許 劍，池勝高，信石玉

（1. 中石化石油機械股份有限公司研究院，湖北 武漢 430223；2. 中石化石油機械裝備重點實驗室，湖北 武漢 430223)

近年來， 隨著我國環(huán)保要求日趨嚴格，“煤改氣”政策大力推進，天然氣需求持續(xù)增長，行業(yè)進入快速發(fā)展期。 通過對天然氣凈化、壓縮、冷卻轉變?yōu)橐夯烊粴猓↙NG），具有體積小、儲運方便、熱值高、安全高效等特點，是一種新型優(yōu)質的清潔能源，在工業(yè)燃料、城鎮(zhèn)燃氣、交通運輸等領域得到廣泛應用。

當前，我國投產的LNG液化工廠約170余座，正朝兩個方向發(fā)展，即大型化和小型化。 一方面，通過增加產能降低能耗來建設大型液化工廠，產能普遍在50萬m3/d以上， 如中石油黃岡液化工廠為國內規(guī)模最大，達到500萬m3/d；中石化涪陵液化工廠為國內首個頁巖氣LNG工廠，達到100萬m3/d。 這些大型液化工廠通常采用EPC模式，建設周期長，總體投資大，均為固定式裝置。 另一方面，通過降低投資增加效率來推廣小型液化裝置，產能為5萬m3/d～10萬m3/d，一般采用撬裝形式，具有建設周期短、移動運輸方便等顯著優(yōu)勢，適用于偏遠井、分散井的井口氣回收領域，對我國天然氣開采具有重要意義。 本文以小型液化裝置為研究重點，分析其預處理過程中的脫酸和脫水技術[1-4]。

1 脫酸和脫水技術現狀

由于天然氣在液化過程中需逐步深冷至-140～-160℃， 而井口氣一般含有H2S、CO2和H2O等雜質組分。 其中，酸性氣體一方面會腐蝕設備及管道，另一方面在降溫過程中易析出固體而堵塞設備和管道；同時，水分會降低天然氣熱值，在降溫升壓過程中易形成水合物。 因此為了保證整套小型液化裝置的穩(wěn)定運行，需重點針對H2S、CO2和H2O進行深度脫除，高于一般天然氣壓縮回收的要求（ρ(H2S)≤6mg/m3，φ(CO2)≤3%，無游離水），滿足天然氣液化回收的要求（φ(H2S)＜4×10-6，φ(CO2)＜50×10-6，φ(H2O)＜1×10-6）[5-6]。

1.1 脫酸技術國內外現狀

國內外已開發(fā)出多種脫酸處理方法，主要包括可再生溶劑法、膜分離法、低溫分離法、固定床吸附法和直接轉化法等。 其中可再生溶劑法應用最為廣泛，根據工作原理分為化學吸收法、物理吸收法和聯合吸收法。 由于化學吸收法采用醇胺液，如一乙醇胺 （MEA）、 二乙醇胺 （DEA）、 甲基二乙醇胺（MDEA）等，更能適應于低壓天然氣，對烴類組分溶解度較小，反應速度較快，處理成本較低，因此在井口氣液化預處理中較為常用[7-8]。

1.2 脫水技術國內外現狀

目前，天然氣脫水主要包括：溶劑吸收法、固體吸附劑法、膜分離法、冷卻法等。 其中溶劑吸收法主要通過醇類化合物對天然氣溶解度較低和對水溶解度較高的作用，如二甘醇和三甘醇，但處理總體成本較高。 而固體吸附劑法采用分子篩、硅膠、活性氧化鋁等，如分子篩具有吸附容量較高、吸附選擇性較強、使用壽命較長等優(yōu)勢，在小型天然氣液化裝置中應用較廣泛[9-10]。

2 脫酸和脫水技術方案

根據陜北地區(qū)井口氣特點， 選定A井作為研究對象，通過井口前端的三相過濾分離后，進氣壓力為3.5MPa，進氣溫度30～40℃，處理量5萬m3/d，CO2體積分數為2%，H2O體積分數為0.15%， 采用先脫酸、再脫水的總體技術方案進行處理，以滿足天然氣液化的要求[11-12]。

2.1 脫酸工藝流程

根據工藝要求， 采用MDEA溶液去除原料天然氣中所含的酸性氣體CO2，工藝流程如圖1所示。 天然氣從吸收塔的底部進入，自下而上流動，通過與吸收塔內部自上而下流動的MDEA貧液逆向接觸，處理后的天然氣從吸收塔頂部釋放。 但由于氣體與液體的吸收過程屬于放熱， 因此天然氣溫度上升，需通過換熱器進行冷卻后分離，再進入脫水工藝。

圖1 天然氣脫酸工藝流程

天然氣與MDEA貧液接觸后，CO2含量升高變?yōu)楦灰?，需要通過加熱再生的方式重復利用，工藝流程如圖2所示。 富液從吸收塔底部排出進入閃蒸分離器脫氣， 再利用貧富液換熱器升溫至90～100℃，進入再生塔頂部， 同步利用再沸器的熱源加熱富液， 氣相CO2從塔頂進入CO2冷卻器和CO2分離器后放空。 另外，已從富液轉化為貧液在底部聚集，并通過貧富液換熱器、 貧液水冷卻器將貧液冷卻至45～55℃，進入地下貧液罐，并根據需求通過貧液泵進入活性炭過濾器和機械過濾器去除雜質，最終進入吸收塔。

