摘　要：江西省天然氣一期管網(wǎng)工程CNG加氣母站的分子篩再生后吸附能力無法恢復(fù)，導(dǎo)致天然氣脫水后的含水量超出國家標(biāo)準(zhǔn)，影響了設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)行和對(duì)下游用戶的正常供氣。分析了脫水裝置設(shè)計(jì)參數(shù)與工況參數(shù)之間存在的偏差，以及脫水裝置工藝流程的缺陷。根據(jù)分析結(jié)果，將脫水裝置的再生流程由雙塔開式循環(huán)改造為單塔閉式減壓循環(huán)。加氣母站干燥器單塔吸附周期由改造前的5h增加至改造后的136h，吸附能力顯著提高，同時(shí)降低了再生成本。該改造方案可為同行業(yè)類似問題的處理提供借鑒。

關(guān)鍵詞：壓縮天然氣；脫水裝置；水露點(diǎn)；改造方案

脫水是天然氣處理的重要工藝之一，特別是在壓縮天然氣（CNG）的生產(chǎn)過程中顯得尤為重要。因?yàn)橐坏┻M(jìn)入壓縮機(jī)的原料氣含水量超標(biāo)，輕則造成下游管道冰堵，重則液態(tài)水與壓縮天然氣中的化合物結(jié)合，腐蝕高壓不銹鋼管路內(nèi)壁，產(chǎn)生氫脆現(xiàn)象或壓縮機(jī)氣閥因液擊而損壞等后果。這不僅影響壓縮機(jī)自身的安全運(yùn)行，而且不能確保對(duì)管網(wǎng)下游用戶的正常供氣。

1 工藝流程

江西省天然氣一期管網(wǎng)工程CNG加氣母站項(xiàng)目使用的前置脫水裝置為雙塔流程，一塔吸附，一塔再生待機(jī)，其工作壓力2.5～4.0MPa，處理量10000m³/h。該脫裝置改造前的工藝流程^[1]為：干燥塔吸附時(shí)，通過塔內(nèi)的4A型分子篩吸附管道天然氣中所含的水分和部分烴，使壓縮后天然氣達(dá)到國家要求的露點(diǎn)；干燥塔再生時(shí)，天然氣經(jīng)循環(huán)風(fēng)機(jī)帶動(dòng)進(jìn)入加熱器進(jìn)行加熱，當(dāng)冷卻器入口的天然氣溫度升至110℃時(shí)，加熱器停止工作，天然氣進(jìn)入干燥塔內(nèi)與分子篩進(jìn)行熱交換，隨著溫度升高，分子篩吸附的水分被再生熱氣帶出，然后經(jīng)過冷卻器的冷卻和分離器的分離過濾作用，將水分從再生氣里分離出來，恢復(fù)分子篩的吸附能力（圖1）。

2 技術(shù)缺陷分析

在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中，CNG加氣母站脫水裝置的分子篩再生后吸附能力無法恢復(fù)，甚至逐漸失去吸附水分的能力，造成天然氣經(jīng)干燥器脫水后的露點(diǎn)溫度始終無法達(dá)到國家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值（標(biāo)況下-60℃）^[2]。

2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)誤差

（1）干燥器在設(shè)計(jì)工藝條件下的入口含水量為115mg/m³，而CNG加氣母站運(yùn)行中脫水裝置的入口含水量因上游管網(wǎng)建設(shè)情況不同而存在較大差異，并且均偏離其設(shè)計(jì)工藝條件。

（2）干燥器系統(tǒng)運(yùn)行壓力為3.5～3.7MPa，亦對(duì)吸附塔再生效果存在一定影響。根據(jù)克勞修斯-克拉伯龍方程pV=nRT（其中：p為壓力，Pa；V為入口氣體體積，m³；n為物質(zhì)的量，mol；T為熱力學(xué)溫度，K；R為氣體常數(shù)）計(jì)算可得：在3.7MPa壓力下，水沸點(diǎn)值為245.75℃，而加熱器出口溫度設(shè)定值為200℃，存在因加熱時(shí)間相對(duì)較短，分子篩脫水深度不夠的問題。

2.2 工藝設(shè)計(jì)缺陷

（1）脫水裝置雙塔開式循環(huán)再生時(shí)，有一部分飽和濕氣因再生塔壓力上升而進(jìn)入吸附塔中，產(chǎn)生的危害有：①再生飽和濕氣進(jìn)入到吸附塔中，污染分子篩，增加其工作負(fù)荷量；②再生飽和濕氣進(jìn)入到吸附塔前，與干燥器進(jìn)氣交匯，冷凝出大量的水合物，積聚在前置過

濾器中，吸附過程中會(huì)增大原料氣的含水量。

（2）脫水裝置雙塔閉式循環(huán)再生時(shí)，常因系統(tǒng)壓力超高使再生被迫停止，即使減壓再生，吸附塔與再生塔會(huì)相互污染，無法獲得理想的再生效果。

3 技術(shù)改造方案及能耗分析

3.1 改造方案

（1）將干燥器的再生工藝流程由雙塔開式循環(huán)改為單塔閉式減壓循環(huán)（圖2），即將設(shè)備的吸附與再生過程完全分開，再生氣在再生系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行閉式循環(huán)，不再返回吸附系統(tǒng)。該方法可避免再生系統(tǒng)的水分進(jìn)入吸附系統(tǒng)污染其分子篩，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)在任意時(shí)間進(jìn)行再生。

