摘　要：江西省天然氣一期管網工程CNG加氣母站的分子篩再生后吸附能力無法恢復，導致天然氣脫水后的含水量超出國家標準，影響了設備的平穩運行和對下游用戶的正常供氣。分析了脫水裝置設計參數與工況參數之間存在的偏差，以及脫水裝置工藝流程的缺陷。根據分析結果，將脫水裝置的再生流程由雙塔開式循環改造為單塔閉式減壓循環。加氣母站干燥器單塔吸附周期由改造前的5h增加至改造后的136h，吸附能力顯著提高，同時降低了再生成本。該改造方案可為同行業類似問題的處理提供借鑒。

關鍵詞：壓縮天然氣；脫水裝置；水露點；改造方案

脫水是天然氣處理的重要工藝之一，特別是在壓縮天然氣（CNG）的生產過程中顯得尤為重要。因為一旦進入壓縮機的原料氣含水量超標，輕則造成下游管道冰堵，重則液態水與壓縮天然氣中的化合物結合，腐蝕高壓不銹鋼管路內壁，產生氫脆現象或壓縮機氣閥因液擊而損壞等后果。這不僅影響壓縮機自身的安全運行，而且不能確保對管網下游用戶的正常供氣。

1 工藝流程

江西省天然氣一期管網工程CNG加氣母站項目使用的前置脫水裝置為雙塔流程，一塔吸附，一塔再生待機，其工作壓力2.5～4.0MPa，處理量10000m³/h。該脫裝置改造前的工藝流程^[1]為：干燥塔吸附時，通過塔內的4A型分子篩吸附管道天然氣中所含的水分和部分烴，使壓縮后天然氣達到國家要求的露點；干燥塔再生時，天然氣經循環風機帶動進入加熱器進行加熱，當冷卻器入口的天然氣溫度升至110℃時，加熱器停止工作，天然氣進入干燥塔內與分子篩進行熱交換，隨著溫度升高，分子篩吸附的水分被再生熱氣帶出，然后經過冷卻器的冷卻和分離器的分離過濾作用，將水分從再生氣里分離出來，恢復分子篩的吸附能力（圖1）。

2 技術缺陷分析

在實際生產運行中，CNG加氣母站脫水裝置的分子篩再生后吸附能力無法恢復，甚至逐漸失去吸附水分的能力，造成天然氣經干燥器脫水后的露點溫度始終無法達到國家規定的標準值（標況下-60℃）^[2]。

2.1 設計參數誤差

（1）干燥器在設計工藝條件下的入口含水量為115mg/m³，而CNG加氣母站運行中脫水裝置的入口含水量因上游管網建設情況不同而存在較大差異，并且均偏離其設計工藝條件。

（2）干燥器系統運行壓力為3.5～3.7MPa，亦對吸附塔再生效果存在一定影響。根據克勞修斯-克拉伯龍方程pV=nRT（其中：p為壓力，Pa；V為入口氣體體積，m³；n為物質的量，mol；T為熱力學溫度，K；R為氣體常數）計算可得：在3.7MPa壓力下，水沸點值為245.75℃，而加熱器出口溫度設定值為200℃，存在因加熱時間相對較短，分子篩脫水深度不夠的問題。

2.2 工藝設計缺陷

（1）脫水裝置雙塔開式循環再生時，有一部分飽和濕氣因再生塔壓力上升而進入吸附塔中，產生的危害有：①再生飽和濕氣進入到吸附塔中，污染分子篩，增加其工作負荷量；②再生飽和濕氣進入到吸附塔前，與干燥器進氣交匯，冷凝出大量的水合物，積聚在前置過

濾器中，吸附過程中會增大原料氣的含水量。

（2）脫水裝置雙塔閉式循環再生時，常因系統壓力超高使再生被迫停止，即使減壓再生，吸附塔與再生塔會相互污染，無法獲得理想的再生效果。

3 技術改造方案及能耗分析

3.1 改造方案

（1）將干燥器的再生工藝流程由雙塔開式循環改為單塔閉式減壓循環（圖2），即將設備的吸附與再生過程完全分開，再生氣在再生系統內進行閉式循環，不再返回吸附系統。該方法可避免再生系統的水分進入吸附系統污染其分子篩，同時可實現兩個獨立的系統在任意時間進行再生。

