天然气脱水原理课程介绍

1、天然气脱水原理脱水的必要性 天然气在加压、降温过程中,当达到其水露点时,其中的气相水就会以游离水的形式析出,如果又处在其水合物生成线以下区域时,天然气中的烃类组分还要和水生成水合物。因此,CNG中的含水量脱不到要求时,将带来以下危害：储存压力下减压温降时，生成水合物，堵塞管道、气瓶嘴、充气嘴等，使加气站在较低环境温度下不能实现正常加气，汽车在寒冷气候条件下无法启动和运行。当环境温度等于或低于0时，析出的游离水将结冰而冻结系统的设备和管道。已符合酸性环境的一个条件，只要CNG中的硫分压超过0.00035 MPa，加气站内的接触CNG的金属设备、管道就达到了硫化氢应力开裂(SSC)条件，这是十分危

2、险的,一旦加气站和(或)汽车载压力容器发生SSC,其后果就不堪设想。另外,即便硫分压达不到SSC条件,但由于游离水的存在,也要产生严重的内壁腐蚀。常见脱水方法1、吸附脱水法 吸附脱水法是利用吸附剂对水分的吸附性能，如硅胶，活性氧化铝和分子筛等，它们对水分有很强的吸附能力。吸附剂的吸湿过程是物理变化，因此这类吸附的特点是可以再生。这类吸附的干燥度可以达到常压露点-70。2、潮解脱水法 潮解时干燥器也是利用吸附剂对水分的吸附性能，只不过潮解式的吸附剂在吸附水分后，变成液态排出，潮解后的吸附剂不能再生，而且会对环境造成污染这类脱水装置可以达到-38左右的露点。3、冷冻式脱水法 冷冻式脱水法是利用制冷

3、压缩机产生的冷量对压缩天然气进行冷却，使压缩天然气温度降低达到其压力对应的露点温度，从而使压缩天然气中的水分析出，达到干燥的目的。这类脱水法的干燥度可达到常压露点-23。4、膜分离脱水法 利用膜分离技术对压缩天然气进行脱水，是一种极有前途的脱水方式，压缩天然气通过中空纤维薄膜时，各种物质的渗透压不同，使水从压缩天然气中分离出来，从而达到干燥效果。吸附法脱水一、吸附式脱水原理 虽然冷冻式脱水装置工作稳定、能耗低，在处理高含湿量及较大气流量时性能好，但其只能将压力露点降到28左右。当要求压力露点降到更低时，吸附式干燥设备基本上是唯一的选择。 “吸附”是两相交界面上物质分子浓度自动发生变化的自然现象

4、。吸附过程的机理很复杂，目前有关吸附原理的理论在解释吸附作用时都存在一定的不足。一般将吸附体系分为吸附剂和吸附质。具有一定吸附能力的材料叫吸附剂，被吸附的物质叫吸附质。对于吸附式干燥器，常采用硅胶、活性氧化铝，分子筛作为吸附剂。而存在于压缩天然气中的水蒸汽则为吸附质。吸附的分类按吸附剂表面与吸附质分子间作用力的不 同将吸附分为：物理吸附化学吸附物理吸附 物理吸附的作用力为范德华力。由于分子间范德华力的作用，促使吸附质向吸附剂渗透。（化学吸附是吸附质分子与吸附剂表面的分子产生电子转移或形成化合物）压缩天然气的吸附干燥过程属物理吸附，其特点如下： 吸附作用力小，被吸附的气体分子比较容易重返气相，较

5、容易“解吸”。物理吸附的过程是可逆的，吸附和解吸的速度都很快。吸附过程为放热反应，其放出的“吸附热”比化学吸附少得多。物理吸附无选择性，任何固体都可以吸附任何气体，仅在吸附量的不同。物理吸附与凝固有关，只有在低于被吸附物质沸点时吸附过程才能进行。根据再生时的压力及温度条件的状态，将吸附分为： 1、变温吸附 2、变压吸附变温吸附在常温下进行吸附，而在较高温度下进行解析，从而恢复吸附剂的吸附功能。变压吸附在较高的吸附质分压力下进行吸附，而在较低压力（甚至真空）下进行解析。等温吸附线在温度一定的情况下各种吸吸附剂在不同压力状态下的吸附性能水在分子筛上的等压吸附线在压力一定的情况下，吸附量与温度变化的

