国内外天然气脱水技术发展现状及趋势.pdf

2 01 1正 第 6 期 管 道 技 术 P i p e l i n e T e c h n i q u e 5 设 备 a n d E q u i p me n t 2 01 1 No ． 6 国内外天然气脱水技术发展现状及趋势 马卫锋 ， 张 勇。 ， 李 刚 ， 罗金恒 ， 陈志昕 ， 张华 ， 赵新伟 1 ． 中国石油集团石油管工程技术研究院安全评价与完整性研究中心， 陕西西安7 1 0 0 6 5 ； 2 ． 塔里木油田销售事业部， 新疆库尔勒8 4 1 0 0 0 摘要 天然气脱水是天然气净化过程中必不可少的环节， 选择合适的脱水技术和工艺是非常必要 的。概述了目前国内外油气田普遍应用的传统天然气脱水技术， 包括溶剂吸收法、 固体吸附法、 冷冻分 离法。总结了传统天然气脱水技术的原理、 应用现状及 目 前存在的主要问题。对比传统的天然气脱水 技 术， 阐述 了近年来新型的膜分离脱水技 术和超音速脱水技 术的原理、 技 术优势及 其工业应用急需解 决的问题， 并预测了天然气脱水技术未来的发展趋势。 关键词 天然气； 脱水； 油气田 中图分类号 T E 8 6 8 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 4 9 6 1 4 2 0 1 1 0 6 0 0 4 9 0 3 De v e l o p me n t S t a t u s a n d Tr e n d o f Na t u r a l Ga s De hy d r a t i o n Te c h ni q ue a t Ho m e a n d Abr o a d MA W e i - f e n g ， Z HAN G Yo n g ， L I Ga n g ， L UO J i n ． h e n g ， CHE N Z h i ． x i n ， Z HAN G Hu a ， Z HAO Xi n ． we i 1 ． S e ty a n d I n t e g r i t y As s e s s me n t C e n r i n Re s e a r c h I n s t i t u t e o f C N P C T u b u l a r G o o d s Re s e a r c h I n s t i t u t e ， X i ’ 8 1 1 7 1 0 0 6 5 ， C h i n a ； 2 ． S a l e s D e p a r t me n t o f P e t r o C h i n a T a r i i n O i l fi e l d C o mp a n y ， Ko r l a 8 4 1 0 0 0， C h i n a Ab s t r a c t T h e n a t u r a l g a s d e h y d r a t i o n i s a ll e s s e n t i al l i n k i n t h e p u r i fi c a t i o n c o u r s e o f n a t u r al g a s ， S O i t i s v e r y e s s e n ti al t o c h o o s e s u i t a b l e d e h y d r a t i o n t e c h n o l o g i e s a n d c r a f t s ． T h i s p a p e r r e v i e ws t h e c o n v e n t i o n al d e h y dra t i o n t e c h n i q u e o f n a t u r al g as u s e d i n d o me s ti c and o v e r s e a o i l a n d g as fi e l d s ， a n d t h e n t h e p rin c i p l e， d e v e l o p me n t s t a t u s a n d p mb l e ms o f e v e r y d e h y dra t i o n t e c h n i q u e a r e s u mma r i z e d ． I n c o mp a r i s