天然气净化

第8章 天然气净化 一般认为，天然气净化工艺包括天然气脱硫脱碳、脱水、硫磺回收及尾气处理4类工艺。天然气脱硫脱碳及脱水是为了达到商品天然气的质量指标；硫磺回收及尾气处理则是为了综合利用和环保要求。 国外也常将天然气净化（Natural Gas Purification）称为天然气处理（Natural Gas Treatment），有时还称为天然气调质（Natural Gas Conditioning）。

8.1分离器 8.1.1 旋风分离器

(1)工作原理 净化天然气通过设备入口进入设备内旋风分离区，当含杂质气体沿轴向进入旋风分离管后，气流受导向叶片的导流作用而产生强烈旋转，气流沿筒体呈螺旋形向下进入旋风筒体，密度大的液滴和尘粒在离心力作用下被甩向器壁，并在重力作用下，沿筒壁下落流出旋风管排尘口至设备底部储液区，从设备底部的出液口流出。旋转的气流在筒体内收缩向中心流动，向上形成二次涡流经导气管流至净化天然气室，再经设备顶部出口流出。 性能指标 (2)作用 旋风分离器设备的主要功能是尽可能除去输送介质气体中携带的固体颗粒杂质和液滴，达到气固液分离，以保证管道及设备的正常运行。 (3)分离精度 旋风分离器的分离效果：在设计压力和气量条件下，均可除去≥10μm的固体颗粒。在工况点，分离效率为99%，在工况点±15%范围内，分离效率为97%。 压力降 正常工作条件下，单台旋风分离器在工况点压降不大于0.05MPa。 设计使用寿命 旋风分离器的设计使用寿命不少于20年。 (4)结构设计 旋风分离器采用立式圆筒结构，内部沿轴向分为集液区、旋风分离区、净化室区等。内装旋风子构件，按圆周方向均匀排布亦通过上下管板固定；设备采用裙座支撑，封头采用耐高压椭圆型封头。设备管口提供配对的法兰、螺栓、垫片等。通常，气体入口设计分三种形式：a) 上部进气b) 中部进气c)下部进气 对于湿气来说，我们常采用下部进气方案，因为下部进气可以利用设备下部空间，对直径大于300μm或500μm的液滴进行预分离以减轻旋风部分的负荷。而对于干气常采用中部进气或上部进气。上部进气配气均匀，但设备直径和设备高度都将增大，投资较高；而中部进气可以降低设备高度和降低造价。 (5)应用范围及特点 旋风除尘器适用于净化大于1-3微米的非粘性、非纤维的干燥粉尘。它是一种结构简单、操作方便、耐高温、设备费用和阻力较高（80～160毫米水柱）的净化设备，旋风除尘器在净化设备中应用得最为广泛。 改进型的旋风分离器在部分装置中可以取代尾气过滤设备。

8.1.2 油气分离器 油气分离器是把油井生产出的原油和伴生天然气分离开来的一种装置。油气分离器置于潜油离心泵和保护器之间，将井液中的游离气体与井液分离，液体送给潜油离心泵，气体释放到油管和套管环形空间。 有时候分离器也作为油气水以及泥沙等多相的分离、缓冲、计量之用。从外形分大体有三种形式，立式、卧式、球形。 油气分离元件是决定空压机压缩空气品质的关键部件，高质量的油气分离元件不仅可保证压缩机的高效率工作，且滤芯寿命可达数千小时。从压缩机头出来的压缩空气夹带大大小小的油滴。大油滴通过油气分离罐时易分离，而小油滴（直径1um以下悬浮油微粒）则必须通过油气分离滤芯的微米及玻纤滤料层过滤。油微粒经过滤材的扩散作用，直接被滤材拦截以及惯性碰撞凝聚等机理，使压缩空气中的悬浮油微粒很快凝聚成大油滴，在重力作用下油集聚在油分芯底部，通过底部凹处回油管进口返回机头润滑油系统，从而使压缩机排出更加纯净无油的压缩空气。压缩空气中的固体粒子经过油分芯时滞留在过滤层中，这就导致了油分芯压差（阻力）不断增加。随着油分芯使用时间增长，当油分芯压差达到0.08到0.1Mpa时，滤芯必须更换，否则增加压缩机运行成本（耗电）。

