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天然气膜法脱水净化技术及应用

时间:2016-02-26  来源:中国节能减排网  作者:[db:作者]  浏览次数:1537

  1刖目天然气是近年来长最快的主要能源,与其他燃料相比,天然气的储量丰富、价格方面的竞争性及环保上的优势,确保了天然气消费的长。

  同时,发展天然气工业是缓解我国能源供需矛盾和优化能源结构的一项重要措施。我国天然气资源非常丰富,目前己形成了以四川、新疆、陕北和鹰歌海为核心的4大气田区块。据预计,到2020年年产天然气将达到1000亿m3左右。

  从地下开采出的天然气中含有大量水蒸气,当环境温度、压力发生变化时,气体中的水蒸气可能冷凝形成液态水、冰或水合物,大管道输气压降,减少输气能力,同时加速酸性组分对管道、设备的腐蚀。因此,天然气脱水净化是保证天然气传输和使用的首要和基本环节。一般工业气体传输要求低于环境最低温度5 ~10G11,也有认为天然气传输水体积分数应小0.014.有针对性地选择“先进、经济、高效”的净化技术工艺和开发方案,才能使天然气源得到有效地开发和利用。

  2主要净化方法2.1溶剂吸收法1溶剂吸收法是利电溶剂与水的亲和:力来达到脱水的目的。吸收溶剂一般米用相对分子质量较高的醇类,如三甘醇(TBG)、二甘醇(DEG)和乙二醇(EG)等。其中三甘醇脱水是目前世界上应用最为广泛的天然气脱水技术。

  三甘醇脱水适用于较大规模的天然气脱水,主要应用在集气站或集中脱水净化厂。脱水露点降主要由再生甘醇浓度决定,当三甘醇质量分数为98 %~99%时,露点降可达33~42C.该技术露点降要求较低时(22~28 C)较经济,露点降较高时,要求甘醇浓度较高。一般脱除1kg水需甘醇循环量约25~60L,脱水过程中存在甘醇损失。吸收剂再生时会产生苯、甲苯等物质,对环境造成污染13.当天然气中含有轻烃液体时,还会引起甘醇起泡、乳化等。

  为有效缓解湿天然气给管线站厂带来的危害,近年来国内天然气田较多采用“小站脱水,集中脱硫”的方案,即集气站脱水后进入主输气管道,集中脱硫输送。采用橇装三甘醇脱水装置能较好地满足小站脱水的需要,我国陕北长庆气田、川东龙门气田等相继引进了美国、加拿大等成套橇装三甘醇天然气脱水装置及设备,气体处理量一般为(30~100)X104Nm3/d.如龙门气田引进加拿大Maloney公司处理量为100X104Nm3 /d的橇装脱水装置,在进料气压力6. /d的管输条件下,天然气露点达到一5°C,甘醇循环量约0.7m3h每处理1⑴X 104Nm3天然气三甘醇约消耗16kg. 2.2固体吸附法气体中的水蒸气吸附在分子筛、硅胶等吸附剂上达到脱水的目的,通过改变吸附剂压力或温度的方法改变平衡方向再生吸附剂。与甘醇吸收法相比,吸附法脱水后干气体中水含量可低于1X106,对进料气温度、压力和流量变化不敏感,小流量脱水较经济。其缺点主要是需高能再生,回收率低,工艺较复杂,吸附剂易中毒和破碎,增大气体压降。因此,除小规模天然气脱水外,吸附法脱水目前在天然气领域应用较少。

  2.3冷却分离法冷却分离法常采用膨胀降温使天然气中的水气冷凝并分离。利用气源压力降使能量得到充分的利用。传统的膨胀脱水方法如节流膨胀、透平机膨胀等方法或适用范围窄,或造价高、系统复杂,应用具有较大的局限性。20世纪90年代国内开发了一项新的天然气脱水净化技术,即气波制冷法。膜法脱水材料主要有聚砜、醋酸纤维素、聚酰亚胺等,3膜法脱水技术3.1原理、特点及技术比较天然气膜分离技术是利用特殊设计和制备的高分子气体分离膜对天然气中酸性组分的优先选择渗透性,当原料天然气流经膜表面时,其酸性组分(如H2、G2和少量H2S)优先透过分离膜而被脱除掉(如所示)。

