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摘要：在天然气的液化过程中，由于天然气要经过预冷、深冷以及过冷三个降温阶段，因此原料气进入低温系统液化前还必须对其进行预处理，以除去原料气中的有害杂质及深冷过程中可能固化的物质如：H2S、CO2、Hg、H2O、苯以及重烃等，避免它们在低温系统中冻结而堵塞、腐蚀设备和管道。
关 键 词：吸收 脱除 再生 过滤
在天然气 的全液化工艺中，根据原料气的各种杂质气体含量的区别，一般在预处理单元设置三个系统，依次为：脱酸系统、脱汞系统、脱水脱重烃系统。
1、脱酸系统
天然气中含有的H2S和CO2等酸性气体，它们的存在会造成金属腐蚀并污染环境。此外，CO2含量过高，会降低天然气的热值。因此，必须严格控制天然气中酸性组分的含量，以达到工艺和产品质量的要求。
1.1 脱酸方法
用于天然气脱除酸气的方法有溶剂吸收法、物理吸收法、氧化还原法和分子筛吸附法。目前普遍公认和广泛应用的溶剂吸收法。它是以可逆的化学反应为基础，以碱性溶剂为吸收剂的脱硫方法，溶剂与原料气中的酸组分（主要是H2S和CO2）反应而生成化合物；吸收了酸气的富液在升高温度、降低压力的条件下又能分解而放出酸气，从而实现溶剂的再生利用。
1.2 脱酸指标
目前国内的管道气二氧化碳含量标准为小于3%，因此一般设计按最大量3%考虑，为满足低温工作状态下的要求，经脱碳系统净化后的天然气中CO2含量应低于50PPmv，H2S含量低于4PPmv。
1.3 溶液吸收法工作原理
1.3.1 MDEA溶液简介
二氧化碳的脱除采用溶液吸收法，溶剂采用活性MDEA 水溶液。MDEA水溶液的配方是专有技术，它主要由MDEA、纯水、消泡剂和活化剂配置而成。下面简要介绍一下活性MDEA水溶液的主要成分N-甲基二乙醇胺（MDEA）的性质。
N-甲基二乙醇胺（MDEA）的CAS 国际编号为105-59-9，它是无色或微黄色粘性液体，易与水、乙醇、乙醚混溶，分子式CH3-N(CH2CH2OH)2，分子量119.16，标准大气压下的沸点为246～249℃，比重1.0425，冰点为-21℃。其质量指标见下表。
N-甲基二乙醇胺主要用于酸性气体净化，特别是石化企业炼厂气尾气、天然气脱硫，化肥厂脱碳，具有较好的选择性。而且溶剂稳定性好，称为当今高效低能耗脱硫脱碳溶剂。MDEA 还可适用于表面活性剂、水性涂料溶剂及医药中间体乳化剂等。
1.3.2 工作原理
在一定条件下，MDEA对二氧化碳等酸性气体有很强的吸收能力，而且反应热小，解吸温度低，化学性质稳定，无毒而不降解。纯MDEA溶液与CO2不发生反应，但其水溶液与CO2可按下式反应
CO2 ＋ H2O ＝H+＋HCO3 （1）
H+ ＋ R2NCH3 ＝ R2NCH3H+ （2）
式（1）受液膜控制，反应速率极慢，式（2）则为瞬间可逆反应，因此式（1）为MDEA吸收CO2的控制步骤，为加快吸收速率，在MDEA溶液中加入活化剂(R2/NH)后，反应按下式进行：
R2/NH ＋ CO2 ＝ R2/NCOOH （3）
R2/NCOOH＋R2NCH3+H2O ＝ R2/NH ＋R2CH3NH+HCO3- （4）
（3）＋（4）：R2NCH3＋CO2 ＋ H2O ＝ R2CH3NH+HCO3- （5）
由式（3）～（5）可知，活化剂吸收了CO2，向液相传递CO2，大大加快了反应速度。MDEA分子含有一个叔胺基团，吸收CO2后生成碳酸氢盐，加热再生时远比伯仲胺生成的氨基甲酸盐所需的热量低得多。
因此在实际使用中通常是40-60%浓度的MDEA溶液，加入一定配比的活化剂。
1.3.3 工作流程简述
原料气进入吸收塔下部，自下向上流动，与自上向下流动的MDEA溶液在塔内逆流接触，脱除天然气中CO2和H2S等酸性气体。净化后的天然气经净化气冷却器、净化气分离器和净化气过滤器冷却过滤分离后进入下一单元。
