瓦斯提純制取CNG凈化工藝研究

張劍波（煤炭工業(yè)合肥設(shè)計(jì)研究院，安徽省 合肥市 230041）

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瓦斯提純制取CNG凈化工藝研究

張劍波（煤炭工業(yè)合肥設(shè)計(jì)研究院，安徽省 合肥市 230041）

在我國(guó)政府日益重視煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的前提下，瓦斯提純制取CNG將逐漸成為煤層氣利用技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。本文提出了瓦斯提純工藝中需要?dú)怏w凈化的原因，并對(duì)不同工況下凈化方法進(jìn)行比較，結(jié)合實(shí)際選擇適合工程應(yīng)用的工藝方法，為后續(xù)瓦斯提純制取CNG凈化工藝提供參考性意見。

瓦斯提純；凈化工藝；研究

1　概述

煤礦瓦斯主要由甲烷（CH4）及其同系物組成，甲烷的溫室效應(yīng)約為CO2的 21倍左右，1m3純瓦斯氣體熱值相當(dāng)于1.21kg煤炭，煤層氣的充分利用不僅能解決環(huán)境問題，而且對(duì)于我國(guó)新能源戰(zhàn)略具有深遠(yuǎn)的意義［1］。瓦斯利用目前主要集中在瓦斯發(fā)電和民用市場(chǎng)，山西陽(yáng)煤集團(tuán)擬將30～35%的瓦斯氣體提純制95%以上，達(dá)到車用壓縮天然氣標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)模為2250Nm3/h。主要的工藝流程：5萬m3氣柜（5kPa）→螺桿加壓（0.6MPa）→變壓吸附→CNG壓縮系統(tǒng)（25MPa）→CNG母站和子站系統(tǒng)→槽車和公交車、出租車。整個(gè)提純工藝，變壓吸附和車用壓縮天然氣等多個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)于氣體品質(zhì)要求各不相同，本文結(jié)合工程實(shí)際情況對(duì)整個(gè)凈化工藝進(jìn)行分析，選擇適合本工程的凈化工藝，為后續(xù)工程設(shè)計(jì)提供借鑒，本文中凈化工藝包括脫水和除塵兩部分。

2　凈化工藝中的脫水

2.1加壓前脫水工藝

本項(xiàng)目瓦斯氣體從氣柜來供應(yīng)，氣柜本身可以起到降溫冷凝的作用，降低液態(tài)水的存在。目前瓦斯利用工程加壓前主要采用緩沖罐脫水，通過控制氣體的流速來分離氣體中的水分，實(shí)際運(yùn)行過程中液態(tài)水去除效果不理想，嚴(yán)重影響后置機(jī)組的運(yùn)行［2］。本工程擬采用旋風(fēng)除霧器去除瓦斯氣體中的機(jī)械游離水份、霧滴及粉塵，流速控制在10m/s以內(nèi)，對(duì)3μm以上的霧滴除霧效率≥95%以上，可以很好去除來氣中的液態(tài)水，滿足壓縮機(jī)的來氣品質(zhì)要求。

2.2變壓吸附前脫水工藝

加壓后的煤層氣仍存在少量的液態(tài)水和游離水，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行可能使吸附劑的吸附能力降低，壽命變短，甚至使吸附劑含水失活，去除氣體中的水分很有必要［3］。

目前在瓦斯利用項(xiàng)目中，針對(duì)瓦斯脫水的技術(shù)主要為溶劑吸收法、固體吸附法和電制冷脫水。

溶劑吸收法利用甘醇類物質(zhì)對(duì)烴類、天然氣等溶解度低，溶劑作為吸收劑與瓦斯氣體充分接觸。利用溶劑對(duì)水的溶解度高和對(duì)水蒸氣吸收能力強(qiáng)的特點(diǎn)，使水蒸氣及液態(tài)水傳遞到溶劑中從而達(dá)到脫水的目的，吸附后的溶液進(jìn)入再生塔中脫水再生，循環(huán)利用。其中三甘醇（TEG）在甘醇類化合物中是經(jīng)濟(jì)性最好吸水溶劑。但是溶劑法吸收系統(tǒng)復(fù)雜，再生能耗大；TEG易損失、被污染、氧化生成腐蝕性有機(jī)酸、設(shè)備所占空間大，維護(hù)復(fù)雜。

固體吸附法是利用吸附材料對(duì)氣體組分吸附性能的差異或在不同溫度下吸附容量的變化來實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體組分的分離，采用溫度升降的循環(huán)操作，使低溫下被吸附的強(qiáng)吸附組分在高溫下得以脫附，從而使吸附劑得到再生，經(jīng)冷卻后重新在低溫下吸附強(qiáng)吸附組分。工業(yè)上常用分子篩作吸附劑，技術(shù)成熟，應(yīng)用最廣泛，脫水后干氣含水量可低至0.8mg/m3，露點(diǎn)可低至-100℃，

