瓦斯提纯制取CNG净化工艺研究

张剑波（煤炭工业合肥设计研究院，安徽省 合肥市 230041）



瓦斯提纯制取CNG净化工艺研究

张剑波（煤炭工业合肥设计研究院，安徽省 合肥市 230041）

在我国政府日益重视煤层气产业发展的前提下，瓦斯提纯制取CNG将逐渐成为煤层气利用技术发展的一个重要方向。本文提出了瓦斯提纯工艺中需要气体净化的原因，并对不同工况下净化方法进行比较，结合实际选择适合工程应用的工艺方法，为后续瓦斯提纯制取CNG净化工艺提供参考性意见。

瓦斯提纯；净化工艺；研究

1　概述

煤矿瓦斯主要由甲烷（CH4）及其同系物组成，甲烷的温室效应约为CO2的 21倍左右，1m3纯瓦斯气体热值相当于1.21kg煤炭，煤层气的充分利用不仅能解决环境问题，而且对于我国新能源战略具有深远的意义［1］。瓦斯利用目前主要集中在瓦斯发电和民用市场，山西阳煤集团拟将30～35%的瓦斯气体提纯制95%以上，达到车用压缩天然气标准，规模为2250Nm3/h。主要的工艺流程：5万m3气柜（5kPa）→螺杆加压（0.6MPa）→变压吸附→CNG压缩系统（25MPa）→CNG母站和子站系统→槽车和公交车、出租车。整个提纯工艺，变压吸附和车用压缩天然气等多个环节对于气体品质要求各不相同，本文结合工程实际情况对整个净化工艺进行分析，选择适合本工程的净化工艺，为后续工程设计提供借鉴，本文中净化工艺包括脱水和除尘两部分。

2　净化工艺中的脱水

2.1加压前脱水工艺

本项目瓦斯气体从气柜来供应，气柜本身可以起到降温冷凝的作用，降低液态水的存在。目前瓦斯利用工程加压前主要采用缓冲罐脱水，通过控制气体的流速来分离气体中的水分，实际运行过程中液态水去除效果不理想，严重影响后置机组的运行［2］。本工程拟采用旋风除雾器去除瓦斯气体中的机械游离水份、雾滴及粉尘，流速控制在10m/s以内，对3μm以上的雾滴除雾效率≥95%以上，可以很好去除来气中的液态水，满足压缩机的来气品质要求。

2.2变压吸附前脱水工艺

加压后的煤层气仍存在少量的液态水和游离水，长时间运行可能使吸附剂的吸附能力降低，寿命变短，甚至使吸附剂含水失活，去除气体中的水分很有必要［3］。

目前在瓦斯利用项目中，针对瓦斯脱水的技术主要为溶剂吸收法、固体吸附法和电制冷脱水。

溶剂吸收法利用甘醇类物质对烃类、天然气等溶解度低，溶剂作为吸收剂与瓦斯气体充分接触。利用溶剂对水的溶解度高和对水蒸气吸收能力强的特点，使水蒸气及液态水传递到溶剂中从而达到脱水的目的，吸附后的溶液进入再生塔中脱水再生，循环利用。其中三甘醇（TEG）在甘醇类化合物中是经济性最好吸水溶剂。但是溶剂法吸收系统复杂，再生能耗大；TEG易损失、被污染、氧化生成腐蚀性有机酸、设备所占空间大，维护复杂。

固体吸附法是利用吸附材料对气体组分吸附性能的差异或在不同温度下吸附容量的变化来实现对气体组分的分离，采用温度升降的循环操作，使低温下被吸附的强吸附组分在高温下得以脱附，从而使吸附剂得到再生，经冷却后重新在低温下吸附强吸附组分。工业上常用分子筛作吸附剂，技术成熟，应用最广泛，脱水后干气含水量可低至0.8mg/m3，露点可低至-100℃，

电制冷脱水是利用气体饱和含水量随温度降低、压力升高而减小的特点，将被汽水饱和的瓦斯气体冷却降温脱水的方法。电制冷脱水一般作为辅助脱水措施，将气体中大部分水分先行脱除，然后再进行深度脱水。制冷脱水的的主要问题为耗能高、水露点高等。

目前关于吸附塔中的吸附剂水分含量和露点没有明确的规定，根据工程运行经验常压露点低于-10℃吸附剂运行寿命较好。固体吸附法一般用于深度净化场合，当溶剂吸收法脱水和固体吸附法脱水都能满足露点要求时，采用溶剂吸收法脱水经济效益更好。由于吸附塔对气体水露点要求不高，本文仅对溶剂吸收法和电制冷方法进行比较。

表1　

溶剂吸收法初始投资高，后期运行费用低，但是考虑到溶液吸收法中存在的三甘醇，化学溶剂可能对吸附剂存在一定影响，本工程选择电制冷脱水方案更可靠。

2.3压缩系统脱水工艺

《车用压缩天然气》（GB18047-2000）规定，汽车用压缩天然气水露点在最高操作压力下必须低于最低环境温度5℃，项目所在地阳泉最低环境温度为-16.2℃，为防止压缩天然气在充装过程中冰堵现象的产生，在变压吸附后的气体需设置必要的脱水装置。

目前一般采用固定吸附脱水干燥方法，脱水剂为硅胶或分子筛。吸附脱水干燥方法根据工艺流程的不同又可分为两种，即前置低压脱水和后置高压脱水。前置低压脱水是将脱水装置安装在压缩机进气口之前，对进站天然气进行深度脱水，使其水露点达到压缩天然气的技术要求，工作压力为变压吸附的排气压力。后置高压脱水则是将脱水装置安装在压缩机排气口之后，对压缩后的高压天然气进行深度脱水，工作压力为压缩机的排气压力。根据项目的情况分别对前置低压脱水和后置高压脱水进行比较：

