摘要：結(jié)合工程實例，對天然氣液化廠脫水脫硫醇方法進(jìn)行比選，確定采用分子篩吸附法，在同一分子篩塔內(nèi)放置脫水分子篩床、脫硫醇分子篩床。以5塔為例，介紹脫水脫硫醇流程。對3塔、4塔、5塔流程的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了比較，5塔流程的經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)。

關(guān)鍵詞：天然氣液化廠　脫水　脫硫醇　吸附法　分子篩

Comparison and Selection of Schemes for Dehydration and Mercaptan Removal at Natural Gas Liquefaction Plant

    Abstract: The methods for dehydration andmercaptan removal at natural gas liquefaction plant arecompared and selected with an engineering case．It isdetermined that molecular sieve adsorption method isused．The dehydration molecular sieve bed and mercaptan removal molecular sieve bed are placed in the

same molecular sieve bed tower．Taking the five towersfor example，the process flow for dehydration and mercaptan removal is introduced．The economy of thethree towers，four towers and five towers process flows is compared，and the economy of the five towers process flow is optimum．

Key words : natural gas liquefaction plant；dehydration；mercaptan removal；adsorption method；molecular sieve

1　概述

尋找和收購氣源并在國外建設(shè)大型天然氣液化廠，有利于保障國內(nèi)LNG接收站的供應(yīng)。國內(nèi)小型天然氣液化廠的建設(shè)逐漸成熟，積累了很多經(jīng)驗。但對于大型天然氣液化廠的建設(shè)，由于天然氣處理量大，面臨著工藝設(shè)計和設(shè)備選型的問題。隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國對能源的需求越來越大。天然氣作為重要能源在能源消費結(jié)構(gòu)中的比例逐年提高，在國家十二五規(guī)劃中，天然氣在一次能源消費的比重從2010年的4%提高到2015年的8%。

　　與煤炭、石油相比，天然氣是一種比較清潔的能源，進(jìn)口量逐年增加，國家發(fā)改委預(yù)測2015年天然氣消費量將達(dá)到2600×10⁸m³，其中有900×10⁸m³，需要進(jìn)口，屆時對外依賴度將達(dá)到30％以上。液化天然氣(LNG)是天然氣的主要進(jìn)口方式，預(yù)計在未來10年內(nèi)將達(dá)到4000×10⁴t。我國已建成6座LNG接收站，在籌建的有十多座，制約我國LNG進(jìn)口的主要是氣源和氣價問題。為了突破氣源的限制，國內(nèi)油氣公司積極在海外籌建大型天然氣液化廠。在天然氣液化廠中，天然氣需要經(jīng)過預(yù)處理工藝脫除天然氣中的酸、水、硫醇、汞等雜質(zhì)，才能進(jìn)入液化流程。本文結(jié)合工程實例，對天然氣液化廠脫水脫硫醇方案進(jìn)行比選。

2　工程概況

①　脫水脫硫醇單元原料氣工藝參數(shù)

某大型天然氣液化廠的年處理量為260×10⁴t／a，在預(yù)處理系統(tǒng)中，天然氣經(jīng)過油氣分離、計量后進(jìn)人脫酸脫碳單元，脫除天然氣中的硫化氫、二氧化碳。從脫酸脫碳單元出來的天然氣(即脫水脫硫醇單元的原料氣)進(jìn)入脫水脫硫醇單元，脫除其中的水、硫醇^[1]。原料氣的工藝參數(shù)為：處理量：1000×10⁴m3／d，壓力：6.3 MPa，溫度：45℃。原料氣的組成見表1。