電制冷脫水是利用氣體飽和含水量隨溫度降低、壓力升高而減小的特點(diǎn)，將被汽水飽和的瓦斯氣體冷卻降溫脫水的方法。電制冷脫水一般作為輔助脫水措施，將氣體中大部分水分先行脫除，然后再進(jìn)行深度脫水。制冷脫水的的主要問題為耗能高、水露點(diǎn)高等。

目前關(guān)于吸附塔中的吸附劑水分含量和露點(diǎn)沒有明確的規(guī)定，根據(jù)工程運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)常壓露點(diǎn)低于-10℃吸附劑運(yùn)行壽命較好。固體吸附法一般用于深度凈化場(chǎng)合，當(dāng)溶劑吸收法脫水和固體吸附法脫水都能滿足露點(diǎn)要求時(shí)，采用溶劑吸收法脫水經(jīng)濟(jì)效益更好。由于吸附塔對(duì)氣體水露點(diǎn)要求不高，本文僅對(duì)溶劑吸收法和電制冷方法進(jìn)行比較。

表1　

溶劑吸收法初始投資高，后期運(yùn)行費(fèi)用低，但是考慮到溶液吸收法中存在的三甘醇，化學(xué)溶劑可能對(duì)吸附劑存在一定影響，本工程選擇電制冷脫水方案更可靠。

2.3壓縮系統(tǒng)脫水工藝

《車用壓縮天然氣》（GB18047-2000）規(guī)定，汽車用壓縮天然氣水露點(diǎn)在最高操作壓力下必須低于最低環(huán)境溫度5℃，項(xiàng)目所在地陽(yáng)泉最低環(huán)境溫度為-16.2℃，為防止壓縮天然氣在充裝過程中冰堵現(xiàn)象的產(chǎn)生，在變壓吸附后的氣體需設(shè)置必要的脫水裝置。

目前一般采用固定吸附脫水干燥方法，脫水劑為硅膠或分子篩。吸附脫水干燥方法根據(jù)工藝流程的不同又可分為兩種，即前置低壓脫水和后置高壓脫水。前置低壓脫水是將脫水裝置安裝在壓縮機(jī)進(jìn)氣口之前，對(duì)進(jìn)站天然氣進(jìn)行深度脫水，使其水露點(diǎn)達(dá)到壓縮天然氣的技術(shù)要求，工作壓力為變壓吸附的排氣壓力。后置高壓脫水則是將脫水裝置安裝在壓縮機(jī)排氣口之后，對(duì)壓縮后的高壓天然氣進(jìn)行深度脫水，工作壓力為壓縮機(jī)的排氣壓力。根據(jù)項(xiàng)目的情況分別對(duì)前置低壓脫水和后置高壓脫水進(jìn)行比較：

2.3.1進(jìn)氣壓力

低壓脫水裝置的壓力損失一般有0.03～0.05MPa，因進(jìn)站管網(wǎng)壓力較高（≥0.3MPa）時(shí)，前置低壓脫水對(duì)壓縮機(jī)的處理能力影響不大，當(dāng)來氣壓力低于0.15MPa時(shí)壓縮機(jī)排量將無法滿足設(shè)計(jì)工況，一般采用高壓脫水［4］。

2.3.2初始投資和運(yùn)行費(fèi)用

后置高壓脫水裝置的重量和體積約為前置低壓脫水裝置的1/2，初期設(shè)備投資則偏低約20%，但是高壓脫水用高壓閥門、管件，價(jià)格昂貴，其投產(chǎn)運(yùn)行后的年維護(hù)維修費(fèi)較低壓脫水高7～10倍。此外低壓脫水裝置的閉式循環(huán)再生工藝，利用系統(tǒng)內(nèi)的一點(diǎn)余氣作循環(huán)加熱、換熱、分離等過程，完成吸附劑的再生，同時(shí)采用內(nèi)置式電爐加熱不會(huì)造成熱量損失，可縮短了再生時(shí)間。高壓脫水裝置利用高壓氣降壓，外置電爐作再生，能耗和熱損稍大，再生成本高。

2.3.3對(duì)壓縮機(jī)的影響

低壓脫水設(shè)備處于壓縮機(jī)前端，進(jìn)入壓縮機(jī)的氣體為純凈的干氣，可延長(zhǎng)壓縮機(jī)的使用壽命。由于氣體中無水份，又提高了壓縮機(jī)的產(chǎn)氣效率。而高壓脫水處理位于壓縮機(jī)的出口后，未經(jīng)精處理的濕氣和雜質(zhì)會(huì)造成壓縮機(jī)閥件及活塞的過快磨損和降低產(chǎn)氣量。

2.3.4吸附劑的壽命

低壓脫水裝置由于吸附周期長(zhǎng)，再生次數(shù)少，相比高壓脫水壽命長(zhǎng)。壓縮機(jī)工作過程中產(chǎn)生的未被分離干凈的油分子會(huì)給高壓脫水吸附劑壽命造成一定的影響。所以低壓脫水吸附劑壽命較高壓脫水吸附劑壽命長(zhǎng)。