6、关系总结吸附温度的降低和水蒸气分压的提高，可增加吸附量有利于吸附过程的进行。再生温度的升高和水蒸气分压的降低，有利于再生过程的进行。吸附相关概念及参数1吸附平衡 压缩空气与多孔的固体吸附剂相接触时，水分子碰到固体吸附剂的表面后被吸附。与此同时，被吸附的水分子由于自身分了热运动与外界气态分子碰撞，有一部分水分子又离开固体表面而返回气相中。当被吸附的水分子数等于离开吸附剂表面的水分子数量时，达到吸附平衡。吸附平衡是动态平衡，在宏观上吸附不再产生，但微观上的吸附与解吸仍在进行。 2、吸附量 吸附量分为静吸附量与动吸附量。静吸附量为吸附剂与吸附质达到充分平衡，即吸附平衡时，单位质量吸附剂所吸附气体的量

7、，单位为：kg水/kg吸附剂。 对于吸附式干燥器而言，将干空气与水蒸气视为“两元”混合物，当干燥器出口端空气达到预定的“露点”值时，所吸附的水蒸气量占塔内充填的吸附剂重量的白分比为吸附剂的动吸附量，此值为吸附干燥器设计的重要基本参数。3、吸附热吸附热是吸附质与吸附剂接触时产生的热效应。如上所述，吸附过程为放热过程，解析过程为吸热过程，吸附热可比较准确地表达吸附剂的活性及吸附能力的强弱。下表为常用吸附剂对水蒸气的吸附热。常见压力单位换算表吸附剂在吸附式干燥设备中，吸附剂是保证设备吸附性能的重要因素。吸附剂一般为比表面积很大，孔隙率很高的物质。吸附剂应具有以下条件：有很强的吸附能力，比表面积大。与

8、吸附质及其他与之相接触的介质不发生化学反应。机械强度与热强度好。易再生，不易劣化。可大量生产，价格低。常见吸附剂种类 硅胶硅胶是一种高活性、可再生的固体吸附剂。具有高微孔结构，颗粒坚硬，中性；具有较高的热稳定性和较稳定的化学惰性，对液相和气相介质有根强的吸附性能。硅胶有天然的也有人工合成的用于压缩天然气吸附干燥的硅胶为人工合成的。粗孔硅胶粒子尺寸大，排列疏松，外观为硬玻璃状，半透明无光泽的不规则颗粒，孔径为(80-100)10-10m，比表面积为500/g，对高湿度的气体吸附率较大。 细孔硅胶粒子尺寸小，排列紧密，外观为硬玻璃状，半透明无光泽的不规则颗粒，孔径为2010-10m比表面积可达70

9、0/g，对低湿度气体的吸附率较大。当硅胶吸附气体中的水分时，可达自重的50%。在湿度为60%的空气流中细孔硅胶的吸湿量也可达硅胶自重的24%。 硅胶吸水后放热可使温升达100，在实际应用中，硅胶吸附 的水分不应超过自重的6% -8%。 细孔硅胶的再生温度为I80-200，最低不低于150，最高不超过250。超过260将使硅胶降低干燥能力。粗孔硅胶再生温度最高不超过400。硅胶再生时，应注意逐渐提高温度，可控制在每分钟不超过10。 硅胶的缺点为吸附的水气在凝成水滴或遇到液态水时，颗粒易破碎，特别在有压力时更明显。因此，在压缩天然气吸附式干燥器中，较少用硅胶作吸附剂。活性氧化铝活性氧化铝（Al2O

10、3nH2O）在600以下脱水，制成过渡态Al2O3，颗粒度为3- 7mm，白色，机械强度和耐热性都较高，浸入水中不软、不胀，不裂，比表面积为300/g.有很高的吸附能力。用于压缩空气干燥时，每1m空气含水量可降到0.005g/m，相当于露点为 - 64，进塔再生温度为230 -280。当入口温度为-20时，其吸附效果最佳，是压缩空气吸附干燥器常用的吸附剂。分子筛分了筛是一种高效能、高选则性的吸附剂，对极性分子和不饱和分子具有优先吸附能力。对水分子具有特别高的亲和力。用分子筛干燥气体一般可达到低于-75的露点。对于流速大、温度高的气体和液体，也具有很强的干燥能力，常用的4A、5A成3X型的分子筛