8.1.3 气液分离器 饱和气体在降温或者加压过程中，一部分可凝气体组分会形成小液滴随气体一起流动。气液分离器作用就是处理含有少量凝液的气体，实现凝液回收或者气相净化。其结构一般就是一个压力容器，内部有相关进气构件、液滴捕集构件。一般气体由上部出口，液相由下部收集。汽液分离罐是利用丝网除沫，或折流挡板之类的内部构件，将气体中夹带的液体进一步凝结、排放， 以去除液体的效果。基本原理是利用气液比重不同，在一个突然扩大的容器中，流速降低后，在主流体转向的过程中，气相中细微的液滴下沉而与气体分离，或利用旋风分离器，气相中细微的液滴被进口高速气流甩到器壁上，碰撞后失去动能而与转向气体分离。 分离方法 气液分离器采用的分离结构很多，其分离方法也有：1、重力沉降；2、折流分离；3、离心力分离；4、丝网分离；5、超滤分离；6、填料分离等。 分离原理 (1)重力沉降原理 由于气体与液体的密度不同，液体在与气体一起流动时，液体会受到重力的作用，产生一个向下的速度，而气体仍然朝着原来的方向流动，也就是说液体与气体在重力场中有分离的倾向，向下的液体附着着在壁面上汇聚在一起通过排放管排出。 (2)折流分离原理 由于气体与液体的密度不同，液体与气体混合一起流动时，如果遇到阻挡，气体会折流而走，而液体由于惯性，继续有一个向前的速度，向前的液体附着在独挡壁面上由于重力的作用向下汇集到一起，通过排放管排出。 (3)离心分离原理 由于气体与液体的密度不同，液体与气体混合一起流动时，液体收到的离心力大于气体，所以液体有离心分离的倾向，液体附着在分离壁面上由于重力的作用向下汇集到一起，通过排放管排出。 (4)填充分离原理 由于气体与液体的密度不同，液体与气体混合一起流动时，如果遇到阻挡，气体会折流而走，而液体由于惯性，继续游一个向前的速度，向前的液体附着在独挡填料表面上由于重力的作用向下汇集到一起，通过排放管排出。由于填料相对普通折流分类来说具有大得多的阻挡手机壁面积，而且多次反复折流，液体很容易着壁，所以其分离效率有提高。 8.1.4 天然气过滤分离器 天然气过滤分离器是以离心分离、丝网捕沫和凝聚拦截的机理，对天然气进行粗滤、半精滤、精滤的三级过滤设备，是去除气体中的固体杂质和液态杂质的高效净化装置。净化效率高，容尘量大，运行平稳，投资运行费用低，安装使用简便。适用于天然气、城市煤气、矿井气、液化石油气、空气等多种气体。是石化、冶金、燃气等工业部门必不可少的净化设备。

8.2 天然气脱水 若天然气中含有水分，则在液化装置中，水在低于零度时将以冰或霜的形式冻结在换热器的表面和节流阀的工作部分。另外，天然气和水会形成天然气水合物，它是半稳定的固态化合物，可以在零度以上形成，它不仅可以导致管线堵塞，也可造成喷嘴和分离设备的堵塞。水合物形成温度的影响因素主要有以下三个方面：①混合物中重烃特别是异丁烷的含量；②混合物的组分，即使密度相同而组分不同，气体混合物形成水合物的温度也大不相同；③压力愈高，生成水合物的起始温度也愈高。 为了避免天然气中由于水的存在造成堵塞现象，通常须在高于水合物形成温度时就将原料气中的游离水脱除，使其露点达到-100℃ 以下。目前，常用的天然气脱水方法有冷却法、吸收法和吸附法等。

