除從壓縮機(jī)中帶出來的潤滑油，因此干燥后的氣體不再需要進(jìn)行處理，且氣體脫水程度更高，常壓下水露點(diǎn)可以達(dá)到一80℃。

     在圖2的流程中，再生氣有兩個出口，根據(jù)不同情況分別采用其中一種。對于空氣等低價值氣體，通常是將再生氣放空處理，以降低處理成本；而對于天然氣等高價值氣體，則將再生氣回流到壓縮機(jī)前的進(jìn)氣管道中，將其回收，重新壓縮、干燥。

    回收的天然氣雖然回到壓縮機(jī)的進(jìn)氣管道進(jìn)行重新壓縮、干燥，但在此并不是一個簡單的循環(huán)。出塔的再生氣在冷卻器、分離器中將凝結(jié)水分離出系統(tǒng)后，變成了飽和氣。在重新壓縮的過程中，其中的絕大部分水分冷凝而被排出壓縮機(jī)外。此外，由于再生氣的體積流量只占壓縮機(jī)進(jìn)氣體積流量的3％左右，再次進(jìn)入干燥器的再生氣攜帶的水分只占原始含水量的O.6％～0.9％。因此采用此方法回收的天然氣，不會形成循環(huán)干燥。

    對后置干燥器運(yùn)行成本影響****的是再生氣。再生氣的選取可采用兩種方式(見圖2)：干燥后的成品氣，從其他氣源取氣。

    由于再生氣需要干燥器處理量(體積流量)的3％左右的氣體，而天然氣的壓縮所耗電費(fèi)大約為0.11形m。，因此消耗的成品氣意味著運(yùn)行成本的增加。對于一座日產(chǎn)15 000 m3／d的標(biāo)準(zhǔn)站，按3％的耗氣率計(jì)算的再生氣消耗的電費(fèi)約為1.8×10⁴形a。為了降低這部分運(yùn)行費(fèi)用，便產(chǎn)生了采用其他氣源的干燥方式。

    對于其他氣源的選取，目前主要的方法是從壓縮機(jī)的一級壓縮后的管道上引出少量天然氣，經(jīng)過加熱后作為再生氣體。由于天然氣只經(jīng)過了一級壓縮，消耗的電力也相應(yīng)減少。對于四級壓縮的壓縮機(jī)，如果按等壓力比分配各級的壓縮比，則每級消耗的電能在理論上相等，采用一級壓縮后引出的再生氣，消耗的電費(fèi)只有采用引自成品氣的再生氣的23％。

    對于天然氣進(jìn)氣壓力較高、擁有較低壓力的城市管網(wǎng)的天然氣公司，可以直接采用進(jìn)站的天然氣作為再生氣，完成再生流程后再進(jìn)入城市管網(wǎng)。此方式既消除了對壓縮機(jī)供氣量的消耗，增加了售氣量，又沒有消耗壓縮電費(fèi)，是最經(jīng)濟(jì)的再生方式。

    另一方面，由于管道天然氣的含水量較高，而一級壓縮后的天然氣在冷卻后屬于飽和氣體，均不適于作為冷卻再生塔的氣體，因此在冷卻再生塔的過程中，仍然需要從成品氣中引出冷卻氣體，這便帶來了成本的升高以及運(yùn)行操作的復(fù)雜性。因此綜合各方面的情況，目前工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的仍是采用引白成品氣的再生方式。

    關(guān)于加熱器的選擇，理論上加熱器采用壓縮機(jī)的某級級間壓縮后的熱量作為熱源是最經(jīng)濟(jì)的方式，此時只需要補(bǔ)充很少的熱能甚至不補(bǔ)充熱能即可以滿足再生氣的加熱需要。但是，由于在實(shí)際運(yùn)行和操作中需要考慮的因素較多，實(shí)現(xiàn)這種方式加熱的實(shí)例極少，廣泛應(yīng)用的仍是電加熱方式。

同一處理量的干燥器，在外形尺寸、技術(shù)指標(biāo)和能耗上相差較大，這主要是由于各廠家的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和加熱方式不同所致。

