甘海龍

（中煤科工集團重慶研究院有限公司瓦斯研究分院，瓦斯災害監(jiān)控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037）

煤層氣在抽采過程中會從地層和水環(huán)真空泵中攜帶出大量的水，水以液態(tài)和氣態(tài)的形式混夾在煤層氣中。在使用煤層氣制取LNG流程[1]中，含氧煤層氣在進入冷箱液化之前，必須進行深度脫水[2]，使煤層氣在進入冷箱液化之前的露點達到-70℃，以防止煤層氣進入冷箱后其中的水結冰堵塞換熱器。如果采用單級變溫吸附（TSA）脫水工藝原理，大量的液態(tài)水和氣態(tài)水會同時進入TSA干燥塔，加大TSA干燥塔的負荷，減少干燥塔吸附時間，增加干燥塔的切換頻率。因為干燥塔在泄壓再生時，會同時泄放出干燥塔內的煤層氣，提高干燥塔切換頻率會增加煤層氣的損耗，并且液態(tài)水也會減少吸附劑的壽命。采用多級逐步脫出煤層氣中的水可以大大降低末級TSA脫水負荷，減少煤層氣損耗，延長吸附劑的壽命。多級脫水工藝的第一級采用機械脫水[3]方式，利用絲網氣液分離器[4]將煤層氣中的液態(tài)游離水脫除；第二級采用氟利昂預冷機組給煤層氣降溫[5]，脫除煤層氣中的飽和氣態(tài)水；第三級采用雙塔流程的TSA脫水工藝[6]，利用復合床層[7]的吸附劑在不同壓力和溫度下吸附容量差異性和選擇吸附的特性，脫除工藝氣體中的水分和殘留少量CO2。兩塔輪流交替工作，當一臺干燥塔在吸附時，另外一臺干燥塔在進行泄壓置換、加熱和冷卻，實現(xiàn)再生。整個吸附和再生的過程由程控閥自動切換實現(xiàn)連續(xù)操作。該工藝流程特別適用于含水量極大的煤層氣深度脫水工藝。

1 多級脫水技術工藝流程

多級脫水技術由三級脫水工藝段組成，分別為：機械脫水、氟利昂預冷脫水、TSA脫水。工藝流程如圖1所示。

圖1 多級脫水技術工藝流程圖Fig.1 Flow diagram of multi-stage dehydration process

1.1 機械脫水

機械脫水采用立式氣液分離器的方法脫水。該分離器主要采用重力原理分離出較重的液態(tài)水[8]，在分離器頂部出口處設置絲網除沫器，絲網除沫器通過捕捉煤層氣中的微小液滴[9]，進一步脫除隨氣流上升的微小液態(tài)水。水在絲網除沫器上不斷聚集，最后形成大液滴，掉入分離器底部。分離器設置液位傳感器，當液位超過設定值時，控制系統(tǒng)自動打開底部放水閥排水。

1.2 氟利昂預冷脫水

氟利昂預冷脫水采用降溫脫水的原理，脫除煤層氣中的飽和氣態(tài)水。氟利昂預冷機組一般采用撬裝成套供貨，其工藝流程見圖2。

圖2 氟利昂預冷脫水流程Fig.2 Freon precooling dehydration process

氟利昂預冷脫水流程包含三路流程，分別是：煤層氣流程、氟利昂循環(huán)流程和循環(huán)冷卻水流程。

（1）煤層氣流程：煤層氣進入冷卻器與氟利昂進行換熱，煤層氣被冷卻降溫，當溫度下降到低于煤層氣的露點時，煤層氣中的飽和氣態(tài)水變成液態(tài)水[10]，跟隨煤層氣一起進入分離器中，液態(tài)水滴在分離器中上升時被頂部的絲網除沫器捕捉，不斷聚集的液態(tài)水在重力作用下滴入分離器底部，當達到一定液位高度時，分離器底部的放水閥自動打開排水。降溫后的煤層氣則進入回熱器，通過與較高溫度的煤層氣換熱，使煤層氣預冷?；責崞髂芑厥盏蜏孛簩託獾睦淞?，降低氟利昂預冷機組的能耗。

（2）氟利昂循環(huán)流程：氟利昂作為冷劑由壓縮機壓縮后溫度升高，進入水冷卻器降溫，經過節(jié)流后溫度降低，然后與煤層氣換熱帶走煤層氣的熱量，實現(xiàn)循環(huán)。

