天然气脱水方法综述.pdf

第 4 4卷第 7 期 2 0 1 5 年 7月 当 代 化 工 C o n t e mp o r a r y C h e mi c a l I n d u s t r y V o 1 ． 4 4．N O ． 7 J u l y，2 0 1 5 天然气脱水方法综述 刘建勋，宁雯宇 中国石油大学 北京 ， 北京 1 0 2 2 4 9 摘 要目前，国内天然气行业正进入高速发展的历史新格局，天然气的高效开发和利用已成为未来能源 发展的新课题。所以，未来天然气高效脱水技术将是一个重要的研究方向。现阶段工业上天然气脱水方法主要 有三甘醇脱水 T E G 、分子筛脱水、低温脱水。近年来膜分离和超音速这两种新型技术正日益受到人们的关 注，发展迅速。这两种新技术在天然气脱水方面具有结构简单 、能耗低 、运行维护费用小 、操作简单、污染小 等特点。从根本上弥补了以往天然气脱水技术系统复杂、体积庞大、高能耗 、维护费用高 、污染大的特点。未 来以膜、超音速脱水为代表的新技术将会有很大的发展空间。 关键词天然气；膜脱水；超音速；高效 中图分类号 T E 6 2 4 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 1 0 4 6 0 2 0 1 50 7 1 5 4 8 0 2 Na t ur a l Ga s De hy dr a t i o n M e t ho ds L I U J i a n- x u n， NI NG We n - yu C h i n a U n i v e r s i t y o f P e t r o l e u m， B e i j i n g 1 0 2 2 4 9 ，C h i n a Ab s t r a c t At p r e s e n t ， d o me s t i c n a t u r a l g a s i n d u s t r y i s e n t e r i n g a s t a g e o f r a p i d d e v e l o p me n t ， a n d e ffic i e n t d e v e l o p me n t a n d u t i l i z a t i o n o f n a t u r a l g a s h a s b e c o me a n e w t o p i c o f f u t u r e e n e r g y d e v e l o p me n t ．Th e h i g h l y e ffi c i e n t g a s d e h y d r a t i o n t e c h n o l o g y i s a n i mp o r t a n t p a r t o f t h e e f f e c t i v e u s e o f n a t u r a l g a s ． No w i n d u s t ri a l g a s d e h y d r a t i o n me t h o d s i n e l u d e T E G d e h y d r a t i o n T E G ， mo l e c u l a r s i e v e d e h v d r a t i o n a n d l o w t e mp e r a tur e d e h y d r a t i o n ． I n r e c e n t y e a r s ， t h e me mb r a n e s e p a r a t i o n a n d s u p e r s o n i c me t h o d a r e d r a wi n g p e o p l e ’ S a t t e n t i o n ． T h e s e t wo n e w t e c h n o l o g i e s h a v e ma n y c h a r a c t e r i s t i c s ，s u c h a s s i mp l e s t r u c t u r e ，l o w e n e r g y c o n s u mp t i o n ，l o w o p e r a t i o n a n d