天然气脱水 [三种天然气脱水方法的比较]

本 科 毕 业 设 计 翻 译

题 目：三种天然气脱水方法的比较

学生姓名：岳 韬

学 号：10122113

专业班级：油气储运工程10-1班

指导教师：王 鑫

2014年 6月20日

目 录

1引言..................................................................................................................... 1

2脱水方法............................................................................................................. 1

2.1吸收法...................................................................................................... 1

2.2吸附.......................................................................................................... 2

2.3冷凝.......................................................................................................... 4

3实验..................................................................................................................... 5

4结果..................................................................................................................... 5

5讨论..................................................................................................................... 6

缩略词.................................................................................................................... 7

参考文献................................................................................................................ 7

三种天然气脱水方法的比较

Michal Netusil，Pavel Ditl

捷克技术大学过程工程系，布拉格6区,16607，捷克共和国

[2011年4月6日收稿，2011年5月23日修订]

摘要

本文比较在工业中广泛应用的三种天然气脱水方法：（1）三甘醇脱水（2）

固体干燥剂脱水（3）蒸馏。根据它们所需的能量和适应性进行比较。通过一个能每小时处理105Nm饱和天然气的模型进行能量计算，其中饱和天然气为30℃，压力为7—20Mpa。出口天然气湿度与于压力为4Mpa气、露点为-10℃的气体相同。

关键词：气藏；地下储气库；天然气；天然气脱水

1引言

天然气脱水的主题一直与天然气储存紧密相连。天然气储存的想法之所以如

此吸引人有两个基本的原因。第一，它可以减少对供应的依赖；第二，它能最大限度利用配气管网的储量。天然气在夏季需求量低时被储存起来，冬季取暖需要大量天然气时被取出来。地下储气库是最好的大量储存天然气的选择。欧盟现在最多有约130个地下储气库，最大理论总储量大约为95亿方。根据最新数据，到2020年欧洲还将额外储存70亿方[1]。

地下储气库有三种类型：（1）含水层（2）枯竭的油气田（3）盐穴库。每一

种类型都有自己特有的物理性质。通常储气库内允许存储压力达到20MPa。当气体注入时压力升高，气体采出时压力下降。外输气体压力取决于后续配气管网。门站压力通常在7MPa。天然气温度通常在20-35℃。精确的温度随着储气库的位置和储存年限变化。储气库的缺点是储存时气体被水分饱和。在枯竭的油气田型地下储气库中，重烃还会污染储存气体。输气规范规定的允许湿度用天然气的露点温度表示。4MPa天然气的露点通常是-7℃[2]。这个值大致相当于4MPa下5gH2O/m3。饱和天然气的湿度。它由储气库的温度和压力决定。这些在气体加工工程技术手册数据手册（12版）20章得图20中有详细说明。天然气平均湿度比要求值高出五倍。因此在天然气输送前脱水是必要的流程。本文通过能量消耗和适用性比较工业中应用的脱水方法。

2脱水方法

2.1吸收法

第一种脱水方法是吸收。吸收剂通常用三甘醇（TEG）。 吸收过程在一个接

触器（板式塔或包床）进行。在里面三甘醇顺向流动，湿天然气逆向流动。接触过程中三甘醇吸水成为富液从接触器底部流出；富三甘醇继续流入换热器，然后流入闪蒸罐。换热器在汽提塔的顶部。

在这里蒸汽被从流体中释放出来实现分离。三甘醇进入三甘醇换热器的冷

端。在这之后，加热的三甘醇被过滤后喷入塔中。从那里，三甘醇进入再沸器，在再沸器中水从三甘醇中沸出。再沸器内部温度不能超过三甘醇的分解温度208℃。再生的三甘醇被泵回三甘醇换热器的热端。整个过程如图1所示[3]。

图1 吸收脱水流程图

再生三甘醇的纯净度和循环率（LTEG/KgH2O）受产出的天然气露点限制。汽

提可以增强三甘醇再生。该专利由DRIZO设计，Poser-NAT、金手指、国际燃气已申请专利，以代替传统的汽提单元。Drizo 再生系统采用了可回收溶剂作为汽提介质。虽然该专利以异辛烷运行，但回收溶剂的典型组成为约60%的芳香烃，30%的环烷烃和10%的链烷烃。三相溶剂水分离器是这一方法的关键。该金手子再生系统在冷却罐的蒸汽空间中使用冷却线圈，冷却线圈使大量的蒸汽冷凝。冷