    對前置式天然氣干燥器影響****的因素是進(jìn)站的天然氣的水含量。前置式干燥器的設(shè)計(jì)是根據(jù)處理氣體的流量和其中的水含量，吸附塔的尺寸確定后，其水分吸附量便基本確定。如果進(jìn)站的管道天然氣的水含量超出了干燥器的額定值，干燥器的連續(xù)工作時間便開始下降。當(dāng)連續(xù)工作時間少于干燥器的再生時問，干燥器運(yùn)行便面臨兩個選擇：①將再生不徹底的吸附塔投入脫水工作'后果是要么該吸附塔的連續(xù)工作時問更短，要么其出口的天然氣不能達(dá)到規(guī)定的露點(diǎn)要求。②無視不合格的天然氣進(jìn)入壓縮機(jī)，等待另一個塔再生完成后，再轉(zhuǎn)換將其投

入脫水工作。

    天然氣干燥器的工作壓力也影響到干燥器吸附塔的尺寸設(shè)計(jì)。壓力越低，同等氣體的體積越大，其要求的管道和吸附塔尺寸也越大。當(dāng)采用在較高壓力下進(jìn)行再生循環(huán)時，其工作壓力大幅度變化的影響非常顯著，特別當(dāng)工作壓力遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值時，其再生循環(huán)時間會大幅度延長。

    壓縮機(jī)最后一級壓縮后的天然氣冷卻溫度是影響后置式天然氣干燥器的最主要因素。由于我國沒有專門的天然氣干燥器標(biāo)準(zhǔn)，因此在設(shè)計(jì)后置式干燥器時，一般可參考GB／T 10893—1989《壓縮空氣干燥器規(guī)范與試驗(yàn)》，以40℃時的天然氣絕對濕度作為后置式干燥器進(jìn)氣水含量。

    飽和水蒸氣的參數(shù)見表3�？梢钥吹�，40℃的氣體，即使溫度變化5℃，其飽和絕對濕度的變化也在一22.5％一28.1％；當(dāng)氣體的溫度從40℃上升，到50 cC時，其飽和絕對濕度增加了62.3％；反之當(dāng)溫度下降，到30℃時，飽和絕對濕度僅下降了40.6％。

    由此可見，降低壓縮機(jī)排出的天然氣溫度對于后置干燥器有著非常重要的意義。其措施包括選用大的后冷卻器，對冷卻水進(jìn)行軟化及滅藻等凈化處理，選用高品質(zhì)的循環(huán)風(fēng)機(jī)和冷卻器，定期清洗冷卻器等。

表3飽和水蒸氣參數(shù)

 

    影響后置式干燥器正常運(yùn)行的另一個重要因素是過濾天然氣中含有的潤滑油(從壓縮機(jī)中帶來的潤滑油)的能力。雖然分子篩不吸附重?zé)N，且其微孔孔徑較小，重?zé)N和潤滑油不能進(jìn)入微孔，但是潤滑油可以附著于分子篩表面，堵塞通向分子篩內(nèi)部的通道，使水分子不能進(jìn)入，由此造成分子篩失去吸附水分的能力，即分子篩中毒。

    因此在天然氣進(jìn)入吸附塔前將天然氣中所含潤滑油濾除，成為影響干燥器分子篩壽命的一個重要因素。目前國內(nèi)一般的后置式天然氣干燥器的分子篩壽命在3～6個月，視壓縮機(jī)排氣溫度、干燥器的設(shè)計(jì)與操作的差異而不同。

    隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國的能源對外依賴程度迅速加大，僅2008年1月一11月就進(jìn)口了約1.98×10⁸t原油和成品油。鑒于我國嚴(yán)峻的能源形勢，大力發(fā)展石油的替代能源是我國的長期國策。天然氣汽車在我國是一個新興產(chǎn)業(yè)，有著良好的發(fā)展前景。我們也應(yīng)該看到，作為汽車加氣站的重要設(shè)備，國內(nèi)的天然氣干燥器雖經(jīng)過多年的發(fā)展，但目前還存在著能耗高、可靠性差、無故障工作時間短、脫水程度不達(dá)標(biāo)、自動化程度低等問題。

    進(jìn)一步優(yōu)化干燥器的再生工藝流程和參數(shù)，降低干燥器運(yùn)行本身的能耗，提高自動化系統(tǒng)的可靠性，除去天然氣中潤滑油霧，延長分子篩壽命等是我國今后一段時期干燥器的主要研究方向。相信隨著我國工業(yè)基礎(chǔ)水平的不斷提高，我國天然氣脫水技術(shù)必將邁上一個新的臺階。