ma i n t e n a n c e c o s t ，a n d 1 O W p o l l u t i o n ． Th e n e w fil m a n d s u p e r s o n i c d e h y dra t i o n t e c h n o l o g i e s wi l 1 b e a g r e a t s p a c e f o r d e v e l o p me n t ． Ke y wo r d s Na t u r a l g a s Me mb r a n e d e h y d r a t i o n ； S u p e r s o n i c ； E f f i c i e n t 改革开放以来 ，我国的石油天然气行业得到了 大力发展，人们的消费意识也不断增强，彻底摆脱 了自给自足的生产模式，致使天然气的需求也 日益 增长 。美国的天然气消费量高达 6 2 0 0亿 m ， a ，全 世界天然气的总消费量达到 9 5 0 0 0亿 m 。 ／ a ，而我国 2 0 1 2年天然气 的表观消费量达到了 1 4 7 5 亿 m ， 预 计到 2 0 2 0 年天然气需求量将达到 3 0 0 0 亿 m 。 可以 预见， 未来 的 5 ～ 1 0 a 将是我国的天然气行业蓬勃发 展的新时期。天然气高速发展的同时 ，随之而来的 环境 问题也必须引起人们的关注 ，由此未来天然气 净化处理行业也会也来越受到人们的重视 ，其在天 然气工业中的地位也会越来越重要，这必将增大国 家在天然气净化行业 中的投入 。 1 天然气脱水的必要性 从地下储气层中开采出来的天然气往往含有水 和水蒸气等有害物质， 在对其输送之前， 必须要进行 相应的处理， 以及防止天然气中的水蒸气在输送过程 中冷凝液化成液态水进而形成水合物， 造成管道、 仪 表的堵塞， 同时天然气管道中的液态水积聚在管低洼 处，还会降低管道的输送能力 ， 增加输送成本 ；管道 中的酸 陛气体如 ， 等溶于水中将形成酸液， 还会引起 管道内壁的腐蚀 ， 因此在对其输送使用之前必须进行 相关的处理 ，以达到相关规范的要求。目前 ，天然气 净化方法包括 分离和过滤 、冷凝分离、吸附法、吸 收法、 直接转化法和综合法等。 而应用最多的三种方 法是 三甘醇 T E G 脱水、 分子筛脱水、 低温脱水。 近年来以膜分离和超音速法脱水为代表的新型脱水 技术正日 益受到人们的关注， 相信这些新技术在不远 的将来颠覆以往的天然气脱水技术。 2 天然气脱水方法 2 ． 1 三甘醇脱水 三甘醇脱水属于溶剂吸收法的范畴，目前是天 然气行业中应用最广泛的脱水技术。其工艺设备主 要包括吸收塔、再生塔、贫富液交换器、闪蒸罐 收到 日期 2 0 1 5 - 0 4 2 9 作者简介 刘建勋 1 9 9 1 一 ，男，河南人 ，中国石油大学 北京 在读研究生，2 0 1 4年毕业于辽宁石油化工大学油气储运工程专业，研究方向 油气集输及地面工程。E - m a i l 1 3 4 7 0 5 8 8 9 3 q q ． c o rn 。 第 4 4卷第7期 刘建勋，等天然气脱水方法综述 1 5 4 9 及换热器等n 。三甘醇法稳定性好 、易再生 、脱水后 阀和透平膨胀机 。对于高压天然气这种方法是最经 天然气露点至少可以降低一 5 5℃。 目前美国使用的天 济合理的，并且已经在国内得到广泛应用。长庆采 然气脱水工艺中， 三甘醇法脱水占到大约 8 5 ％， 而海 气二厂、塔里木克拉 2等均采用该方法 ， 但是由 上天然气平台脱水占得比例更高， 达到了9 5 ％ 。 于气体膨胀节流后，其温度往往会低于水合物形成 虽然就 目 前来看， T E G技术占 得比例很大， 但 温度，因此应用该方法进行节流脱水时，需注入乙 是这种方法尚且存在一些问题主要是 系统 比较复 二醇抑制剂来抑制水合物的形成。另外低温冷凝分 杂；T E G溶液再生能耗大 ；易被污染损失大，需要 离法 的能耗费用 比三甘醇脱水还要高 ，设备复杂投 及时补充和净化， G h i a s i 用神经网络的方法对 T E G 资 比较大 ，这些都是制约其发展的主要因素 。 的纯度进行了预测 ；易被氧化生成强腐蚀性的有机 2 ． 