o n wi th t h e c o n v e n t i o n a l d e h y d r a t i o n t e c h n i q u e ， t h e p ri n c i p l e ， a d v ant a g e a n d e x i g e n t p r o b l e ms o f t h e n e wl y - d e v e l o p e d s e p a r a t i o n and s u p e r s o n i c d e h y d r a t i o n t e c h n i q u e are p r e s e n t e d， and i t s f u t u r e d e v e l o p me n t t r e n d i s p r e d i c t e d ． Ke y wo r d s n a t u r al g as； d e h y d r a t i o n； o i l and g as fi e l d 0 引言 天然气脱水的实质就是使天然气从饱和状态变 为不被水饱和状态。传统的天然气脱水方法， 可以分 为溶剂吸收法、 固体吸附法、 冷冻分离法和化学反应 法等 J ， 其中化学反应法的工业应用极少， 而溶剂吸 收法和固体吸附法应用极为广泛。 1 传统脱水技术基本原理及应用现状 1 ． 1 溶剂吸收法 溶剂吸收法的原理为 利用溶剂对天然气、 烃类 的溶解度低 ， 而对水的溶解度高和对水蒸气吸收能力 强的特点， 使天然气中的水蒸气及液态水被溶剂吸 收， 然后再将吸水后的溶剂与天然气分离； 吸水溶剂 除水分再生后， 返回系统循环使用。 由于醇类化合物具有很强的吸水性， 因此用作吸 收剂的物质多为分子量高的醇类， 如乙二醇、 二甘醇 收稿日期 2 0 1 0 1 1 1 2 收修改稿日期 2 0 1 1 0 6 0 3 和三甘醇 T E G 。最先用于天然气脱水吸收剂的是 二甘醇， 但后来发现三甘醇的热稳定性更好， 且易于 再生， 蒸汽压低， 携带损失量更小， 在相同质量分数的 甘醇条件下， T E G能获得更大的露点降。 基于上述优点， 它取代二甘醇成为最主要的脱水 溶剂。据统计 ， 在美 国投 入使用 的溶剂 吸收法 中， 三 甘醇吸收剂占8 5 ％。常见的三甘醇脱水系统主要包 括分离器、 吸收塔和三甘醇再生系统， 应用了吸收、 分 离、 气液接触、 传质、 传热及抽提等工艺原理， 露点降 可以达到3 0 6 0℃， 最高可达 8 5℃． 另外， 工业实践证明， 降低出塔干气露点的主要 途径是提高贫 T E G溶液的浓度和降低原料气温度， 但 由于后者很难在工业装置上实现， 因此提高T E G浓度 成为提高露点降的关键因素。在 T E G浓度固定时， 使 吸收塔板数增多和循环量增大也是降低露点降的实 际措施， 但工业上塔板数一般不超过 1 0 ， 循环量最高 5 0 P i p e l i n e T e c h n i q u e a n d E q u i p me n t No v ． 2 0 1 1 不应超过3 3 L ／ k g 水 。T E G价格较贵， 应尽可能降 低其损失量。工业上一般采取合理选择操作参数、 改 善分离效果、 保持溶液清洁、 安装涂沫网和加注消泡 剂等有效措施， 降低 T E G的损失量。 目前 ， 三甘醇脱水面临的主要 问题有 系统 比较 复杂， 三甘醇溶剂再生能耗大， 存在损失、 被污染、 氧 化生成腐蚀性有机酸等问题， 设备所占空间大， 设备 维护复杂。以上原因造成三甘醇脱水法投资和运行 成本过高。 目前 ， 国内的撬装三甘醇脱水系统多从国 外进 口， 虽然性能良好， 但也存在一次性投资 比较大 、 零配件和消耗品不易购买且周期长、 价格昂贵、 计量 标准和测量系统与国内实际情况不适应等问题。 1 ． 2 固体吸附法 吸附法是用多孔性的固体吸附剂处理气体混合 物 ， 使其中所含的一种或数种组分吸附于固体表面上 以达到分离的操作。固体吸附法的工作原理根据机 理不同而分为 2 种， 即物理吸附和化学吸附。物理吸 附是指固体表面上的原子价已饱和 ， 表面分子和吸附 物之间的作用力是分子之 间引力 即范德华力 ； 而化 学吸附则指固体表面原子价未饱和， 与吸附物之间有 电子转移 ， 并形成化学键。物理吸附过程是可逆 的 ， 吸附和脱附可通过调节温度和压力改变平衡方 向实 现 ， 而化学吸附则不可逆 ， 吸附剂不能再生。