11、，其比表面积均在700/g以上。 分子筛的再生温度较高，工业上一般取分子筛的再生温度为150 -300，若要通过分子筛的完全再生来提供-85-100的露点，其再生温度为315-375。 分子筛的缺点为机械强度不高，抗水滴性能不强，在压力作用下易破碎。在处理水分负载较高的压缩空气时，可与氧化铝或硅胶联合使用，即用氧化铝或硅胶对压缩空气进行先期干燥，再用分子筛对压缩空气进行深度干燥。吸附剂平衡湿容量与相对湿度关系吸附剂种类密度（kg/L）机械强度导热率/(w/(mk)比热容/J/(kgk)孔隙率（%）平均孔径/nm堆积密度真比重硅胶0.40.71.2较高0.1972100343502040活性氧化

12、铝0.70.82.33.3高0.1306104545504050分子筛0.721.1强度有限0.5889752454.8常用吸附剂物理特性吸附剂种类进气含水量（10-6）出气含水量（10-6）吸附量TSA再生温度/静态动态进塔离塔最高硅胶16024081030505818022080140300活性氧化铝160240132246230280100150350分子筛1602401322815320370120200475常用吸附剂吸水/脱水性能常用吸附剂的使用条件吸附剂类型吸附容量水滴稳定性热强度碱性介质酸性介质价格低分压高分压硅胶低高不稳定较差不良良低活性氧化铝低高稳定高良不良较贵分子筛高高不

13、稳定高良不良较贵吸附剂的耐热温度吸附剂名称耐热温度产地活性氧化铝600中国活性氧化铝Neobead650日本活性氧化铝AlCoa600美国活性氧化铝Pechihey400法国硅胶250日本分子筛MS4a650美国分子筛MS5a250美国分子筛Zeojon-H800法国脱水装置分类CNG脱水装置按安装位置可分为：前置脱水、级间脱水、后置脱水。前置脱水是指安装在压缩机前面；级间脱水安装在压缩机的2、3级压缩缸之间；后置脱水安装在压缩机之后。前置脱水特点1.性能特点1.1. 再生工艺为零排放闭式循环，外置电加热再生。1.2. 进口配置过滤器，过滤精度3m，有效保护吸附剂不被液体浸泡、污染，延长吸附剂

14、使用寿命；出口配置粉尘过滤器，能过滤精度3m粉尘，保护后续压缩机正常工作。1.3. 再生系统采用无油润滑增压机驱动循环再生，循环增压机配有气液过滤器，对分离后的气体再实施分离，使再生循环气更干净。1.4. 气水分离器具有重力和过滤双重分离，分离效果好。气水分离器后设储液罐。1.5. 控制系统：PLC程控包括恒温控制，文本显示，控制参数输入经处理后显示在液晶屏上，并保证设定程序自动控制循环风机、加热器、冷却器、以及防冻保温装置的正常工作。配有就地仪表和室内控制仪表，以及远传控制仪表。再生冷却器、循环增压机、电加热器的启停均能实现电气联锁控制和手动单独控制，且手动优先。1.6. 安全保护功能：加热

15、器筒体及出口设温度保护功能；电机设有热保护、短路保护，电气设有短路和漏电保护。1.7. 电机采用隔爆异步电动机，符合1类区D组防爆要求及GB50058标准。1.8. 吸附剂富余量1.3倍。2.结构特点2.1. 吸附塔包裹保温材料后外包裹不锈钢装饰板，抗腐蚀性好且美观、漂亮。2.2. 整体式电热元件采用材质为不锈钢1Cr18Ni9Ti，电加热管表面发热功率达到2.0W/2。2.3. 脱水装置出口设置露点分析仪取样口。2.4. 吸附塔上设置就地显示压力表及温度计，显示吸附塔工作压力、工作温度；再生系统中安装有温度表、压力表和热电偶，可将再生加热器出口，冷却器出口温度及吸附塔再生气出口温度远传到控制