8.2.1.1 天然气脱水的必要性 ①水的析出将降低输气量，增加动力消耗 ；②水的存在将加速H2S或CO2对管线和设备的腐蚀；③导致生成水合物，使管线和设备堵塞。 因上述三方面原因，所以有必要对天然气进行脱水处理。 8.2.1.2 天然气脱水方法 ①低温法脱水；②溶剂吸收法脱水；③固体吸附法脱水；④应用膜分离技术脱水。 8.2.1.3 天然气脱水深度 ①满足用户的要求；②管输天然气水露点在起点输送压力下，宜比管外环境最低温度低5～7℃；③对天然气凝液回收装置，水露点应低于最低制冷温度5～7℃。

8.2.2.1 冷却脱水 冷却脱水是利用当压力不变时，天然气的含水量随温度降低而减少的原理实现天然气脱水。此方法只适用于大量水分的粗分离。 对于气体，增加气体的压力和降低气体的温度，都会促使气体的液化。对于天然气这种多组分的混合物，各组分部分的液化温度都不同，其中水和重烃是较易液化的两种物质。所以采用加压和降温措施，可促使天然气中的水分冷凝析出。天然气中的露点随气体中水分降低而下降。脱水的目的就是使天然气中水的露点足够低，从而防止低温下水冷凝，冻结及水合物的形成。 对于井口压力很高的气体，可直接利用井口的压力，对气体进行节流降压到管输气的压力，根据焦耳-汤姆逊的效应，在降压过程中，天然气的温度也会相应降低，若天然气中水的含量很高，露点在节流后的温度以上，则节流后就会有水析出，从而达到脱水的目的。 对于压力比较低的天然气，可采用制冷方式进行冷却脱水。首先对天然气进行压缩，使天然气达到高温高压、经水冷却器冷却，再经节流元件进行节流，从而使温度降至天然气中水的露点以下，则水从天然气中析出，实现脱水。 若冷却脱水过程达不到作为液化厂原料气中水露点的要求，则还应采用其它方法对天然气进行进一步的脱水。 通常用冷却脱水法脱除水分的过程中，还会脱除部分重烃。

8.2.2 .2 吸收脱水 吸收脱水是用吸湿性液体（或活性固体）吸收的方法脱除气流中的水蒸气。 用作脱水吸收剂的物质应具有以下特点：对天然气有很强的脱水能力，热稳定性好，脱水时不发生化学反应，容易再生，粘度小，对天然气和液烃的溶解度较低，起泡和乳化倾向小，对设备无腐蚀性，同时还应价格低廉，容易得到。 甘油是最先用来干燥燃料气体的液体之一。下面分析几种常用醇类脱水吸收剂的优缺点。 1. 甘醇胺溶液 优点：可同时脱水、H2S和CO2，甘醇能降低醇胺溶液起泡倾向。 缺点：携带瞬失量较三甘醇大；需要较高的再生温度，易产生严重腐蚀；露点降小于三甘醇脱水装置，仅限于酸性天然气脱水。 2. 二甘醇水溶液 优点：浓溶液不会凝固；天然气中含有硫、氧和CO2存在时，在一般操作温度下溶液性能稳定，高的吸湿性。 缺点：携带瞬失比三甘醇大；溶剂容易再生，但用一般方法再生的二甘醇水溶液的体积分数不超过95%；露点降小于三甘醇溶液，当贫液的质量分数为95%～96%时，露点降约为28%；投资高。 3. 三甘醇水溶液 优点：浓溶液不会凝固；天然气中含有硫、氧和CO2存在时，在一般操作温度下溶液性能稳定，高的吸湿性；容易再生，用一般再生方法可得到体积分数为98.7%的三甘醇水溶液；蒸汽压低，携带损失量小，露点和降大，三甘醇的质量分数为98%～99%时，露点降可达33～42℃。

缺点：投资高；当有轻质烃液体存在时会有一定程度的起泡倾向，有时需要加入消泡剂。三甘醇脱水由于露点降大和运行可靠，在各种甘醇类化合物中其经济效果最好，因而国外广为采用。我国主要使用二甘醇或三甘醇，在三甘醇脱水吸收剂和固体脱水吸附剂两者脱水都能满足露点降的要求时，采用三甘醇脱水经济效应更好。 甘醇法脱水装置的典型工艺流程见图8-1。湿原料气经粗分离器出脱水后，从底部进入