  膜法脱水基本原理它具有以下几方面的技术特点:利用天然气自身压力作为净化的推动力,几乎无压力损失;无试剂加入,属“干法”净化,净化过程中无额外材料消耗;无须再生,无二次污染;工艺相容性强,具有同时脱除性,如在脱水的同时,部分地脱除H2、C2;工艺简单,组装方便;易操作,易橇装;将膜法脱水与其他几种脱水方法进行比较,如表1所示。

  表1各种脱水方法比较脱水方法吸附法冷却法吸收法膜法脱湿度高低中中~高大气露点-安装面积所占容积中大小运转、维修中难易安装规模中~大型小~大型大型小~大型分离理论吸附凝聚吸收透过主要设备塔槽类换热器转换开关鼓风机冷冻机换热器塔槽类换热器泵膜换热器过滤器真空泵制备成中纤维或卷式膜组件meetronie!站脱水同寸也能够灵活方便地应用于边Mnet从表1可以看出,与其他几种脱水方法相比占地面积小,运转维修方便,所能达到的脱水露点范围较宽。另外,膜法脱水装置规模主要由膜组件的数量决定,装置规模较为灵活,因此,天然气膜法脱水不仅适用于净化厂集中脱水和集气站小单井脱水。将避免单井至脱硫厂输送含硫天然气管道腐蚀严重,爆管事故发生,管道积水产生的管输效率低等影响正常、安全生产的问题。

  3.2工艺过程天然气中水蒸气为微量、可凝性组分,水蒸气分压较低,从而膜两侧水蒸气渗透推动力较低;另外,水蒸气在膜的渗透侧富集,可能产生冷凝,降低传质推动力,影响膜的寿命。因此,在膜法脱水过程中,一般采用渗透侧干燥气体吹扫或抽真空工艺,以迅速排出渗透侧水蒸气,提高传质推动力。、分别为两种吹扫法脱水工艺流程示意图。

  为采用脱水后干燥天然气部分反吹作吹扫气111,排出渗透侧水蒸气,提高膜两侧水蒸气分压差。若天然气中⑴2或H2S等酸性组分己被处理过,为减少甲烷损失,吹扫气与渗透气一起返回原料气,再压缩后循环回膜系统,整个系统几乎无烃类损失。否则,吹扫气和渗透气必须至少部分排放,以避免操作循环系统中C2或H2S含量不断升高,影响天然气品质。美国AirProduct公司采用新型Prism气体分离膜,用该工艺进行天然气脱水,目前己实现商业化。系统在4 ~8MPa压力下,以2 %~5%原料气作吹扫气,可脱除天然气中95%的水分,达到管线输送标准。作为吹扫气,渗透端的吹扫气与渗透气的混合组分作燃料燃烧。该工艺仅需低压空气压缩机,而无需高压天然气压缩机,但有少量渗透烃类损失。

  采用吹扫天然气脱水工艺,干燥天然气露点主要取决于吹扫气的流量和水含量。吹扫气水含量越低,吹扫气量越大,产品气露点越低,单位膜面积的处理量越大。

  膜渗透侧采用真空工艺(如)也是解决水蒸气传质效率低的有效方法,这种工艺无需吹扫气和二次压缩就能达到较高的气体回收率。但需建立真空系统,加了设备投资和运行费用。渗透的甲烷量较小,一般仅为原料气的2 %~3%,可作为现场热源或动力源加以利用。净化天然气露点与渗透气真空度有关。

  每一种技术都存在各自应用的技术边界和经济边界,发展集成净化技术的原因主要是充分发挥各种技术特有的优势,在满足应用要求的前提下,降低装置投资和运行费用,简化操作工艺。