16、室；控制柜上安装有电压表、电流表、PLC控制仪表。2.5. 装置上所有电气设备均为防爆设计。现场防爆等级ExdBT4, 防护等级IP54。2.6. 所有外接管口接到橇边。2.7. 吸附塔设有分子筛专用装卸口，分子筛更换方便、快捷。2.8. 再生系统中有安全阀。2.9. 吸附塔、再生气加热器及其高温管线均做保温处理。2.10.脱水装置的橇装结构、装置的使用寿命15年。后置脱水特点性能特点1吸附和再生阀采用美国进口高温高压不锈钢针形阀，可降低开启阀门瞬时对吸附剂的冲击，延长吸附剂使用寿命。2三级过滤方式。前置采取两级过滤，粗过滤器配国产不锈钢滤芯，使用寿命长，阻力低，可清洗再生使用。精过滤器配德国

17、进口除油滤芯，过滤精度达0.01m，保护吸附剂不被液体浸泡、污染，延长吸附剂使用寿命。后置过滤精度达1m，更有效保护压缩机的进气质量。3高压容器和低压电加热器之间采用安全隔离装置，可防止误操作而产生人身伤亡、设备损毁。4. 严格按压缩机排气温度及压力状态饱和水含量进行吸附塔的设计。5电加热器功率富余量1.3倍，缩短加热时间，确保有效可靠加热，总能耗不变。同时采用单体式不锈钢电加热管，可单根独立更换。6.电器控制系统采用PLC控制，具有数字显示并可实现电加热器自动监控。温控柜重要电气元件选用德国SIEMENS及韩国LG产品，该类品牌产品性能好，可靠性高。加热器出口及加热器筒体的温度控制采用智能仪

18、表辅助控制、PLC主控制的方式，可按设定程序控制工作，温度参数可重新设置、调整。整个的加热器加热工作由PID进行调节，以达到自动恒温控制的目的。温控柜中设有电加热器的过电流及短路保护；有上述设备的电流指示，同时设置自动断电及报警功能。装置的电气系统设有防爆接线箱。装置内电气均为防爆连接。用电设备的防爆等级为：Exd BT4，防护等级：IP54。7.吸附剂采用中美合资4A型分子筛，平衡水容量大，吸附效果好，保证成品气质量。分子筛富余量1.3倍，能适应气质变化。8.再生气加热时冷却采用联合换热冷却器，利用干气减压所产生的冷量来冷却再生热气，同时使电加热器进气温度升高，以便快速加热至所需温度。减少加

19、热时间，节约能源。9.装置设有专用再生冷吹管路，节约冷吹时间和气量。10. 调压装置管路无冰堵设计。11. 过滤器为双排污设计，延长排污阀使用寿命。12. 所有管路均为GB/T14976不锈钢管，且吸附和再生管路为焊接管接件连接，使装置安全可靠。 结构特点1吸附塔包裹保温材料后外包裹不锈钢皮，美观、漂亮。2工艺管线布置简洁紧凑、美观，并可靠固定。3脱水装置出口设置露点分析仪取样口。4吸附塔设有吸附剂装卸口。5再生系统中设有安全阀。6吸附塔、再生气加热器等设备及其连接管线均作保温处理，避免热损失和热烫伤。前后置脱水装置比较处理量根据原料气的压力和含水量，前置脱水每小时可处理50015000Nm3

20、,吸附周期为4000045000方；后置脱水每小时可处理5003000Nm3,吸附周期为4000024000方；吸附剂前置脱水由于吸附周期长，再生次数相对减少，又未被压缩机工作时产生的漏油污染，吸附剂的使用寿命较长。但由于装填量较后置脱水大，一旦更换吸附剂，一次性维护费用大。而后置脱水则相反。再生方式一般前置脱水均采用闭式循环的再生工艺，可不受压缩机是否开机的限制。其中又分降压和不降压两种。降压再生是指利用再生管路内的余气，经放空降压后进行加热再生，该种方式一般在进站管网压力0.5MPa时采用；不降压再生是指直接利用再生管路内的余气进行加热再生，而不再需经降压的方式，该种方式可减少CNG站再生