2.3.5脫水處理效果

低壓脫水處理由于天然氣經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后有時(shí)會(huì)帶出一些雜質(zhì)，會(huì)影響車用氣質(zhì)量，而高壓脫水是在壓縮機(jī)后進(jìn)行處理，處理后的天然氣不會(huì)再受二次污染，使車用氣質(zhì)量穩(wěn)定。從處理效果看，后置高壓脫水工藝優(yōu)于前置低壓脫水工藝。

由于本工程進(jìn)氣壓力較高（0.3～0.4MPa），在進(jìn)入壓縮系統(tǒng)之前有調(diào)壓裝置，來氣壓力穩(wěn)定，壓縮機(jī)后設(shè)置油過濾器保證氣體品質(zhì)，且工程項(xiàng)目用地充足，最終選用低壓脫水裝置。

3　凈化工藝中的除塵

瓦斯提純制取CNG凈化過程中粉塵的來源主要包括煤層氣抽采過程中易混入水、塵等雜質(zhì)；變壓吸附裝置內(nèi)部吸附劑破碎形成粉塵；煤層氣螺桿壓縮機(jī)和CNG壓縮機(jī)加壓過程中壓縮機(jī)的油微粒進(jìn)入煤層氣。

當(dāng)雜質(zhì)和油微粒進(jìn)入吸附塔，會(huì)嚴(yán)重降低吸附劑的吸附性能，縮短吸附劑的使用壽命，嚴(yán)重時(shí)懸浮微?；祀s會(huì)造成吸附床內(nèi)局部阻塞，導(dǎo)致吸附劑迅速磨損甚至失效。當(dāng)雜質(zhì)灰塵進(jìn)入壓縮機(jī)內(nèi)，會(huì)與氣缸及潤(rùn)滑油相混合，在活塞環(huán)中會(huì)結(jié)成焦塊，能引起氣缸拉缸，此外壓縮機(jī)的磨損，影響氣體的冷卻，致使壓縮氣體的終溫增高，電能消耗增加。瓦斯氣體進(jìn)入壓縮機(jī)和吸附塔之前必須經(jīng)過裝設(shè)有濾清器的設(shè)備以防灰塵雜質(zhì)進(jìn)入設(shè)備中，設(shè)計(jì)過程中采用多級(jí)凈化去除煤層氣中的雜質(zhì)［5］，保證設(shè)備運(yùn)行效果。

在螺桿壓縮機(jī)加壓前利用旋風(fēng)除霧器除去抽采煤層氣中所含的水、塵、油雜質(zhì)顆粒。

螺桿壓縮機(jī)壓縮后、冷干機(jī)前，設(shè)置油水過濾器用于分離并去除煤層氣中霧滴直徑大于1μm的水份及油份。在冷干機(jī)后裝置后設(shè)置多級(jí)過濾器+活性炭過濾器等多級(jí)過濾，可濾除直徑大于0.1μm的雜質(zhì)顆粒，殘留油分含量小于0.1ppm，保證吸附劑運(yùn)行壽命。根據(jù)工程運(yùn)行情況多級(jí)凈化后，吸附劑運(yùn)行情況良好。

變壓吸附后的氣體，進(jìn)入CNG壓縮機(jī)前設(shè)置過濾器，去除管道吸附劑顆粒及固態(tài)雜質(zhì)，保護(hù)壓縮機(jī)。壓縮機(jī)壓縮后的氣體設(shè)置過濾器，去除壓縮過程的油分和雜質(zhì)，滿足《車用壓縮天然氣》（GB18047-2000）的要求。

4　結(jié)論

（1）制冷脫水是輔助脫水措施，將氣體中大部分水分先行脫除，可以滿足變壓吸附過程中吸附劑對(duì)于水分的要求；

（2）變壓吸附后出氣壓力較高，壓力穩(wěn)定，場(chǎng)地若不受限制，宜采用低壓脫水裝置；

（3）多級(jí)過濾去除煤層氣中雜質(zhì)和微粒，滿足吸附劑對(duì)粉塵的要求。壓縮機(jī)壓縮前設(shè)置保護(hù)性過濾，提高壓縮機(jī)效率。壓縮機(jī)壓縮后氣體設(shè)置過濾器，去除壓縮過程中的雜質(zhì)和水分。

［1］劉成林，等.中國(guó)非常規(guī)天然氣資源前景［J］.油氣地質(zhì)，2009，16（5）：26～29.

［2］高志鵬.氣源品質(zhì)對(duì)瓦斯發(fā)電機(jī)組的影響［J］.中國(guó)煤層氣，2009，6 （6）：39～42.

［3］馬衛(wèi)峰.國(guó)內(nèi)外天然氣脫水技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)［J］.管道技術(shù)與設(shè)備，2011（6）：49～52.

［4］寧成千.NG加氣站高、低壓脫水工藝技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析［J］.西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)，2007（29）：150～152.

［5］王 剛，等.兩級(jí)凈化技術(shù)在煤層氣變壓吸附除氧工藝中的應(yīng)用研究［J］.中國(guó)煤層氣，2014，11（1）：37～40.

2016-5-20

TU998.1

A

2095-2066（2016）16-0263-02