張重德　夏明磊　劉杰　梁震　王偉

【摘 要】論文對(duì)比了幾種天然氣脫水方法，介紹了其基本原理及優(yōu)缺點(diǎn)并指出了今后天然氣脫水的研究方向。目前，天然氣脫水主流方法是甘醇脫水，但是甘醇脫水存在設(shè)施占地面積大、處理量小等問(wèn)題，制約了其在海上油氣田天然氣脫水的應(yīng)用。論文對(duì)現(xiàn)行三甘醇系統(tǒng)中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行了歸納總結(jié)，并提出了相應(yīng)的解決措施；提出采用超重力技術(shù)對(duì)天然氣進(jìn)行脫水，超重力技術(shù)的應(yīng)用提高了甘醇的傳質(zhì)系數(shù)，這樣就解決了甘醇脫水處理量不足的問(wèn)題，同時(shí)超重力機(jī)占地面積小，更加符合海上平臺(tái)的作業(yè)要求；提出了采用陶瓷膜過(guò)濾器旁路對(duì)甘醇富液進(jìn)行過(guò)濾處理，進(jìn)一步凈化甘醇溶液，減少甘醇的損失量。

【Abstract】This paper compares several natural gas dehydration methods， introduces their basic principles， advantages and disadvantages， and points out the research direction of natural gas dehydration in the future. At present， the main method of natural gas dehydration is dehydration of glycol， but the dehydration of glycol has many problems， such as large occupied area and small amount of treatment， which restricts its application in natural gas dehydration in offshore oil and gas fields. This paper summarizes the current three glycol system problems， and puts forward corresponding solving measures； puts forward dehydration of natural gas by high gravity technology， the application of high gravity technology improves the mass transfer coefficient of glycol， this would solve the problem of insufficient glycol dehydration treatment， and high gravity the machine covers an area of small， more in line with the offshore platform operation requirements； paper also puts forwards filtrating the glycol liquid by ceramic membrane filter bypass， to further purify glycol， reduce the loss of glycol.

【關(guān)鍵詞】天然氣脫水；三甘醇；超重力；陶瓷膜過(guò)濾

【Keywords】natural gas dehydration； triethylene glycol； hypergravity； ceramic membrane filter

【中圖分類(lèi)號(hào)】F407.22 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】B 【文章編號(hào)】1673-1069（2017）11-0194-03

1 引言

天然氣在離開(kāi)油藏時(shí)通常含有水蒸氣，水蒸氣在天然氣的壓力和溫度改變時(shí)容易形成水化物，水化物的局部積累會(huì)限制管線中天然氣的流通率，增加管線壓降，降低輸氣量，嚴(yán)重時(shí)會(huì)堵塞管道，導(dǎo)致輸氣中斷。同時(shí)，天然氣的水分也是造成設(shè)備、儀表和管線腐蝕破壞的主要因素，水的存在可能會(huì)造成在氣溫較低時(shí)形成水化物凍堵[1，2]，使微量水成為冰粒而損壞或擊穿機(jī)械設(shè)備殼體，因此為了保證天然氣的熱值，商品天然氣氣質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)供終端用戶(hù)的天然氣的水露點(diǎn)有明確要求：外輸天然氣的水露點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)為，在天然氣交接點(diǎn)的壓力和溫度條件下，天然氣的水露點(diǎn)應(yīng)比最低環(huán)境溫度低5℃[3]，因此必須對(duì)天然氣進(jìn)行脫水處理。

2 天然氣脫水系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 三甘醇脫水法

三甘醇脫水是溶劑吸收法的一種，利用溶劑對(duì)天然氣、烴類(lèi)的溶解度低，而對(duì)水的溶解度高和對(duì)水蒸氣吸收能力強(qiáng)的特點(diǎn)，使天然氣中的水蒸氣及液態(tài)水被溶劑吸收，然后再將吸水后的溶劑與天然氣分離，吸水溶劑除水分再生后，返回系統(tǒng)循環(huán)使用[4]。三甘醇（TEG）是天然氣凈化過(guò)程中性能優(yōu)良的脫水劑，具有熱穩(wěn)定性好、吸水性強(qiáng)、容量再生、利用率高、對(duì)設(shè)備不產(chǎn)生腐蝕、水露點(diǎn)低等優(yōu)點(diǎn)。存在問(wèn)題：①TEG與天然氣中的硫化氫接觸反應(yīng)，生成具有腐蝕性的酸性化合物，腐蝕設(shè)備，TEG本身熱降解也會(huì)腐蝕設(shè)備；②系統(tǒng)比較復(fù)雜，占地面積大；③三甘醇溶液再生過(guò)程的能耗比較大。