（3）循環(huán)冷卻水流程：冷卻水由循環(huán)水泵升壓后進入水冷卻器與氟利昂換熱，水溫升高，然后流出預冷機組，帶走氟利昂的熱量。

1.3 變溫吸附脫水

TSA脫水流程詳見圖1。干燥塔采用復合床層，下部裝填Al2O3，用于粗脫水[11]。上部裝填分子篩，用于精脫水[12]。同時該復合床層具有脫出CO2等酸性氣體的功能[13]。TSA脫水采用雙塔流程[14]，每個塔的流程包括：升壓吸附、降壓熱吹再生、冷吹再生[15]。以干燥塔A的工作流程為例分析其工作過程如下：

（1）升壓吸附過程：Vd1 打開（Vd2、Vc1 關閉），煤層氣由氟利昂預冷機組進入干燥塔A，塔內壓力逐漸升高、煤層氣經過復合床層后，其中的氣態(tài)水被吸附劑吸附，剩下煤層氣由Va1（Va2、Vb1關閉）閥進入后端冷箱。

（2）降壓熱吹再生：打開Vc1、V5將塔內氣體放空，塔內壓力降低，吸附劑中的部分水分會解析出來排入大氣。然后將熱氮氣通過Vb1閥（Vb2、Va1關閉）通入干燥塔A，對干燥塔A進行熱吹，吸附劑被加熱后其中的水分會變成氣態(tài)隨著熱氮氣一起經Vc1、V5排入大氣或者氮氣循環(huán)系統(tǒng)。

（3）冷吹再生：熱吹再生后的吸附劑溫度較高，為了給吸附劑降溫，需要通入常溫氮氣。常溫氮氣的流程與熱氮氣的流程一樣。常溫氮氣把吸附劑的熱量帶出干燥塔A，同時也能帶走殘余的水份。經過冷吹后的干燥塔A完成了吸附劑的再生，為下一個循環(huán)的吸附脫水做好準備。

干燥塔B的工作流程與干燥塔A相同，只是他們在同一時間的工作狀態(tài)不同。當干燥塔A升壓吸附時，干燥塔B正處于降壓熱吹再生或冷吹再生。當干燥塔A吸附飽和時，就將干燥塔A和干燥塔B的工作流程切換，即干燥塔A再生，干燥塔B吸附干燥。切換閥通過程序自動控制，兩塔交替循環(huán)工作，從而實現(xiàn)對煤層氣連續(xù)干燥。

2 多級脫水工藝的應用實例

在貴州盤江煤層氣提純制LNG項目中，應用多級脫水工藝對煤層氣進行脫水，開車成功，并取得了良好的經濟效益。

貴州盤江煤層氣提純制LNG項目的基本情況見表1。

表1 貴州盤江煤層氣提純制LNG項目多級脫水參數(shù)Table 1 Multi-stage dehydration parameters of a coalbed methane to LNG project in Panjiang,Guizhou province

貴州盤江煤層氣提純制LNG項目中，多級脫水設備的現(xiàn)場照片如圖3所示。

圖3 多級脫水系統(tǒng)現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.3 Multi-stage dehydration system spot photo

該項目利用濕法脫碳，多級干燥脫水，混合冷劑制冷工藝實現(xiàn)對含氧煤層氣的液化分離，成功生產出LNG。多級脫水實現(xiàn)對含水量大的煤層氣深度脫水，滿足了后端制冷工藝要求。

3 結論

多級脫水是一種先進，安全可靠、高效率的深度脫水技術。該技術將現(xiàn)有比較成熟的多種脫水技術進行合理的組合，利用不同的脫水原理，脫除不同狀態(tài)的水：利用重力原理脫除較重的液態(tài)水，利用絲網脫除較輕的液態(tài)水，利用降溫原理脫除飽和氣態(tài)水，利用TSA原理脫除微量的氣態(tài)水。各級脫水都處于最佳工況，減少總體能耗，由于吸附脫水階段的含水量已經大大減少，所以吸附劑的負荷顯著降低，吸附時間延長，單位時間內泄壓再生的次數(shù)減少，煤層氣損耗量也減少，同時也延長了吸附劑的壽命，從而節(jié)約了運行成本。多級脫水工藝是經濟可行、安全可靠的脫水工藝，尤其適用含水量極大的煤層氣深度脫水，具有廣闊的應用前景。