摘要：結合工程實例，對天然氣液化廠脫水脫硫醇方法進行比選，確定采用分子篩吸附法，在同一分子篩塔內放置脫水分子篩床、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)濟性進行了比較，5塔流程的經(jīng)濟性最優(yōu)。

關鍵詞：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大型天然氣液化廠，有利于保障國內LNG接收站的供應。國內小型天然氣液化廠的建設逐漸成熟，積累了很多經(jīng)驗。但對于大型天然氣液化廠的建設，由于天然氣處理量大，面臨著工藝設計和設備選型的問題。隨著國內經(jīng)濟的快速發(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構中的比例逐年提高，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，進口量逐年增加，國家發(fā)改委預測2015年天然氣消費量將達到2600×10⁸m³，其中有900×10⁸m³，需要進口，屆時對外依賴度將達到30％以上。液化天然氣(LNG)是天然氣的主要進口方式，預計在未來10年內將達到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進口的主要是氣源和氣價問題。為了突破氣源的限制，國內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)過預處理工藝脫除天然氣中的酸、水、硫醇、汞等雜質，才能進入液化流程。本文結合工程實例，對天然氣液化廠脫水脫硫醇方案進行比選。

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，在預處理系統(tǒng)中，天然氣經(jīng)過油氣分離、計量后進人脫酸脫碳單元，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　脫水脫硫醇負荷

原料氣經(jīng)脫水脫硫醇單元處理后要求：水質量分數(shù)≤1×10^-6，硫醇質量濃度≤16.0mg／m³。脫水脫硫醇負荷可采用HYSYS工藝模擬軟件進行計算，先在模擬管理中定義天然氣的組成清單，選擇Peng-Robinson流體計算包進行計算，然后進入流程模擬，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荷為667.9kg／h，脫硫醇負荷為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量分數(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)設有制冷設備，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設備，系統(tǒng)復雜，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量濃度通常比較困難，需要大型反應器才能實現(xiàn)。化學吸收法主要通過硫醇與堿性化學物質進行反應實現(xiàn)脫除，但堿性化學物質消耗量較大，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放置脫水分子篩床層、脫硫醇分子篩床層，同時進行脫水脫硫醇，這樣可以降低再生氣耗量和設備造價。

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時預測結果比較準確。GPSA(Gas Processors Suppliers Association，天然氣處理設備供應商協(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)過氣液分離器進行分離。通過HYSYS工藝模擬軟件，可以得到制冷系統(tǒng)承擔的冷負荷為5467 kW，制冷系統(tǒng)的脫水負荷為449.9kg／h，因此脫水脫硫醇單元的脫水負荷降至218kg／h，降低了分子篩塔的容量。

5　技術和經(jīng)濟性比較

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)過流量調節(jié)后對塔4進行冷卻，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進行加熱再生，脫除塔5內分子篩中的水、硫

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

由5塔流程可知，再生氣先對已加熱再生分子篩塔進行冷卻，然后經(jīng)加熱爐升溫后對已完成吸附的分子篩塔進行加熱再生，這個過程是同時和連續(xù)的。當對已加熱再生分子篩塔的冷卻完成后，才能進行分子篩塔的切換，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?？紤]到兩種分子篩對水都有很強的吸附能力，因此在分子篩塔上部設置脫水分子篩，在下部設置脫硫醇分子篩。若順序顛倒，脫硫醇分子篩將大量吸附水分，導致對硫醇的吸附能力下降。

③　經(jīng)濟性比較

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

　　由表6、7可知，3塔流程的設備造價最高，由于塔徑較大，且塔體壁厚較大，導致制造難度加大，而且再生氣、燃料氣質量流量較大，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塔流程的設備造價低于4塔流程，且再生氣、燃料氣質量流量小于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)濟性最優(yōu)。

6　結論

    ①　對于大型天然氣液化廠的天然氣脫水脫硫醇單元，當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。然后采用吸附法進行深度脫水。

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

參考文獻：

[1] 張朋波，王兆銀，張興興，等．天然氣液化預處理工藝流程[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：石油氣電集團技術研發(fā)中心，北京100007