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天然氣預(yù)處理過程論文
1煤制天然氣凈化
天然氣預(yù)處理主要是脫除原料氣中所含的微量固體和液體雜質(zhì)、酸性氣體(CO2)、水等有害物質(zhì)。天然氣液化時，其雜質(zhì)含量通常要求達(dá)到的指標(biāo)是:二氧化碳<50×10-6，H2S<5×10-6，水<1×10-6，重?zé)N<100×10-6，苯<10×10-6，汞<5×10-12。但由于煤制天然氣在液化前已經(jīng)經(jīng)歷了一系列化學(xué)、物理性變化過程，其成分相對簡單、性能相對穩(wěn)定。針對煤制天然氣氣源的這些特點(diǎn)，提出一些合理化建議，優(yōu)化項目建設(shè)。
1.1脫酸性氣體
天然氣在自然形成的過程中會產(chǎn)生CO2、H2S、COS與RSH等酸性氣體。這些氣體的存在會腐蝕金屬材料、污染環(huán)境、造成催化劑中毒、在低溫過程中還會結(jié)冰堵塞儀表和管線，嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)。因此需要把天然氣中的酸性氣體脫除，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的規(guī)格后方可進(jìn)行進(jìn)一步液化。結(jié)合煤制天然氣項目氣源存在“少碳、無硫”的特點(diǎn)，H2S及有機(jī)硫在低溫甲醇洗過程中就已經(jīng)進(jìn)行有效的分離;二氧化碳經(jīng)過甲烷化反應(yīng)過程，與原料中H2進(jìn)行反應(yīng)，生產(chǎn)CH4。僅有少量CO2需進(jìn)行脫除，用以保證冷箱順利運(yùn)行。一般采用MDEA溶液進(jìn)行脫酸性氣體。根據(jù)其對CO2和H2S都有較強(qiáng)的吸收能力、吸收效率高;工藝過程溫度、設(shè)備和管道腐蝕程度低、系統(tǒng)運(yùn)行可靠;容積循環(huán)量低、溶劑化學(xué)性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。在LNG脫酸性氣體工藝中得廣泛應(yīng)用，并在煤制天然氣LNG項目脫酸過程有一定優(yōu)勢。
1.2脫水
天然氣液化需要在較低溫度下進(jìn)行液化，為避免其中的水分在液化系統(tǒng)發(fā)生凍堵，須在預(yù)冷前將天然氣中的水脫除。天然氣脫水按原理可分為冷凍脫水、溶劑吸收脫水和固體吸附脫水、膜分離法脫水四大類。因為天然氣在“大氣量、超低溫(-160℃以下)”的工況環(huán)境下進(jìn)行操作，在幾類脫水技術(shù)中僅有固體干燥劑脫水法能夠滿足其工況要求，其中分子篩在LNG工業(yè)化裝置上廣泛應(yīng)用。分子篩是具有骨架結(jié)構(gòu)的堿金屬的硅鋁酸鹽晶體。其分子式如下:M2/nO·Al2O3·xSiO2·yH2O分子篩具有高選擇性;深度脫水、露點(diǎn)降大;對極性分子具有很強(qiáng)的吸附性;在較高的溫度下仍具有較強(qiáng)的吸附性的特點(diǎn)。能夠滿足天然氣液化過程中“超低溫”工況要求，對氣體組分中的水進(jìn)行有效的脫除，對冷器起到了保護(hù)作用。在煤制天然氣氣體中含有飽和水汽，由于水汽的存在，煤制天然氣管輸過程中往往會造成管道積液，降低輸氣能力及降低熱值，加速煤制天然氣中H2S和CO2對鋼材的腐蝕。即使在煤制天然氣的溫度高于水的冰點(diǎn)時，水也可能和氣態(tài)烴形成烴類的固態(tài)水化物，引起管道閥門堵塞，嚴(yán)重影響平穩(wěn)供氣。因此，煤制天然氣在管輸前必須脫除其中的水份。結(jié)合天然氣脫水“氣量大、水露點(diǎn)要求不高”的特點(diǎn)，大規(guī)模的天然氣、煤制氣處理、集輸過程中使用的脫水干燥方法主要是三甘醇溶劑吸收法，該方法是天然氣、煤制天然氣工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的脫水干燥方法。但由于三甘醇脫水深度無法滿足LNG液化需求，為了避免在脫碳過程中夾帶的水分以及工藝氣二次反復(fù)脫水，所以在煤制天然氣LNG過程中氣體不經(jīng)過三甘醇脫水處理，直接進(jìn)行LNG液化預(yù)處理。
1.3脫汞