2.2 分子篩脫水

分子篩脫水屬于固體吸附法的范疇，吸附主要是靠范式引力或者分子擴(kuò)散力引起，是物理過(guò)程[5]。由于水分子在加熱后連續(xù)失去，但晶體骨架結(jié)構(gòu)不變，形成了許多大小相同的空腔，空腔又有許多直徑相同的微孔相連，比孔道直徑小的物質(zhì)分子吸附在空腔內(nèi)部，而把比孔道大的分子排斥在外，從而使不同大小形狀的分子分開(kāi)，達(dá)到篩分分子的作用，因而稱(chēng)作分子篩。它主要用于各種氣體、液體的深度干燥，氣體、液體的分離和提純，催化劑載體等，主要優(yōu)點(diǎn)有：①具備極高、深度干燥離合度；②可以管用地防止離合時(shí)所萌生共吸附現(xiàn)象，增長(zhǎng)產(chǎn)品得率；③可以在同一系統(tǒng)中同時(shí)完成干燥和事物的醇化。endprint

2.3 超音速脫水

天然氣超音速脫水技術(shù)屬于天然氣脫水方法中的低溫冷凝法，核心部件為超音速分離器，其基本原理是利用拉瓦爾噴管，使天然氣在自身壓力作用下加速到超音速，這時(shí)天然氣的溫度和壓力會(huì)急劇下降，使天然氣中的水蒸氣冷凝成小液滴，然后在超音速下產(chǎn)生強(qiáng)烈的氣流旋轉(zhuǎn)將液滴分離出來(lái)，并對(duì)干氣進(jìn)行再壓縮。

超音速脫水技術(shù)的局限性：①如何在深度脫水的同時(shí)又盡量減少壓降；②如何提高超音速渦流管的操作彈性范圍，以適應(yīng)產(chǎn)量、壓力急劇減小的生產(chǎn)條件。

3 海上三甘醇脫水系統(tǒng)存在的問(wèn)題

3.1 三甘醇損失

三甘醇損失，出塔的天然氣要帶走一定的甘醇，特別是在吸收塔背壓波動(dòng)范圍大、氣流速度過(guò)快或氣量不穩(wěn)定的情況下，甘醇的攜帶損失更大。

3.2 三甘醇污染

三甘醇污染可能原因包括凝析油、鹽類(lèi)、雜質(zhì)、顆粒物等，帶來(lái)的危害如發(fā)泡、沖塔。可能原因是：①天然氣生產(chǎn)過(guò)程中天然氣所攜帶的高礦化度地層水、凝析油和機(jī)械雜質(zhì)，由于分離不完全進(jìn)入三甘醇溶液中，造成三甘醇（TEG）溶液變色、起泡；②溶解在高礦化度地層水中的H2S、CO2酸性氣體，會(huì)使脫水后的TEG溶液酸度降低。另外H2S、CO2與TEG反應(yīng)，會(huì)加速TEG溶液的變質(zhì)；③TEG溶液再生時(shí)，重沸器溫度過(guò)高使其產(chǎn)生熱降解，熱降解產(chǎn)物主要為低級(jí)脂肪醇。

三甘醇污染造成的危害：①溶劑的選擇性下降。溶劑污染嚴(yán)重，影響溶劑脫水效果；②劑耗升高。溶劑污染、劣化，需增加溶劑補(bǔ)充量，維持溶劑的性能，造成溶劑消耗大幅度升高，生產(chǎn)成本增加。