2.3.1进气压力

低压脱水装置的压力损失一般有0.03～0.05MPa，因进站管网压力较高（≥0.3MPa）时，前置低压脱水对压缩机的处理能力影响不大，当来气压力低于0.15MPa时压缩机排量将无法满足设计工况，一般采用高压脱水［4］。

2.3.2初始投资和运行费用

后置高压脱水装置的重量和体积约为前置低压脱水装置的1/2，初期设备投资则偏低约20%，但是高压脱水用高压阀门、管件，价格昂贵，其投产运行后的年维护维修费较低压脱水高7～10倍。此外低压脱水装置的闭式循环再生工艺，利用系统内的一点余气作循环加热、换热、分离等过程，完成吸附剂的再生，同时采用内置式电炉加热不会造成热量损失，可缩短了再生时间。高压脱水装置利用高压气降压，外置电炉作再生，能耗和热损稍大，再生成本高。

2.3.3对压缩机的影响

低压脱水设备处于压缩机前端，进入压缩机的气体为纯净的干气，可延长压缩机的使用寿命。由于气体中无水份，又提高了压缩机的产气效率。而高压脱水处理位于压缩机的出口后，未经精处理的湿气和杂质会造成压缩机阀件及活塞的过快磨损和降低产气量。

2.3.4吸附剂的寿命

低压脱水装置由于吸附周期长，再生次数少，相比高压脱水寿命长。压缩机工作过程中产生的未被分离干净的油分子会给高压脱水吸附剂寿命造成一定的影响。所以低压脱水吸附剂寿命较高压脱水吸附剂寿命长。

2.3.5脱水处理效果

低压脱水处理由于天然气经压缩机压缩后有时会带出一些杂质，会影响车用气质量，而高压脱水是在压缩机后进行处理，处理后的天然气不会再受二次污染，使车用气质量稳定。从处理效果看，后置高压脱水工艺优于前置低压脱水工艺。

由于本工程进气压力较高（0.3～0.4MPa），在进入压缩系统之前有调压装置，来气压力稳定，压缩机后设置油过滤器保证气体品质，且工程项目用地充足，最终选用低压脱水装置。

3　净化工艺中的除尘

瓦斯提纯制取CNG净化过程中粉尘的来源主要包括煤层气抽采过程中易混入水、尘等杂质；变压吸附装置内部吸附剂破碎形成粉尘；煤层气螺杆压缩机和CNG压缩机加压过程中压缩机的油微粒进入煤层气。

当杂质和油微粒进入吸附塔，会严重降低吸附剂的吸附性能，缩短吸附剂的使用寿命，严重时悬浮微粒混杂会造成吸附床内局部阻塞，导致吸附剂迅速磨损甚至失效。当杂质灰尘进入压缩机内，会与气缸及润滑油相混合，在活塞环中会结成焦块，能引起气缸拉缸，此外压缩机的磨损，影响气体的冷却，致使压缩气体的终温增高，电能消耗增加。瓦斯气体进入压缩机和吸附塔之前必须经过装设有滤清器的设备以防灰尘杂质进入设备中，设计过程中采用多级净化去除煤层气中的杂质［5］，保证设备运行效果。

在螺杆压缩机加压前利用旋风除雾器除去抽采煤层气中所含的水、尘、油杂质颗粒。

螺杆压缩机压缩后、冷干机前，设置油水过滤器用于分离并去除煤层气中雾滴直径大于1μm的水份及油份。在冷干机后装置后设置多级过滤器+活性炭过滤器等多级过滤，可滤除直径大于0.1μm的杂质颗粒，残留油分含量小于0.1ppm，保证吸附剂运行寿命。根据工程运行情况多级净化后，吸附剂运行情况良好。

变压吸附后的气体，进入CNG压缩机前设置过滤器，去除管道吸附剂颗粒及固态杂质，保护压缩机。压缩机压缩后的气体设置过滤器，去除压缩过程的油分和杂质，满足《车用压缩天然气》（GB18047-2000）的要求。

4　结论

（1）制冷脱水是辅助脱水措施，将气体中大部分水分先行脱除，可以满足变压吸附过程中吸附剂对于水分的要求；

（2）变压吸附后出气压力较高，压力稳定，场地若不受限制，宜采用低压脱水装置；

（3）多级过滤去除煤层气中杂质和微粒，满足吸附剂对粉尘的要求。压缩机压缩前设置保护性过滤，提高压缩机效率。压缩机压缩后气体设置过滤器，去除压缩过程中的杂质和水分。

［1］刘成林，等.中国非常规天然气资源前景［J］.油气地质，2009，16（5）：26～29.

［2］高志鹏.气源品质对瓦斯发电机组的影响［J］.中国煤层气，2009，6 （6）：39～42.

［3］马卫峰.国内外天然气脱水技术发展现状及趋势［J］.管道技术与设备，2011（6）：49～52.

［4］宁成千.NG加气站高、低压脱水工艺技术经济分析［J］.西南石油大学学报，2007（29）：150～152.

［5］王 刚，等.两级净化技术在煤层气变压吸附除氧工艺中的应用研究［J］.中国煤层气，2014，11（1）：37～40.

2016-5-20

TU998.1

A

2095-2066（2016）16-0263-02