（2）更換冷卻分離器的濾芯，將過濾的精度等級(jí)由3μm升級(jí)為0.01μm，提高氣液分離效率。

（3）改變干燥塔壓力時(shí)，應(yīng)緩慢增壓或減壓，避免擾動(dòng)吸附劑床層。如果塔內(nèi)壓力波動(dòng)較大，床層截面局部氣流過高，易引起床層的移動(dòng)和摩擦，因此壓力變化速度一般控制在240kPa/min以下^[3]。

（4）干燥器再生運(yùn)行時(shí)，如果僅追求較高的再生溫度和較長(zhǎng)的再生時(shí)間，雖然可提高再生分子篩的濕容量，但會(huì)縮短其有效壽命，同時(shí)增加再生的運(yùn)行能耗。因此，工藝改造后，需要合理分配再生階段的加熱時(shí)間和冷卻時(shí)間，若再生氣量和再生溫度一定，應(yīng)由熱平衡確定再生加熱時(shí)間。

3.2 能耗分析

脫水裝置再生工藝流程由雙塔開式循環(huán)改造為單塔閉式減壓循環(huán)后，解決了由于再生飽和濕氣與工藝來氣存在交匯點(diǎn)，致使冷凝出的水合物大量積聚在前置過濾器中，導(dǎo)致工藝來氣在進(jìn)入到吸附塔前含水量陡增的問題。改造后的脫水裝置較改造前吸附能力顯著提升，再生頻率大幅降低。與此同時(shí)，減少了再生過程中天然氣和電能的損耗，節(jié)能效果較為顯著。以目前江西省天然氣一期管網(wǎng)工程加氣母站年產(chǎn)量計(jì)算，每年可節(jié)省約10×10⁴元的生產(chǎn)成本（表1）。

4 技術(shù)改造量化對(duì)比

干燥器基本參數(shù)為：?jiǎn)嗡肿雍Y質(zhì)量450kg，設(shè)計(jì)處理量10000m³/h，設(shè)計(jì)吸附周期16h。為量化分析工藝改造前后生產(chǎn)參數(shù)的變化（表2），依據(jù)文獻(xiàn)^[4]，將國家規(guī)定標(biāo)況下壓縮天然氣的水露點(diǎn)－60℃換算成工況（3.6MPa）下的水露點(diǎn)為－30℃。

4.1 工藝來氣含水量的變化

根據(jù)上述已知條件計(jì)算可得，在吸附周期（處理天然氣，使其含水量符合國家標(biāo)準(zhǔn)的連續(xù)工作時(shí)間）內(nèi)，干燥塔最多可吸附45kg的水（分子篩動(dòng)態(tài)吸附量為靜態(tài)吸附量的10％）。由式（1）可得，改造前工藝來氣含水量908mg/m³，改造后工藝來氣含水量53mg/m³。

此外，工藝改造后干燥塔實(shí)際吸附天然氣100×10⁴m³后，吸附塔并未達(dá)到極限處理能力，對(duì)其進(jìn)行再生后排出25L的水合物（表2）。因此，綜合計(jì)算得到改造后工藝進(jìn)氣含水量的實(shí)際值為33mg/m³。

4.2 干燥塔吸附能力校驗(yàn)

技術(shù)改造后消除了脫水裝置的工藝缺陷，使天然氣含水量大幅縮減，分子篩的濕容積得到有效釋放，因此對(duì)干燥塔的吸附能力需重新評(píng)估^[5]。根據(jù)干燥器基本參數(shù)，可知改造后干燥塔工作一周期（16h）實(shí)際吸附水量為5.28kg，所需分子篩吸附劑量為52.8kg。由式（1）計(jì)算可得，改造后加氣母站干燥器單塔吸附周期可達(dá)136h。同理計(jì)算可得，改造前加氣母站干燥器單塔吸附周期僅為5h，無法滿足生產(chǎn)需要。

綜上所述，將分子篩脫水裝置的再生工藝流程由雙塔開式循環(huán)改為單塔閉式減壓循環(huán)后，其吸附能力顯著提高，同時(shí)降低了再生成本，可為同行業(yè)類似問題的處理提供借鑒。需要注意的是，在脫水裝置選型階段，應(yīng)充分考慮運(yùn)行工況下的各種干擾因素，并做好經(jīng)濟(jì)技術(shù)核算，力求設(shè)備在安全、高效的狀態(tài)下運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1]王遇東.天然氣處理與加工工藝[M].北京：石油工業(yè)出版社，2011：49-100.

[2]陳賡良，唐蒙，何永明.GB18047－2000車用壓縮天然氣[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2000.

[3]孟凡彬，王峰，周學(xué)深.SY/T0076－2009天然氣脫水設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：石油工業(yè)出版社，2009.

[4]張福元，羅勤，楊芳，等.GB/T22634－2008天然氣含水量與水露點(diǎn)之間的換算[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

[5]蔣洪，楊昌平，朱聰.天然氣脫水裝置工藝分析與改進(jìn)[J].天然氣化工，2009，34（6）：49-53，58.

(本文作者：劉斯文 江西省天然氣有限公司，江西南昌 330096)