（2）更換冷卻分離器的濾芯，將過濾的精度等級由3μm升級為0.01μm，提高氣液分離效率。

（3）改變干燥塔壓力時，應緩慢增壓或減壓，避免擾動吸附劑床層。如果塔內壓力波動較大，床層截面局部氣流過高，易引起床層的移動和摩擦，因此壓力變化速度一般控制在240kPa/min以下^[3]。

（4）干燥器再生運行時，如果僅追求較高的再生溫度和較長的再生時間，雖然可提高再生分子篩的濕容量，但會縮短其有效壽命，同時增加再生的運行能耗。因此，工藝改造后，需要合理分配再生階段的加熱時間和冷卻時間，若再生氣量和再生溫度一定，應由熱平衡確定再生加熱時間。

3.2 能耗分析

脫水裝置再生工藝流程由雙塔開式循環改造為單塔閉式減壓循環后，解決了由于再生飽和濕氣與工藝來氣存在交匯點，致使冷凝出的水合物大量積聚在前置過濾器中，導致工藝來氣在進入到吸附塔前含水量陡增的問題。改造后的脫水裝置較改造前吸附能力顯著提升，再生頻率大幅降低。與此同時，減少了再生過程中天然氣和電能的損耗，節能效果較為顯著。以目前江西省天然氣一期管網工程加氣母站年產量計算，每年可節省約10×10⁴元的生產成本（表1）。

4 技術改造量化對比

干燥器基本參數為：單塔分子篩質量450kg，設計處理量10000m³/h，設計吸附周期16h。為量化分析工藝改造前后生產參數的變化（表2），依據文獻^[4]，將國家規定標況下壓縮天然氣的水露點－60℃換算成工況（3.6MPa）下的水露點為－30℃。

4.1 工藝來氣含水量的變化

根據上述已知條件計算可得，在吸附周期（處理天然氣，使其含水量符合國家標準的連續工作時間）內，干燥塔最多可吸附45kg的水（分子篩動態吸附量為靜態吸附量的10％）。由式（1）可得，改造前工藝來氣含水量908mg/m³，改造后工藝來氣含水量53mg/m³。

此外，工藝改造后干燥塔實際吸附天然氣100×10⁴m³后，吸附塔并未達到極限處理能力，對其進行再生后排出25L的水合物（表2）。因此，綜合計算得到改造后工藝進氣含水量的實際值為33mg/m³。

4.2 干燥塔吸附能力校驗

技術改造后消除了脫水裝置的工藝缺陷，使天然氣含水量大幅縮減，分子篩的濕容積得到有效釋放，因此對干燥塔的吸附能力需重新評估^[5]。根據干燥器基本參數，可知改造后干燥塔工作一周期（16h）實際吸附水量為5.28kg，所需分子篩吸附劑量為52.8kg。由式（1）計算可得，改造后加氣母站干燥器單塔吸附周期可達136h。同理計算可得，改造前加氣母站干燥器單塔吸附周期僅為5h，無法滿足生產需要。

綜上所述，將分子篩脫水裝置的再生工藝流程由雙塔開式循環改為單塔閉式減壓循環后，其吸附能力顯著提高，同時降低了再生成本，可為同行業類似問題的處理提供借鑒。需要注意的是，在脫水裝置選型階段，應充分考慮運行工況下的各種干擾因素，并做好經濟技術核算，力求設備在安全、高效的狀態下運行。

參考文獻：

[1]王遇東.天然氣處理與加工工藝[M].北京：石油工業出版社，2011：49-100.

[2]陳賡良，唐蒙，何永明.GB18047－2000車用壓縮天然氣[S].北京：中國標準出版社，2000.

[3]孟凡彬，王峰，周學深.SY/T0076－2009天然氣脫水設計規范[S].北京：石油工業出版社，2009.

[4]張福元，羅勤，楊芳，等.GB/T22634－2008天然氣含水量與水露點之間的換算[S].北京：中國標準出版社，2009.

[5]蔣洪，楊昌平，朱聰.天然氣脫水裝置工藝分析與改進[J].天然氣化工，2009，34（6）：49-53，58.

(本文作者：劉斯文 江西省天然氣有限公司，江西南昌 330096)