因此 ， 用 于天然气脱水的吸附过程多为物理吸附。 目前 ， 工业上 常用的固体吸附剂有硅胶 、 活 性氧 化铝、 分子筛。而分子筛具有更多的优点， 如吸附性 选择性强， 具有高效吸附容量， 且使用寿命长， 并不易 被液态水破坏， 因而得到了广泛应用。分子筛脱水系 统一般包括 2个或 3个处于脱水 、 再生和吹冷状态 的 干燥器， 以及再生气加热系统， 故分子筛脱水主要问 题为设备投资和操作费用比较高， 分子筛再生能耗 大， 而且天然气中的重烃、 H s和 C O 等可使固体吸 附剂污染。 虽然溶剂吸收法适合大流量高压天然气脱水， 但 其脱水深度有限， 露点降一般不超过 4 5 oC； 尽管固体 吸附法在天然气工业上的应用没有 T E G溶剂吸收法 广泛， 但在露点降要求超过4 4 c 【 时， 就应该考虑采用 固体吸附方法。 1 ． 3 冷冻分离法 冷冻分离法的原理是利用天然气饱和含水汽量 随温度降低、 压力升高而减小的特点， 将被水汽饱和 的天然气冷却降温或先增压再降温的方法脱水。冷 却方法包括直接冷却法、 加压冷却法、 节流膨胀制冷 和机械制冷等方法 。冷冻分离法具有流程简单 、 成本 低等优点， 特别适合用于高压气体。该方法是国内气 田中除三甘醇法外应用较多的天然气脱水方法， 长庆 采气二厂、 塔里木克拉2等均采用冷冻分离方法脱水。 对于要求深度脱水的气体， 冷冻分离法一般作为辅助 脱水措施， 将天然气中大部分水分先行脱除， 然后再 用其他方法进一步脱水， 国内陆上油田气的脱水方法 均采用这样的做法。但当天然气压力不足时， 使用冷 冻分离法脱水达不到管输要求， 而增压或外部引入冷 源不经济时， 则必须采用其他脱水方法。冷冻分离法 目 前的主要问题为耗能高、 水露点高等。 2 新型脱水技术基本原理及发展趋势 近年来， 一些新技术逐渐被应用到天然气脱水行 业中， 如膜分离脱水技术和超音速脱水技术。这两种 新技术均使得天然气脱水技术向着体积小、 能耗少、 运行费用低、 操作维护简单方便、 环境污染小等方向 发展， 彻底弥补了现有天然气脱水系统复杂、 体积大、 操作复杂 、 污染大和运行费用高 的不足 。因此 ， 这些 新兴的天然气脱水技术具有良好的市场前景。 2 ． 1 膜分离脱水技术 膜分离技术 的原理 是利用物质通过半透膜 的可 释性机理， 其过程表现为混合物中各组分在压力差或 浓度差等条件下通过界面膜进行传质， 利用各组分在 膜中不同的优先或选择渗透性实现组分分离。天然 气膜分离脱水技术就是利用特殊设计和制备的膜材 料对天然气 中酸性组分 如 H O 、 C O 和 H S 的优先 选择渗透进行脱除， 如醋酸纤维膜对水汽的渗透流速 比甲烷要大 5 0 0 倍左右， 非常适合用于从天然气中脱 除水分 。 最先在工业上成功利用膜分离技术分离气体的 是 M o s a t o n 公司， 该公司于 1 9 7 9年研制出用于分离 C O ， 的 P R I S M膜分离器， 分离效果较好。2 0世纪 8 O 年代， 国外开始研究用膜分离技术进行天然气脱水处 理， 截至目前， 该技术在工业中的应用主要集中在美 国、 加拿大和日本等国。国内对天然气膜分离脱水技 术的研发始于 2 0 世纪9 0年代， 中科院大连化学物理 所和中科院长春应用化学所等单位对该技术进行了系 统研究， 并取得了很大的进展。其中， 中科院大连化学 物理研究所于 1 9 9 4年研制出了中空纤维膜脱水装置， 并将该装置在长庆气田 进行了脱水试验， 进一步开发出 了天然气膜分离技术脱水工业试验装置， 进行了现场试 第6 期 马卫锋等 国内外天然气脱水技术发展现状及趋势 5 1 验， 采用复合膜结构， 膜组件构造是中空纤维式。试验 结果表面 在压力为 4 ． 6 M P a 时， 净化天然气水露点达 到 一 8一一l 3 q C， 甲烷 回收率不低于 9 8 ％_ 2 J 。另外 ， 相 比应用较广泛的传统三甘醇脱水技术， 其富甘醇液需要 热能驱赶水分再生 ， 且在海上气处理平 台占用空间大； 膜分离脱水技术装置所具有特点对海上气田和偏远地 区气田更具有吸引力和竞争力。 膜分离脱水技术虽然因其众多优点具有非常大 的应用潜力， 但要实现广泛的工业应用仍需解决一些 问题 ， 这些问题主要包括烃损失 问题 、 膜 的塑化 和溶 胀性问题、 浓差极化问题和一次性投资较大问题。