21、时的一次性集中排放量，减少安全隐患。一般在进站管网压力在0.5MPa以上时采用。 后置脱水的再生取气方式目前可分为三种：从成品干气中取气，经降压后进行再生，最后回到压缩机前端管网内。该取气方式，再生气质好，不污染吸附剂，再生效果好。从压缩机级间取气再生，最后回到压缩机前端管网内。此种方式多用于国产压缩机中，由于压缩机在工作时产生的漏油，对吸附剂的污染严重，造成吸附剂的寿命缩短。从管网分压下的高压处取气再生，最后回到管网分压下的低压处。此种方式受管网分压的影响大。一般管网分压应考虑在0.2MPa以上的压差。加热方式前置脱水可采用内置和外置两种加热方式。内置式加热保温效果好，可缩短加热时间；但内置

22、式由于加热时的散热由内向外，因此靠近电加热管的吸附剂受热温度高，寿命缩短，且电加热管更换较困难。外置式加热则相反。后置脱水因受压力限制，目前一般均采用外置加热方式。再生冷却方式前置脱水再生气冷却可采用水冷或风冷式，一般北方或缺水地区采用风冷，而南方或水源充足地区采用水冷。风冷或水冷均需配备相应风机或水泵、冷却塔、循环水池。后置脱水再生气冷却可采用水冷、风冷或自然式冷却。自然式冷却，不另配备任何电源或附属建筑物，与其它冷却方式比，一年可节约运行成本18250元。 处理后的成品气质前置脱水处理天然气易受天然气气质影响，若来气含水量不稳定，会影响脱水效果，同时，由于天然气经压缩机压缩后(特别是国产压

23、缩机)有时会带出一些杂质，会影响车用气质量。后置脱水是在压缩机后进行脱水处理，处理后的天然气不会再受二次污染，使车用质量稳定。前期投入成本前置脱水处于压缩机前端，因此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。但体积大，前期投入成本高；后置脱水处于压缩机后端，体积小，前期投入成本低。维护费用前置脱水由于压力低，除更换吸附剂的一次性维护费用大外，一般性的维护费用低。后置脱水的一般性的维护费用较高。脱水效果分析影响CNG气质水露点达标的主要的因素有四点：1、吸附不理想1）设计时选择吸附剂不合理。当相对湿度大或水含量高时，最好先用活性氧化铝、硅胶预脱水，再用分子筛脱水除气体中残余水蒸气，以

24、达到深度脱水的目的。2）吸附剂质量差。吸附剂的抗压碎强度差时易粉化，再生次数寿命短；静态吸附湿容量小，吸附性能差。3) 气体在吸附塔内流速过快或过慢。否则，流速过快，会造成分子筛在工作时发生跳动，造成床层高度不一，气流短路；流速过慢，压降过小，通过床层的气流分布不均匀，影响吸附效果。4）接触时间过短。根据经验参见空气出口水分含量与接触时间的关系，接触时间确定为6秒以上较为合适。5) 进气温度过高。由于进气温度高，一方面降低了吸附剂的吸附性能，另一方面增大了饱和水量。6) 气质差，有油或重烃。由于天然气中有时含有H2S及CO2等成份，油又大多呈酸性或中性，而分子筛的抗酸性也不太好，因而吸附性能也会降低。且当油包裹吸附剂造成吸附孔隙堵塞，使吸附性能直线下降。重烃的存在极易出现反常凝析，因而又可能在采用冷却镜面凝析湿度计法进行露点检测时，对检测结果进行干扰。2、再生不完全1) 再生温度低。多数吸附剂厂家的资料表明，再生温度在180300范围，综合性价比及实际运行来看，确定再生温度为200220较为合理。2) 再生时间不够或再生不能在规定的时间内连续进行。导致反复加热，既浪费能源，又不能达到应有的再生温度保温时间。3) 再生压力过低，导致再生气量过小。由Qcmt可知，再生气量过小，则提供的热量太少。4) 再生压力过高。压力过高，则需要汽化的温度