4 膜脱水 酸；T E G脱水设备庞大，系统复杂维修不便；其次 近 2 0多年来，膜分离技术作为一种新型的气体 目前使用的撬装结构多为进口，虽然性能稳定但是 分离处理手段 ， 凭借其设备简单、能耗小、分离效 投资和运行成本比较高，消耗品价格昂贵。因此三 率高、自 动化及卫生程度高等优点， 已经逐步被人们 甘醇脱水比较适合较大规模的天然气脱水，小规模 所重视，并且已经开始代替传统的脱水方法。膜分 的天然气处理厂很难支付高额 的维护费用 ，目前这 离技术主要是利用半透膜的选择性机理 ，目前工业 种技术主要应用于集气站等大型天然气处理厂 。 中用 到的主要是 中空纤维膜p 。膜分离法在天然气 2 ．2 分子筛 脱水中有其独特的优点，未来的发展潜力巨大，但 天然气常用的固体干燥剂包括活性氧化铝、 是从 目前应用情况来看， 至今尚未能在工业上得到 硅胶和分子筛 。其 中分子筛较另外两种更为常用 ， 广泛的采用 ，可以说膜法脱水技术在天然气行业的 分子筛脱水类似三甘醇同属于物理方法 ，主要依靠 应用范围还较窄，而且规模不大。 其 内部 的丰富的孔洞实现对天然气 的脱水 ，该项脱 就 目前情况来看 ，现阶段膜分离技术仍然要 向 水技术较为成熟 ，而且分子筛设备简单操作方便 ， 基础研究方面侧重 ，高性能膜材料的研制仍然是首 在国内外被广泛应用。 要问题，气体膜分离技术将会是未来天然气脱水技 分子筛吸附脱水主要是利用其内部孔道、空腔 术的一个重要分支，如何与传统脱水工艺结合，实 依靠分子引力和热扩散原理实现对天然气中水的吸 现最优组合和最低投资，达到相互促进将是未来膜 附进而除掉天然气气体混合物 中的水蒸气。常用的 技术的有一个新 的发展方向。 分子筛有 3 A型、 4 A 型和 5 A 型。按照再生压力对 2 ． 5 超音速 分子筛进行分类 ，可分为变温再生 T S A 和变压再 超音速分离器具有 良好的脱水性能 ；在无需任 生 P S A 两大类嘲 。传统的分子筛的吸附表面积较 何外界物质的条件下，其最大露点降约为 2 0 c c 。 大，具有高效的吸附容量，寿命较长，有较高的吸 超音速技术最早应用L a v a l 喷管进行空调制冷， S h e l l 附能力组分不易被破坏 ，再生能力强 ，所需原料价 公司于 1 9 9 7年开始研发超音速脱水技术 ，之后的 格低廉 、货源充足等特性 ，得到了较广泛的应用。 几年一直是 S t o r k P r o d u c t E n g i n e e r i n g 、 S h e l l 及 T U ／ e 但分子筛脱水装置的能耗通常较高，特别是对于处 等在进行基础研究 。超音速分离器具有紧凑的高 理量较小的装置。由于分子筛脱水之后能使天然气 压系统能够选择性的出去天然气中的水分，并且不 露点能降低到一 7 3℃，甚至一 1 0 0℃， 故其多用于天 影响气体中烃类的含量。不仅如此，文献 利用湿 然气液化前的脱水工艺中。分子筛脱水的主要缺点 空气作为工作流体进行了反复试验，结果发现超音 1 设备投资和操作费用比较大，达到相同露点时， 速分离器的分离效率可达到 9 4 ％ 左右。 建设一座处理量 ／ 的处理站， 其投资比 T E G法高 超音速分离技术可以说是 目 前比较新颖的天然 出将近 5 3 ％嘲 ；2能耗大 ，吸附剂难 以实现再生需 气ll ,k净化技术 ，虽然 目前并未大规模的投入使用， 要经常更换；3分子筛 的再生、回收困难 。 但是在笔者看来未来的 5 ～ 1 0 a这种技术将被广泛的 2 ．3 低温冷凝 应用到各大天然气处理厂 。同常规脱水技术相比， 该技术主要是利用膨胀降温达到脱水目的， 属具有设备结构简单、 投资小、 效率高、 对气体无污染、 于物理法脱水。传统的方法是使气体经绝热可逆膨 不会形成水合物且对环境无污染等优点， 但是其缺点 胀致使温度降低，使气态水冷凝液化后分离出来。 是压力损失过大。由于我国天然气开采具有压降陕和 其工艺流程包括 热交换 、气液分离 、制冷和排液 流量变化大的特点 ， 超音速脱水技术在我国的应用还 四部分。 目 前， 天然气行业中比较常见的设备是 卜T 存在一定的问题， 有待于进一步改进。 下转第1 5 5 2 页 1 5 5 2 当 代 化 工 2 0 1 5 年 7月 能更显著。 4 结论与建议 我国致密油分布广泛，储量巨大，是一种有效 的接替能源，对其进行开发意义巨大。