[4]凝水是水与富三甘醇的混合物。这需要进一步的分离环节，强化再生系统，如

图2所示。

图2 强化再生系统流程图

2.2吸附

第二种脱水方法是通过固体吸附剂脱水。该方法通常用分子筛、硅胶、或氧

化铝。这些吸附剂物理性能比较见表1[5,6]。

吸附剂的吸附能力随压力升高而增加，随温度降低而降低。选择设计参数时需要将这些考虑进去。吸附塔常周期性工作，所以最少需要两个吸附床。通常情况下，一个床用于吸附，另一个进行再生。通过被预热的气体进行再生操作。如图3所示。

图3 变温吸附脱水流程图

用于TSA的加热器可以通过一个普通的燃烧器或者以蒸汽或热油为介质的

管壳式换热器实现。再生气体进流过吸附剂进入冷却器（通常用冷空气），然后再进入分离器。吸附剂中吸附的水分大部分在这里被除去。顺流而下的湿天然气通常进入吸收塔，这样就避免了吸收剂的漂浮和散失。在塔底的干天然气与吸收剂逆向流动进行最后的接触，使再生过程完全进行。库马尔于1987年提出了分子再生过程的典型温度场模型[7]。曲线的形状表示出口的再生气体的温度场通常由四个区域组成。它们由时间确定的边界A、B、C、D和温度确定的边界TA、 TB,、TC 和TD。再生过程从点A开始。进入塔内的气体经过加热和吸收。大约从120℃（TB）开始湿气从吸附剂的毛孔开始蒸发。由于水蒸发消耗一部分热量，吸收剂比较缓慢地升温。从点C大概140℃（TC），可以假设所有的水分已经被

解析出来。吸附剂被进一步加热到点D，C5+和其他污染物被解析出来。再生过程完成时，出口的再生气体温度达到180-190℃（TD）。最后从点D到点E是冷却过程，从点D到点E再生冷却气体的温度降低到50℃以下，以防止任何水从冷却气体中冷凝出来[7]。处理过的天然气有时部分用作再生气体。然后它被冷却，水通过冷凝被分离出来。当水被分离出来后，气体重新打入处理过的气流。

因此这种工艺被称为分层床变温变压吸附（ＬＢＴＳＡ），它是ＴＳＡ工艺

的升级。这种吸附塔由不同的多层吸附剂组成。因此它是将各种性质的吸附剂集中在一个吸收塔。例如将氧化铝和硅胶的组合用于脱水。氧化铝对液态水吸附能力更强。因此它被放到第一层与湿天然气接触。硅胶层放在氧化铝层的下面，这种排序延长了硅胶的寿命。

2.3冷凝

第三种脱水方法是用冷却汽提使水分子进入液相，然后将其脱除。天然气凝

析液和重烃凝液也可以通过对天然气降温回收。因此冷凝通常用于同时需要脱水和回收天然气凝析液的的地方。天然气可以用焦汤效应很好地降温。焦汤效应反应气体温度随压力变化的的规律。对于天然气，由于膨胀气体分子间平均的距离增大，从而分子势能（范德华力）增大。膨胀期间工作介质与环境没有热交换。因此根据能量守恒定律，势能增大导致动能减小，从而温度降低。然而还有另外一种现象与湿天然气冷却过程有关，需要注意甲烷水合物的形成。甲烷水合物是一种大量甲烷分子被包裹在水分子晶体结构的固体，类似于冰。单位量水分子形成的水合物比单位水分子形成的冰多。冷却过程形成的水合物可能会阻塞管道。一般通过在冷却前注入甲醇或者乙二醇（ＭＥＧ）抑制水合物生成。图４描述了利用焦汤效应脱水水合物抑制方案。