  膜分离是以膜两侧气体分压差为推动力,高压操作、高浓度的过程较为有利。当净化气露点要求较低时,如常压露点一60 C左右,产品气水含量仅为10X10+6左右,采用膜法净化虽能够达到净化指标,但由于膜两侧水蒸气分压差较小,推动力较低,单位膜面积处理量较小,且烃损失量较大。吸附法能得到较低露点,但当原料水蒸气含量较高时,吸附剂需频繁再生,并且容易破碎污染气源。采用膜分离技术与吸附法集成,在较高水含量时用膜法脱水,当水含量降低到一定程度,如10-再采用吸附法脱水,一方面利用了较高水蒸气浓度时膜两侧的推动力,另一方面,吸附剂再生周期延长,同时使烃类损失达到最小。

  原料天然气,固体膜法膜法净化天然气。

  天然气干法净化。

  兑硫一脱C02一脱水:原料天然气净化天然气>为保证天然气正常传输和使用,除水蒸气外,天然气中的⑴2和H2S也必须经过净化处理。将几种净化技术有机结合,相互促进,互为补充,可能达到最优效果。如采用固体脱硫与膜法脱水、脱除C02工艺有机结合,形成天然气干法集成净化技术工艺。

  天然气固体转化吸收脱硫技术是利用脱硫剂的催化氧化作用将天然气中的H2S氧化转化为单质硫和少量水,这样形成的单质硫沉积在脱硫剂载体的孔隙中,使得天然气中的H2S组分直接转化为无害的固体单质硫,保留在脱硫剂中(如)。固定床天然气固体脱硫净化天然气首先经过固体脱硫后,再经膜法脱除2和水蒸气。固体脱硫作为膜法脱C2和水蒸气的前处理,减少了天然气中重烃类等组分对膜组件的污染;膜法脱除C2的同时也部分脱除了水蒸气,减少了后面脱水工艺的负担;天然气中所含的水和脱硫后所形成的水一次性被脱除,从而达到天然气净化的目的。固体脱硫过程中不产生废气,生成的单质硫可直接回收利用;膜法脱水产生的少量废气(CH>50%)可作为燃气或动力源再利用;脱C2产生的废气(0含量50 %~90%)可用于油气田再利用或进行综合利用。整套技术具有高度的集成性和技术互补性,同时具有较高的天然气综合利用能力。中科院大连化学物理研究所曾采用固体脱硫一膜法脱水集成技术工艺进行了现场试验112,在技术上取得了成功。

  4膜法脱水应用实例结合长庆气田特点,并针对长庆气田向北京、西安、银川等地输气净化要求,中国科学院大连化学物理研究所开展了工业规模天然气膜法脱水现场试验1131.原料天然气组成如表2所示。

  表2原料天然气组成组分组成/%压力下饱和表3现场试验运行结果内容温度/C压力MPa流量/m3-h体积水含量组成x%从几口井出来的原料天然气经过预热、节流、集气后,进入净化单元。在脱水净化单元内,天然气首先进入前处理组块,利用高效气液分离器脱除其中的固体物质、液态水及液态烃等,经换热器升温5~10°C使气体远离露点,以避免水蒸气在膜内冷凝,后通过膜分离器脱除水蒸气达到应用露点后进入输送管网。膜的渗透侧采用真空工艺排出水蒸气,少量渗透废气经脱硫处理后作为发动机燃料,驱动真空泵运转;发动机产生的预热用于加热原料天然气,系统实现能源自供。工艺过程如所示。

  表3为现场试验运行的1组数据。装置采用2500mm膜分离器,全部并联连接。在气体处理量12X104Nm3/d、气源压力5.4MPa、气源温度6~33C条件下,经膜系统净化处理的天然气输气压力4. 6MPa时水露点达到一13C,常压露点一40C以下,甲回收率>98 %,满足了现场传输要求。

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