3.3 三甘醇系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)存在的問(wèn)題

三甘醇裝置運(yùn)轉(zhuǎn)存在的主要問(wèn)題有：①天然氣攜帶的高礦化度水在TEG溶液再生過(guò)程中濃縮，生成CaCI2、NaCI等鹽類(lèi)物質(zhì)，在設(shè)備內(nèi)壁結(jié)垢，結(jié)垢處容易過(guò)熱，甘醇容易發(fā)生熱降解，且垢下容易發(fā)生腐蝕；②再生系統(tǒng)問(wèn)題，氣體汽、溫度達(dá)不到、精餾柱堵塞，導(dǎo)致三甘醇蒸氣出不去；③系統(tǒng)腐蝕加劇。由于三甘醇的降解，pH值不斷降低，系統(tǒng)設(shè)備、管線、閥門(mén)等腐蝕嚴(yán)重，進(jìn)一步引起裝置泄露，影響裝置運(yùn)行周期和裝置的安全生產(chǎn)；④設(shè)備結(jié)構(gòu)堵塞嚴(yán)重。設(shè)備腐蝕產(chǎn)物和溶劑降解產(chǎn)物的增加，造成設(shè)備管線、儀表堵塞嚴(yán)重，影響裝置正常運(yùn)行。

4 改進(jìn)措施

4.1 設(shè)備改進(jìn)

第一，將吸收塔改造為超重力機(jī)。超重力機(jī)用旋轉(zhuǎn)的環(huán)狀多孔填料床代替垂直靜止的塔器，使氣液在旋轉(zhuǎn)填料層中充分接觸，在液相的高度分散、表面急速更新和相界面得到強(qiáng)烈擾動(dòng)的情況下進(jìn)行傳質(zhì)、傳熱，使反應(yīng)過(guò)程得到強(qiáng)化[6]。

超重力技術(shù)具有如下優(yōu)勢(shì)：①相間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)依靠離心力，生產(chǎn)強(qiáng)度大；②液體微滴化，高度湍動(dòng)，相界面強(qiáng)烈擾動(dòng)，高度分散和急速更新。

第二，陶瓷膜過(guò)濾器旁通改造。三甘醇在循環(huán)使用過(guò)程中，原本透明的溶液會(huì)逐漸變成黑色，經(jīng)過(guò)取樣分析，發(fā)現(xiàn)三甘醇污染問(wèn)題主要集中在直徑0.1μm固體顆粒（膠焦質(zhì)）和污油，機(jī)械過(guò)濾器和活性炭過(guò)濾器根本無(wú)法過(guò)濾這類(lèi)物質(zhì)，因此需滿(mǎn)足對(duì)這兩種物質(zhì)的去除就可以達(dá)到三甘醇凈化的目的。陶瓷膜孔徑在5μm左右時(shí)，大于5μm的顆粒都會(huì)被截留的在陶瓷膜上，并有效去除三甘醇中的凝析油，污染三甘醇中加入破乳劑、消泡劑后，表面張力變小，油分子在破乳劑的作用下逐漸聚結(jié)在一起，在膜表面潤(rùn)濕，超過(guò)一定范圍時(shí)，液滴不可逆轉(zhuǎn)地聚結(jié)成大液滴，三甘醇相連續(xù)通過(guò)膜孔，聚結(jié)的原油大液滴經(jīng)膜孔截留而富集。

4.2 操作工藝控制

①保證吸收塔壓力在設(shè)定值在很小的范圍內(nèi)（±0.1MPa）波動(dòng)，在加減氣量時(shí)要緩慢操作，升壓速度不能過(guò)快，另外吸收塔應(yīng)在設(shè)計(jì)處理范圍內(nèi)工作，這樣可以有效避免天然氣攜帶損失。②對(duì)過(guò)濾分離器要及時(shí)排污、清洗，及時(shí)更換濾芯；甘醇機(jī)械過(guò)濾器、活性炭過(guò)濾器的壓差接近100kPa時(shí)立即對(duì)濾芯進(jìn)行清洗或更換；定期對(duì)甘醇循環(huán)系統(tǒng)及重沸器、精餾柱等進(jìn)行清洗除垢。③嚴(yán)格控制各工藝參數(shù)，重沸器溫度控制在200℃內(nèi)，精餾柱溫度控制在190℃范圍內(nèi)，溫度波動(dòng)不應(yīng)太大。定期對(duì)再生前后的甘醇取樣進(jìn)行全面分析，包括甘醇的水含量、pH值、鹽含量、烴含量、固體含量、鐵含量以及甘醇的類(lèi)型及其含量。貧液濃度99.6%為宜，富液濃度一般不低于95%，水含量超標(biāo)則需調(diào)節(jié)重沸器的溫度或改變循環(huán)量；貧富液的濃度差?。?.5%～1.5%）表明甘醇循環(huán)速度太快；貧富液的濃度差大（4%～5%），表明甘醇的循環(huán)速度太低，鹽含量應(yīng)低于1%。④TEG的循環(huán)量要控制在合理范圍內(nèi)，其他條件一定時(shí)，TEG循環(huán)量愈大，脫水效果愈好，天然氣水露點(diǎn)溫度也越低。但當(dāng)TEG循環(huán)量達(dá)到一定程度時(shí)，露點(diǎn)降變化較小。TEG循環(huán)量并不是越大越好，循環(huán)量大會(huì)增加再生系統(tǒng)負(fù)荷，造成TEG再生質(zhì)量降低，最終影響干氣的露點(diǎn)溫度。