另 外， 膜材料也是发展膜分离技术的关键问题之一， 理 想的膜材料应具有高透气性、 良好的透气选择性、 高 强度 、 良好 的热稳定性 、 化学稳定性 和较好 的成膜加 工性能。目前 ， 无机膜材料主要有无机致密膜和微孔 膜两大类， 有机膜有纤维素类、 聚酰胺类和改性膜材 料。为了减少产品气损失， 选择和开发承压能力更 高、 稳定性更好和选择性更高的膜材料已成为膜分离 技术开发和研究的热点。鉴于上述问题， 膜分离技术 仍需加强基础研究 ， 开发和研制高性能的分离膜材 料； 另外， 应当将膜分离技术和其他处理技术相结合， 利用各技术特有的优势， 从而实现最优的工艺组合和 最低的经济投资， 为膜分离技术在天然气行业中的应 用开拓更大的空间。 2 ． 2 超音速脱水技术 天然气超音速脱水技术按照其原理属于传统方 法中的冷冻分离法， 该技术的发展基于航天技术的空 气动力学应用成果。它的核心部件为超音速分离器， 它利用拉瓦尔喷管使天然气在 自身压力作用下加速 到超音速， 此时天然气温度和压力会急剧降低， 天然 气中的水蒸汽将冷凝成小液滴， 利用气流旋转将这些 小液滴分离， 并对干气进行再压缩。天然气超音速脱 水系统将膨胀机、 分离器和压缩机的功能集中到一个 管道中， 不仅简化了脱水系统， 也提高了系统的可靠 性， 使得该技术具有效率高、 能耗低、 体积小、 运行成 本低、 环保、 安全可靠和经济效益高等优点， 克服了传 统脱水技术的诸多缺点。 天然气超音速脱水技术由壳牌石油公司于 1 9 9 7 年开始进行研究， 并通过一系列研究验证了该技术长 期稳定的工作能力， 于 1 9 9 9年和 2 0 0 0年先后进行了 现场试验， 在马来西亚进行了第一套商业产品运行， 取得了较好 的效果。近年来， 俄罗斯 E N G O属下的 T r a n s l a n g 公司针对超音速分离技术进行了大力研究， 并于 2 0 0 4年 9月在西伯利亚成功投运 了 2台超音速 分离装置 ， 年产能超过 41 0 m ， 该系统至今运行 良 好 j 。国内对超音速脱水技术的研究较少， 胜利油田 胜利工程设计咨询有 限公司通过多年攻关 ， 成 功开展 了室内超音速脱水试验和现场试验， 研制出了天然气 超音速脱水装置， 并建立了国内第一个涡流气体净化 分离装置实验台， 完成了室内实验和现场中试。另 外， 北京工业大学刘中良教授在借鉴国际先进技术的 基础上， 与胜利油田合作， 对基于井口余压的高效超 音速分离管技术进行了系统研发， 并形成了具有 自主 知识产权的新型高效超音速天然气脱水净化技术。 试验表明， 利用该技术可以非常有效地脱除天然气中 的水分和重烃， 脱水净化效果达到国际先进水平。 作为近年来出现的一种 新型的天然气 脱水处理 技术， 超音速脱水技术目前存在应用经验不足并具有 一 定的局限性问题。在工业应用方面 ， 国外一些企业 对其进行了试点应用， 而国内的应用很少。与传统脱 水技术相比， 它是一种典型的节能环保新型天然气脱 水技术 ， 具 有突 出的优点 和市场实 际应 用前 景。因 此， 应当加大对其研究开发力度， 尽早实现该技术在 国内的工业实际应用； 该技术的推广必将显著降低天 然气脱水行业的工程投资和生产运行成本。 3 结束语 目前， 国内天然气正进入快速发展的历史新阶 段， 天然气开发和利用已成为国内未来能源工程中的 新课题。因此， 开展天然气脱水技术研究非常必要并 具有意义。现阶段天然气工业化脱水技术 比较多 ， 应 结合脱水的目的、 要求、 处理规模和各技术的特点进 行经济和技术对比， 最终确定最为合适的脱水技术和 工艺。另外 ， 对新型的膜分离脱水技术和超音速脱水 技术应该加速开发研究和推广， 并使其与传统的脱水 技术相结合， 形成天然气集成处理技术， 最终实现最 优工艺组合和最低经济投资的天然气处理技术。 参考文献 [ 1 ] 杨思明． 天然气脱水方法． 中国海上油气 工程 ， 1 9 9 9 ， l 1 6 61 2 ． [ 2 ] 魏星， 黄维菊， 陈文梅． 国内外膜分离法天然气脱水研究 现状． 过滤与分离， 2 0 0 7 ， 1 7 4 3 7 4 1 ． [ 3 ] 白宇， 高昌保 ， 朱政洪， 等． 超音速脱水技术应用进展． 当 代化工， 2 0 0 9 ， 3 8 3 2 6 92 7 1 ． 作者简介 马卫锋 1 9 7 9 一 ， 工程师， 博士， 从事油气输送管道 复合修复补强技术等研究工作。