图４ 利用焦汤效应脱水和水合物抑制方案

湿天然气在闪蒸罐中有两个环节。由于焦汤效应产生的气流温降使闪蒸罐内

气体部分冷凝，产生的液滴通过捕雾器除去。因为在储气库与输配管网间的可用压差不足，在冷却方面只用焦汤效应是不够的。因此需要使用空气预冷器和外部冷却器。因为天然气脱水操作需要的处理量很大，外部冷却器需要性能良好，所以这种冷却方式很耗能源。但是如果可用压差很大，闪蒸罐内焦汤效应效果明显，那么闪蒸罐内的加热器必须能够解冻形成的各种冰。冷凝脱水方法用在焦汤效应可用的情况。这里提到的每种方法都有其优缺点。TEG吸收法是目前应用最广泛的的方法，通常可以使出口气体的露点达到-10℃。事实上，使用高效的再沸器（真空汽提），出口气体露点再降低2-3℃。然而三甘醇有含硫和重烃污染的问题。TEG方法中再沸器内会发泡并且随着时间的推移会沉积形成“黑泥”再沸器的的另一个特点是苯系物（苯、甲苯、乙苯、二甲苯的缩写）会从出风口中排出污染环境。

吸附脱水可以使出口含水量降低到露点小于50℃，没有气体污染的问题，

并且设备腐蚀的速率很低，然而吸附需要高成本投入和大空间要求。吸附过程需要至少两个罐（某些流程需要三个、四个甚至六个）。吸附塔比接触吸附接触器更高更重。吸附接触器的允许流速比吸附塔速度高约3倍，这使吸收塔的直径比相同气体处理量的吸附塔大约70%。工业经验表明该吸附-资本成本线比吸附塔高2-3倍[8]。

在地下储气罐与配气管网之间的可用压力足够时，膨胀脱水是最合适的方

法。然而在采出期间压差减小，因此外部的冷循环是必要的。水合物抑制剂循环在闪蒸罐中是必须的。

3实验

这里所介绍方法的能量消耗以一个基础模型进行比较模型处理量为

105Nm/h。气体是来自地下储气库的20℃饱和湿天然气。气体压力为8-20MP，但是缩聚法的气体为10-20MPa。天然气的含水量等同于、4MPa下露点为-10℃的天然气含水量。TEG吸收法的计算基于气体加工工程技术手册（2004）[9]中Gandhidasan的文章和ATEKO A.S所提供的工业数据进行比较。冷却后进入接触器前所需能量由三甘醇在再沸器中再生所需能量、泵所需能量、过滤器所需能量组成，强化再生能量不予考虑。用于计算的基本参数：再生温度为200℃，贫甘醇浓度为98.5%，循环比为35 LTEG/kgH2O。

对于吸附脱水计算，5A的吸附剂被认为是最适合的。总能量消耗直接与气

体再生加热器相关联。假定没有其他消耗。计算同样基于气体加工工程技术手册。计算结果与 Gandhidasan (2001)和库马尔 (1987）的论文进行比较[7]。气体加工工程技术手册和Gandhidasan的计算程序都是求吸附剂升温、塔体加热、水的解析过程所需热量之和。库马尔的计算方法不同，在文献[7]中再生过程分为四个区域，然后我们确定每一个现象对应哪个区域，边界、平均温度分布是什么情况，以及产生这些现象需要多少热量。最后每个区域的需要量相加。所有程序的基本参数是：再生温度300℃，吸附时间和再生时间都为12小时，两个吸附塔设计。

冷凝方法的计算基础为TEBODIN s.r.o提供的工业数据和焦汤效应计算的补

充。影响能量需求的关键参数时地下储气库的压力。因为低压下无法运用这种方法，数据是从10MPa开始的，压力范围可以调节。总能量需求包括空气预冷单元、外部冷却、乙二醇注入泵、抽走凝析油，热乙二醇再生、闪蒸加热。

4结果

三甘醇吸收法的计算结果与每个过程的计算过程相同，并且和工业数据的结

果比较也有良好的一致性。然而不同的计吸附流程有不同的计算结果。因此平均能量需要量作为参考。所有计算过程的偏差小于20%。偏差来源于不稳定因素和和损失因素。在冷凝法的例子中，焦汤效应的计算结果与工业情况得到的数据基本一致。但是数据量有限，导致冷凝法的计算结果代表性有限。每种脱水方法最终能量消耗结果如图5所示。