原料氣中含有的微量汞在低溫時會對冷箱等設(shè)備造成腐蝕，甚至導(dǎo)致停產(chǎn)，因此汞的含量應(yīng)受到嚴(yán)格的限制。目前，天然氣脫汞工藝有化學(xué)吸附、溶液吸收、低溫分離、陰離子樹脂和膜分離等，天然氣脫汞工藝的特性如上圖3所示。低溫分離工藝是利用低溫分離原理實(shí)現(xiàn)汞脫除，分離的汞將進(jìn)入液烴、污水中，造成二次污染，增加其處理難度;溶液吸收工藝脫汞效果差，吸收溶液腐蝕性強(qiáng)，飽和吸收容量較低，脫除的汞進(jìn)入吸收溶液中也將造成二次污染;膜分離脫汞及陰離子樹脂脫汞工藝的使用范圍較窄，工業(yè)化裝置應(yīng)用較少。化學(xué)吸附脫汞工藝在經(jīng)濟(jì)性、脫汞效果和環(huán)保等方面都優(yōu)于其它脫汞工藝，在天然氣脫汞裝置中得到廣泛應(yīng)用，其脫汞深度可達(dá)0.01μg/m3。近年來，天然氣液化工程中的原料氣脫汞采用載硫化物大孔氧化鋁脫汞劑，使汞與硫產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)生成硫化汞并吸附在吸附劑上，載硫化物大孔徑氧化鋁不易產(chǎn)生粉化，且吸附能力強(qiáng)，便于更換。大孔徑載硫氧化鋁脫汞劑可以避免常規(guī)脫汞劑吸附飽和時的毛孔迸發(fā)現(xiàn)象對下游液化冷箱造成的汞腐蝕危害。在煤制天然氣液化過程中，礦物質(zhì)煤中作為原始材料，前工序甲烷化過程中，汞物質(zhì)會使甲烷化催化劑中毒，使其永久性失活。所以在甲烷化工序?qū)屑捌淇量痰囊�。在甲烷化后的氣體含量中已經(jīng)不含有汞物質(zhì)，因此在煤制天然氣LNG液化裝置中無需設(shè)置脫汞槽及其后面的過濾分離器。
1.4脫除重?zé)N
重?zé)N通常指C5以上的烴類。在烴類中，分子量由小到大時，其沸點(diǎn)是由低到高變化的，所以在液化天然氣的循環(huán)中，重?zé)N總是先被冷凝下來，從而堵塞設(shè)備。液化天然氣過程中，通常天然氣預(yù)冷后，在低溫區(qū)中的一個或多個分離器中除去重?zé)N。圖4所示BV公司的PRICO工藝天然氣液化流程:采用混合冷劑(N2、甲烷、乙烯、丙烷和異戊烷)為介質(zhì)，進(jìn)行逐級冷凝、蒸發(fā)、節(jié)流膨脹得到不同溫度水平的制冷量。天然氣與冷劑進(jìn)行熱交換的冷箱采用板翅式換熱器。預(yù)處理氣體首先流經(jīng)板翅式換熱器。入口氣體從頂部進(jìn)入，并在頂部份進(jìn)入換熱器芯。然后向下流入底部的冷端。在PRICO中，低溫液體僅僅在換熱器的底部。制冷換熱器上部的原料氣被冷至溫度大約70℃。在中間，氣流流動中斷而離開換熱器。70℃的氣體直接進(jìn)入重?zé)N分離器，以除去任何可能出現(xiàn)在氣流中的重組分。除去進(jìn)氣中的重組分有利于保護(hù)低溫設(shè)備免于堵塞和腐蝕。在制冷換熱器頂部有一旁通，通過溫控閥可以控制進(jìn)入重?zé)N分離器的氣體溫度。從重?zé)N分離器頂部出來的70℃的氣體返回板換，經(jīng)過兩個通道，從換熱器的底部出來，這時氣體已經(jīng)變成151℃LNG。但由于煤制天然氣過程中，煤從氣化出來后經(jīng)過一系列分離、反應(yīng)等工序處理，原料氣中的重?zé)N成分已經(jīng)完全得到脫除、分解。結(jié)合此特點(diǎn)，在煤制天然氣液化過程中可以省略掉重?zé)N分離器及相關(guān)重?zé)N冷量回收換熱器等，預(yù)留出分離出口，避免日后由于氣源變動而造成重?zé)N成分出現(xiàn)。
2結(jié)論
由于和傳統(tǒng)天然氣相比，煤制天然氣的氣源更簡單，在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行過程中，供氣的質(zhì)量和條件更穩(wěn)定，而且LNG作為能源產(chǎn)品，工廠的運(yùn)行和上下游的銜接非常緊密，尤其是作為調(diào)峰裝置對下游供給的穩(wěn)定性十分重要。所以一座商業(yè)化運(yùn)行的液化工廠，首先必須滿足安全連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)的需要，還要求工藝要具有一定的靈活性并且便于操作和調(diào)節(jié)。因地制宜，選擇適當(dāng)?shù)募夹g(shù)開發(fā)和利用煤制天然氣，發(fā)揮其儲存比高，運(yùn)輸靈活方便等優(yōu)勢，可以有效彌補(bǔ)我國常規(guī)天然氣地域分布和供給量上的不足，非常適應(yīng)我國能源生產(chǎn)和消費(fèi)的分布情況，具有廣闊的前景。
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