在目前广泛 开展的长水平井多段压裂的基础上，探索利用渗吸 的方法使裂缝中的水进入致密基质，对基质中原油 进行有效动用将成为致密油开发的一种有效方法。 但针对渗吸过程中，原油如何通过致密基质中的喉 道从而进入裂缝被采出，是致密油渗吸中的一个关 键问题。表面活性剂的有效利用，将成为提高致密 油渗吸采出程度的重要手段。 参考文献 [ I ]C a n d e r H ． Wh a t i s u n c o n v e n t i o n a l r e s o u r c e s [ R } ．L o n g B e a c h ， C a l i f o r n i a AAP G A n n u a l C o n v e n t i o n a n d E x h i b i t i o n ，2 0 1 2 ． [ 2] L e d i n g h a m， G l e n w，S a n t i g o P o o l ，K e m C o u n t y ，C al i f o mi a G e o l o g i c a l n o t e [ J } ． A A P G B u l l e t i n ， 1 9 4 7 ， 3 1 1 1 2 0 6 3 - 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l i q u i d i n t e rf a c e s [ J } ． A d v a n c e s i n C o l l o i d a n d I n t e rf a c e S c i e n c e ，2 0 0 0 ，8 8 1 2 1 7 9 2 0 8 [ 1 3] 李卫成， 张艳梅， 王芳， 朱静口 十 博．应用恒速压汞技术研究致密油储 层微观孔喉特征以鄂尔多斯盆地上三叠统延长组为例I 】 j _ 岩 性油气藏，2 0 1 2 ， 0 6 6 0 6 5 ． 上接 第 1 5 4 9页 3 结 论 天然气的高效开发和利用越来越受到人们的 重视， 可以预见， 随着科技的进步， 未来会有更多 的新技术、新方法来投入到天然气脱水净化当中。 现阶段应用于天然气脱水的技术方法比较多， 这就 要求我们 ，应结合脱水的要求 、处理规模并结合各 种脱水方法的特点进行经济和技术方面的综合论 证 ，从而选择最为合适的方法和脱水工艺。另外 ， 如何将已有的脱水工艺与新型的膜、 超音速等脱水 方法结合 ， 形成一种新型的集成脱水技术 ，最终实 现对天然气进行高效脱水将是我们必须解决 的问 题。 参 考文献 [ 1] 王念兵，王东芳， 张辉． 天然气三甘醇脱水系统工艺技术[ J 】 l 油气 田地面工程， 2 0 0 3 ， 2 2 5 8 0 ． [ 2 ] 谢滔，宋保建， 闫蕾， 等． 国内外天然气脱水工艺技术现状调研[ J ] l 科技创新与应用， 2 0 1 2 2 1 4 8 4 9 ． [ 3]G h i a s i M M， B a h a d o r i A， Z e n d e h b o u d i S ． E s t i ma t i o n o f t r i e t h y l e n e g l y c o l T E G p u r i t y in n a t u r a l g a s d e h y d r a t i o n u n i t s u s i n g f u z z y n e u r a l n e t wo r k [ J ] ． J o u r n a l o f N a tu r a l G a s S c i e n c e a n d En g i n e e rin g ， 2 0 1 4 ， 1 7 2 6 3 2 ． [ 4] 刘丽．天然气膜法脱水净化技术及应用[ J J ． 当代化工，2 0 0 1 0 4 21 4 ． 2l 8 ． [ 5 ] 陈召财， 任亚峰， 赵兴怀， 等． 分子筛脱水工艺分析与比较[ J J ．化学 工程与装备， 2 0 1 2 0 2 1 2 1 1 2 2 ． [ 6 J李明， 魏志强， 张磊等． 分子筛脱水装置节能探讨[ J ] l石油 与天然气 化工 ， 2 0 1 2 4 1 0 2 1 5 6 - 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