5 超重力技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用

渤中某平臺(tái)三甘醇脫水系統(tǒng)，該平臺(tái)流程設(shè)計(jì)處理天然氣能力79萬(wàn)方/天，三甘醇循環(huán)量為1方/時(shí)。現(xiàn)場(chǎng)三甘醇脫水系統(tǒng)采用接觸塔式。2009年投產(chǎn)至今，該系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中處理氣量79萬(wàn)方/天，系統(tǒng)長(zhǎng)期處于滿(mǎn)負(fù)荷狀態(tài)，由于填料接觸塔對(duì)氣量的穩(wěn)定度和氣體潔凈度要求很高，而B(niǎo)OP天然氣處理工況比較惡劣，造成天然氣脫水質(zhì)量較差，露點(diǎn)只能達(dá)到1℃左右，遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到理想露點(diǎn)降。由于脫水露點(diǎn)不達(dá)標(biāo)，生產(chǎn)方?jīng)Q定對(duì)老系統(tǒng)進(jìn)行改造，并接收來(lái)自其他平臺(tái)的天然氣，預(yù)計(jì)總處理量160萬(wàn)方/天。老系統(tǒng)吸收塔高6.5m，要實(shí)現(xiàn)對(duì)老系統(tǒng)的擴(kuò)容改造，必須對(duì)吸收塔進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，由于平臺(tái)空間受限，再找一處十幾米高的空間放置吸收塔尤其困難。由于平臺(tái)空間限制，將超重力機(jī)、貧液/干氣換熱器以及聚結(jié)器做成一個(gè)撬塊，超重力機(jī)設(shè)備采用內(nèi)襯不銹鋼的制造工藝，根據(jù)處理氣量，設(shè)計(jì)最大轉(zhuǎn)速500轉(zhuǎn)。天然氣從撬塊入口進(jìn)入，流經(jīng)超重力，在超重力機(jī)內(nèi)與貧甘醇接觸脫水，后流入換熱器與貧甘醇換熱，換熱后流入聚結(jié)器中，分離出氣體中攜帶的甘醇，分離出的甘醇與富甘醇匯合流回再生系統(tǒng)。貧甘醇則先流入換熱器，換熱后進(jìn)入超重力機(jī)，在超重力機(jī)中與氣體接觸后從底部流出，最終流回再生系統(tǒng)。

6 結(jié)論與展望

第一，超音速脫水技術(shù)、分子篩脫水技術(shù)，與傳統(tǒng)脫水技術(shù)相比，是一種典型的節(jié)能環(huán)保型技術(shù)，具有突出的優(yōu)點(diǎn)和市場(chǎng)應(yīng)用前景，因此，應(yīng)加大研究開(kāi)發(fā)力度，進(jìn)行更深入的研究，盡早實(shí)現(xiàn)該技術(shù)在國(guó)內(nèi)的工業(yè)應(yīng)用。

第二，三甘醇脫水系統(tǒng)占地面積大，超重力技術(shù)的引進(jìn)能滿(mǎn)足甘醇脫水的要求，且大幅度節(jié)省海上平臺(tái)的空間，在提高處理量及處理過(guò)程中的傳質(zhì)效果也大幅提高。

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