吸收CO2后的MDEA溶液称为富液，富液由吸收塔底减压后进入胺液闪蒸罐后，液相经贫富液换热器换热后进入再生塔顶部。在再生塔内，溶液中的R2CH3NH+·HCO3-受热分解释放出CO2，CO2随同大量的水蒸汽及少量的MDEA蒸汽经洗涤由塔顶流出，进入酸水冷凝器，与循环水进行热量交换，CO2气体降温至≤40℃，然后去酸气分离器。在酸气分离器内，气体夹带的水份被分离，CO2气体经尾气压缩机压缩后进入外输管网。经酸气分离器分离出的冷凝液经酸水回流泵打入再生塔上部。
由再生塔底部引出的贫液经贫富换热器冷却后，由胺液循环泵加压进入贫液后冷却器降温，经过机械过滤器和溶液过滤器除去杂质进入吸收塔上部喷淋入塔。
2、脱汞系统
按照目前国内天然气的气体组分，一般不需要脱汞单元，但一旦天然气中汞的存在往往会造成严重的后果：在低温状态下，汞会对液化冷箱内的铝制设备、管道以及阀门造成腐蚀，影响设备的安全运行，故必须脱汞。
根据原料气的参数，一般选用采用浸硫活性炭脱汞。
2.1 设计参数
Hg的含量 入床：1μg/Nm3 出床 ≤0.01μg/Nm3
2.2 工艺流程描述
一般流程设计为两塔设计，可串可并，方便使用和切换。
从脱汞单元来的天然气进入浸硫活性炭吸附器，汞与浸硫活性炭上的硫产生化学反应生成硫化汞，吸附在活性炭上，从而达到脱除汞之目的。从脱汞器出来的天然气的汞含量小于0.01μg/Nm3。脱汞单元设两台脱汞器，脱汞器中的浸硫活性炭在设计汞含量条件下每年更换一次，也可以根据汞分析仪的检测数据适当延长活性炭更换周期。
3、脱水、脱重烃系统
在净化工艺中，目前较为常见的是将脱水和脱重烃设计在一个单元完成，采用复合床层。脱水采用3A分子筛，脱重烃采用活性炭。有两塔流程和三塔流程两种工艺流程，再生工艺采用目前较为先进的等压闭式循环。
3.1 净化指标
由于脱水单元在脱酸单元之后，因此脱水设计按饱和水进行考虑，净化指标见下表：
3.2 分子筛简介
3A分子筛是指A型晶体结构的钾型，是一种碱金属硅铝酸盐。3A型分子筛能吸附临界直径不大于3A的分子。分子式：K12[(AlO2)12·(SiO2)12]·XH2O
技术数据见下表：
3A型分子筛可在提高温度的情况下吹扫或抽真空而再生重新使用，再生（脱水）的程度则视吹扫气的湿度和温度而定。满足低温工作状态的要求，经脱水系统净化后的天然气中水含量低于1PPm。
3.3工作原理
脱水系统由两台分子筛干燥器（以两塔流程为例）、一台再生气加热器、一台再生气冷却器、一台再生气分离器、一台粉尘过滤器等组成。分子筛干燥器为两台切换使用，一台吸附，一台再生、冷吹。
吸附过程：天然气自塔顶进入干燥器，经分子筛后脱去自身水分进入至液化单元。
再生过程：再生气取自阀前原料净化气，进入再生气加热器，被加热到约280℃后进入干燥器，解吸其中的H2O和重烃，出干燥器后经再生气冷却器、冷干机冷却，并经再生气分离器分离水和重烃后，返回到阀后原料气入口。水和重烃引入至重烃储罐，经过分离后，通过污水泵将水排出并处理，重烃直接回收利用。
冷吹过程：分子筛床层再生过程完成后，再生气旁通再生气加热器作为冷吹气冷却干燥器分子筛床层；出干燥器后经再生气冷却器冷却到常温，并经再生气分离器分离水后，气相返回至阀后原料气入口。
再生气加热器热源为导热油。
4、过滤系统
过滤系统通常设置在净化单元的最后，即进入液化冷箱之前，主要目的是过滤掉上游净化单元的分子筛和活性炭粉末，防止粉尘在板翅式换热器的通道中产生积累，引起堵塞，影响换热效果。过滤系统设置两台过滤器，两台过滤器根据其阻力值来切换使用，当阻力较大时，要及时清理，避免压损过大。净化气中粉尘的含量：颗粒直径≤5μm。
参考文献
[1] 顾安忠 《液化天然气技术手册》 机械工业出版社 2010年01月
[2] 郑端文 《消防安全管理》 化学工业出版社 2009年07月
[3] 郭揆常 《液化天然气(LNG)应用与安全》 中国石化出版社 2008年03月
论文作者:邵旭东 闫川 吴志勇
论文发表刊物:《工程管理前沿》2019年第15期
论文发表时间:2019/9/19
标签：分子筛论文; 天然气论文; 干燥器论文; 溶液论文; 溶剂论文; 活性炭论文; 含量论文; 《工程管理前沿》2019年第15期论文;