图5 每种脱水方式最终能量消耗图

低压情况下（压力来自于地下储气库中天然气的压力小于13MPa），冷凝脱水法能量需要量最高。需要量随压力线性减少，在13MPa时为145Kw。在这一点上，冷凝法的能量需要量与这种方法大致相同。当天然气压力从13MPa到16MPA进一步增加，冷凝法所需能量将持续下降，但下降量具有降低的趋势。

5讨论

迄今为止，对于从地下储气库中出来的低压天然气使用冷凝法使所需能量最多。这是因为储气库压力接近终端管网，闪蒸罐它中没有足够的富余压力供焦汤效应降温，只能通过空气冷却器和外部冷却装置进行补偿。这不适用于大量处理天然气的场合。然而随着地下储气库与末端配气管网的压差增加，膨胀空间以及焦汤效应的影响越来越大。由此可以推测空气预冷器与外部冷却装置的能量需求将线性降低。从这一点开始，闪蒸加热逐渐打开，避免焦汤效应制冷产生的冰冻。

闪蒸加热的能量消耗反应在总能量消耗中。最后，压力大于16MPa时，所有冷却，以及后续冷凝所需能量都由焦汤效应提供。总能量消耗由闪蒸加热、注入抑制剂、再生和保持稳定组成。

对于吸附和吸附流程，通过随着压力增加天然气中水分分压的降低这一事实可以推测随着天然气压力增加所需能量曲线呈下降趋势。通常吸附流程消耗能量较低，因为三甘醇再生比吸附剂再生所需能量低。吸附流程所需总能量组成可分为三个部分：水脱附所需热量、吸附剂升温所需热量和塔所需热量大约各占55%、31%、14%。还需要假设吸附剂再生过程所需热量部分用于吸附剂升温、塔体升温、大气中和气体平衡损失。

简而言之，从能量需求角度考虑在高压力情况下最合适的脱水流程是天然气冷凝法。这适用用于地下储气库中天然气压力大于15MPa且配气管网压力为7MPa的情况。在低压力情况，如果需要回收轻烃以及同时除去水，冷凝法脱水最适用。然而地下储气库中的天然气通常不是这种情况。在有些情况下没有足够可用的压力差。因此从能量需求方面考虑吸附法是最受青睐的，比三甘醇脱水法所需能量少两倍左右。然而天然气如果被硫或者重烃污染，随着时间推移再沸器中的三甘醇将发泡并降解。这种情况主要发

生在枯竭油气藏用作储气库时。当露点要求非常低时，必须用吸附剂脱水法（含水量低于1ppm）,比如天然气液化。

缩略词

NGL natural gas liquid 天然气凝析液

UGS underground gas storage 地下储气库

bcm billion cubic meter 十亿立方米

Tdew dew point temperature 露点

TEG triethylene glycol 三甘醇

MEG monoethylenglycol 乙二醇

TSA temperature swing adsorption 分解温度

LBTSA layered bed temperature swing adsorption 多床层变温变压吸附

JT effect Joule-Thompson effect 焦汤效应

BTEX benzene, toluene, ethylbenzene and xylenes 苯系物

参考文献

[1] Gas infrastructure Europe [Internet]. Brussels: GSE Map Dataset in Excel-format Storage map (version: August2010). [cited 2010 Mar 8].

[2] NET4GAS [Internet]. Prague: Gas quality parameters.

[3] Bahadori A, Vuthaluru H B. Energy, 2009, 34(11): 1910

[4] Hubbard R A, Campbell J M. Hydrocarbon Eng, 2000, 5: 71

[5] Tagliabue M, Farrusseng D, Valencia S, Aguado S, Ravon, U,Rizzo C, Corma A, Mirodatos C. Chem Eng J, 2009, 155(3):553

[6] Gandhidasan P, Al-Farayedhi A A, Al-Mubarak A A. Energy,2001, 26(9): 855

[7] Kumar S. Gas Production Engineering. Houston: Gulf Professional Publishing, 1987

[8] Gandhidasan P. Energy Sources, 2003, 25(3): 189

[9] GPSA. Engineering Data Book. 12th ed. Tulsa: GPSA Press,2004