圖2 天然氣富液再生工藝流程

2.2 脫水工藝流程

當天然氣完成脫酸后即進入脫水工藝，工藝流程如圖3所示。天然氣自下而上進入脫水塔A和脫水塔B，通過內部的分子篩對水進行吸附。分子篩層主要分為三個區(qū)域：飽和區(qū)、吸附區(qū)、未吸附區(qū)，吸附脫水后的氣體進入后續(xù)小型天然氣液化裝置的其它流程。 當分子篩達到飽和狀態(tài)時，需要采用脫水塔C脫水后的氣體作為再生氣， 進入再生氣加熱器加熱至280～300℃，利用這部分氣體對脫水塔A和脫水塔B的分子篩進行再生， 然后進入再生氣冷卻器和再生氣分離器處理，最后回到脫水工藝入口。

圖3 天然氣脫水工藝流程

3 脫酸和脫水裝備

3.1 總體裝備方案

根據偏遠井、分散井的井口氣回收領域的裝備應用現狀，小型天然氣液化裝置的凈化工藝需考慮占地面積、移動運輸、維護保養(yǎng)等方面的現場限制條件，因此以脫酸和脫水工藝組成的天然氣凈化整體裝備宜實現撬裝化，設計原則如下：

（1）配套設備布局合理：由于上述技術方案中涉及的塔類、容器類、換熱器類、泵類等多種設備，總體空間有限，其中吸收塔、再生塔為外部尺寸最大的設備，以此為主體，其他設備根據工藝流程和管徑大小合理布局，最大限度節(jié)省空間。

（2）移動安裝配置合理：由于井口氣存在氣質變化范圍大的特點，小型天然氣液化裝置將面臨經常需要搬遷的需求，因此凈化整體裝備的配重設置應合理，重量較大的設備應盡量布置在底部，有利于移動運輸、現場地基的穩(wěn)固可靠。

（3）操作維修簡化合理：由于凈化工藝流程中包括多次熱交換過程， 涉及常溫設備和高溫設備，應重點考慮將其進行分區(qū)分類管理，有利于凈化整體裝備的現場保溫材料安裝和后續(xù)保養(yǎng)維修。

因此，按照天然氣處理量5萬m3/d，總體裝備方案分為2個撬，即脫酸和脫水2個功能，塔類、容器類、換熱器類、泵類等相關設備配套其中，每個撬占地面積為12m×2.5m（長×寬），便于移動運輸，方案如圖4所示[13-15]。

圖4 天然氣凈化整體裝備方案

3.2 配套設備設計

根據脫酸和脫水的總體裝備方案， 針對塔類、容器類、換熱器類、泵類等相關設備進行詳細設計，滿足天然氣凈化的工藝參數要求。

（1）塔類

凈化工藝流程中涉及的塔類設備包括吸收塔、再生塔和脫水塔，通過對設備型式、設備規(guī)格、進塔溫度、操作壓力、塔板數量等因素進行分析計算，確定相關參數如表1所示。

表1 塔類設備參數

（2）容器類

凈化工藝流程中涉及的容器類設備包括過濾分離器、凈化氣分離器、閃蒸分離器、CO2分離器、再生氣分離器和活性炭過濾器。 通過對設備型式、設備規(guī)格、容器溫度、操作壓力等因素進行分析計算，確定相關參數如表2所示。

表2 容器類設備參數

（3）換熱器類

凈化工藝流程中涉及的換熱器類設備包括凈化氣冷卻器、再生塔再沸器、CO2冷卻器、再生氣加熱器、再生氣冷卻器，均采用管殼式換熱器。 通過對設備型式、殼體尺寸、管程溫度、操作壓力、換熱面積等因素進行分析計算，確定相關參數如表3所示。

表3 換熱器類設備參數

3.3 現場應用

通過在陜北地區(qū)5萬m3/d井口氣回收現場應用，小型天然氣液化裝置整體運行情況良好，在現場井口氣的氣質組分波動大、氣源壓力不穩(wěn)定等特殊情況下，上述脫酸和脫水裝備均可滿足天然氣凈化要求，CO2體積分數穩(wěn)定在32×10-6～45×10-6，H2O體積分數穩(wěn)定在0.2×10-6～0.5×10-6， 分別滿足CO2體積分數低于50×10-6和H2O體積分數低于1×10-6的要求，未出現管道和設備冰堵現象。

針對井口氣現場的地質和運輸條件，脫酸和脫水裝備應進一步考慮如何減小占地面積，便于移動運輸，通過降低塔類設備的高度，優(yōu)化塔類設備的運行模式，從而實現總體裝備的模塊化。

4 結論

（1）通過對脫酸和脫水技術方案研究，先脫酸采用MDEA溶液，再脫水采用分子篩，可滿足天然氣液化對氣質的要求。

（2）通過研制脫酸和脫水裝備，總體分為2個撬，即脫酸和脫水2個功能，塔類、容器類、換熱器類、泵類等相關設備配套其中。

（3）通過現場應用可滿足天然氣凈化要求，CO2體積分數穩(wěn)定在32×10-6～45×10-6，H2O體積分數穩(wěn)定在0.2×10-6～0.5×10-6，具有一定的推廣價值。