②　脫水脫硫醇負(fù)荷

原料氣經(jīng)脫水脫硫醇單元處理后要求：水質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤1×10^-6，硫醇質(zhì)量濃度≤16.0mg／m³。脫水脫硫醇負(fù)荷可采用HYSYS工藝模擬軟件進(jìn)行計算，先在模擬管理中定義天然氣的組成清單，選擇Peng-Robinson流體計算包進(jìn)行計算，然后進(jìn)入流程模擬，定義一個流程，輸入天然氣的組成、溫度、壓力、流量等工藝參數(shù)，可計算得到該項目脫水脫硫醇單元的脫水負(fù)荷為667.9kg／h，脫硫醇負(fù)荷為808.7kg／h。

3　脫水脫硫醇方法比選

①　脫水方法

天然氣脫水方法主要有吸附法、冷卻法、甘醇吸收法、膜分離法等，各種脫水方法的綜合比較見表2。該項目為大型天然氣液化廠，要求天然氣中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤1×10^-6，常壓露點-70℃。由表2可知，單純采用冷卻法、甘醇吸收法、膜分離法均無法滿足要求。而單純采用吸附法，易造成設(shè)備規(guī)模過大和再生氣消耗較大等問題。因此，考慮先采用冷卻法脫除原料氣中大量水分后，再采用吸附法進(jìn)行深度脫水。根據(jù)天然氣液化廠的特點，天然氣液化系統(tǒng)設(shè)有制冷設(shè)備，可以提供冷源，不需要單獨增加制冷系統(tǒng)。而采用甘醇吸收法、膜分離法都需要增加相應(yīng)設(shè)備，系統(tǒng)復(fù)雜，造價較高。

②　脫硫醇方法

天然氣脫硫醇方法主要有物理吸收法、化學(xué)吸收法、吸附法。物理吸收法主要通過硫醇在物理吸收劑中的溶解實現(xiàn)，將硫醇脫除至較低質(zhì)量濃度通常比較困難，需要大型反應(yīng)器才能實現(xiàn)?；瘜W(xué)吸收法主要通過硫醇與堿性化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行反應(yīng)實現(xiàn)脫除，但堿性化學(xué)物質(zhì)消耗量較大，運行成本較高。吸附法通常采用專用分子篩脫除硫醇，此方法需要一定量的再生氣。

    ③　脫水脫硫醇方法的整合

    由于脫水脫硫醇方法均采用吸附法，因此可在同一分子篩塔內(nèi)放置脫水分子篩床層、脫硫醇分子篩床層，同時進(jìn)行脫水脫硫醇，這樣可以降低再生氣耗量和設(shè)備造價。

4　原料氣冷卻溫度的確定

    雖然冷卻法可將游離水從天然氣中分離出來，但若冷卻溫度過低，高壓天然氣容易形成天然氣水合物，對后續(xù)的吸附脫水造成影響。為避免冷卻溫度過低形成天然氣水合物，需要確定天然氣水合物形成的溫度、壓力條件。天然氣水合物的形成條件可以采用圖解的相對密度法確定，這種方法在天然氣相對密度不大于0.7時預(yù)測結(jié)果比較準(zhǔn)確。GPSA(Gas Processors Suppliers Association，天然氣處理設(shè)備供應(yīng)商協(xié)會)工程數(shù)據(jù)手冊給出了天然氣水合物形成的壓力-溫度平衡圖。

    該項目中原料氣的相對密度為0.64，壓力為6.3 MPa，可由天然氣水合物形成的壓力-溫度平衡圖查得：原料氣溫度在20℃時，易出現(xiàn)天然氣水合物。因此原料氣的冷卻溫度選取為25℃。

    原料氣從45℃冷卻至25℃，冷卻后經(jīng)過氣液分離器進(jìn)行分離。通過HYSYS工藝模擬軟件，可以得到制冷系統(tǒng)承擔(dān)的冷負(fù)荷為5467 kW，制冷系統(tǒng)的脫水負(fù)荷為449.9kg／h，因此脫水脫硫醇單元的脫水負(fù)荷降至218kg／h，降低了分子篩塔的容量。

5　技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性比較

①　工藝流程

吸附法脫水脫硫醇工藝流程一般分為2塔流程、3塔或多塔流程。以5塔流程為例對工藝流程進(jìn)行分析，5塔工藝流程見圖1。在一個切換周期中，塔1～3同時在吸附，脫水脫硫醇后的天然氣進(jìn)入下游工藝流程。再生氣來自分子篩塔的出口或下游處理過的干燥天然氣(并作為加熱爐的燃料氣)，經(jīng)過流量調(diào)節(jié)后對塔4進(jìn)行冷卻，并冷卻至30℃左右。塔4出口再生氣經(jīng)過加熱爐加熱至300℃后，對塔5進(jìn)行加熱再生，脫除塔5內(nèi)分子篩中的水、硫

醇。塔5出口再生氣經(jīng)冷卻器冷卻至40℃左右后，進(jìn)入再生分離器分離出游離水和硫醇，最后進(jìn)入尾氣處理單元。下一切換周期為塔2、3、4吸附，塔5進(jìn)行冷卻，塔l進(jìn)行加熱再生，這樣依次進(jìn)行。

由5塔流程可知，再生氣先對已加熱再生分子篩塔進(jìn)行冷卻，然后經(jīng)加熱爐升溫后對已完成吸附的分子篩塔進(jìn)行加熱再生，這個過程是同時和連續(xù)的。當(dāng)對已加熱再生分子篩塔的冷卻完成后，才能進(jìn)行分子篩塔的切換，我們將分子篩塔的冷卻或加熱再牛時間稱為切換周期r。將每座塔均被加熱再生、冷卻一次的時間稱為循環(huán)周期，例如對于3塔、4塔、5塔流程，循環(huán)周期分別為3T、4T、5 T。3塔、4塔、5塔流程在循環(huán)周期內(nèi)各塔的狀態(tài)分別見表3～5。

②　分子篩選擇

脫水、脫硫醇分子篩分別選用由美國UOP公司生產(chǎn)的RK-38型脫水分子篩、RK-33型脫硫醇分子篩。考慮到兩種分子篩對水都有很強(qiáng)的吸附能力，因此在分子篩塔上部設(shè)置脫水分子篩，在下部設(shè)置脫硫醇分子篩。若順序顛倒，脫硫醇分子篩將大量吸附水分，導(dǎo)致對硫醇的吸附能力下降。

③　經(jīng)濟(jì)性比較

根據(jù)該項目的天然氣處理量及脫水脫硫醇負(fù)荷，對3塔、4塔、5塔流程進(jìn)行設(shè)備造價估算。3種流程的設(shè)備設(shè)計參數(shù)見表6，設(shè)備造價見表7。

　　由表6、7可知，3塔流程的設(shè)備造價最高，由于塔徑較大，且塔體壁厚較大，導(dǎo)致制造難度加大，而且再生氣、燃料氣質(zhì)量流量較大，運行成本較高。因此，不考慮采用3塔流程。對于4塔、5塔流程，5塔流程的設(shè)備造價低于4塔流程，且再生氣、燃料氣質(zhì)量流量小于4塔流程，運行成本低于4塔流程。綜合分析，5塔流程的經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)。

6　結(jié)論

    ①　對于大型天然氣液化廠的天然氣脫水脫硫醇單元，當(dāng)天然氣處理量較大時，可先采用冷卻法脫除原料氣中大量水分，并合理確定原料氣冷卻溫度，避免天然氣水合物的形成。然后采用吸附法進(jìn)行深度脫水。

    ②　脫水脫硫醇可以在同一分子篩塔內(nèi)完成。應(yīng)對多塔工藝流程的分子篩塔數(shù)量進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比較，選用較合理的方案。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張朋波，王兆銀，張興興，等．天然氣液化預(yù)處理工藝流程[J]．煤氣與熱力，2009，29(9)：B05-B07．

本文作者：楊文剛　陳  杰　高  瑋

作者單位：石油氣電集團(tuán)技術(shù)研發(fā)中心，北京100007