一种天然气脱水/二氧化碳装置及工艺的制作方法

本发明涉及一种天然气脱水/二氧化碳的装置及工艺，尤其涉及一种采用吸附法进行天然气脱水/二氧化碳的装置及工艺。

背景技术：

1、对于偏于地区的小型天然气气井，由于其距离主管网较远，不具备接入管网的经济价值，一般采用放空或就地燃烧的方式，既是对能源的巨大浪费，也造成环境的污染。这些井口一般比较分散、产气量小、产气周期短，不具备建设大规模的天然气处理厂的条件。因此，迫切需要一种建设周期短、可移动、安装便捷、工艺简单、操作方便的天然气处理装置。

2、常规的天然气处理采用胺液脱除二氧化碳，然后进入分子筛脱水，适用于大型液化工厂中高含量二氧化碳的脱除和二氧化碳深度脱除。而对于小型低含量二氧化碳天然气气井的处理，有以下缺点：1)胺液脱碳工艺较为复杂，实现无人值守困难：2)再生塔与吸收塔较高，成撬复杂，需设置固定基础，安装不便，安装后移动困难；3)胺液、缓蚀剂、抗氧化剂等需要进行监控、补充，寒冷低区需要考虑防冻措施，溶液泵需要经常检修，对操作人员要求较高。4)天然气经胺液脱碳后，需要配套分子筛脱水装置，对脱碳后含饱和水的天然气进行脱水，工艺流程长、配套设备多、投资大、占地面积大、安装困难、检维修工作量大。

3、cn109370670a公开了一种同时脱除天然气中二氧化碳、水分及重烃的工艺系统，组成包括：吸附塔i、吸附塔ii、吸附塔iii，净化天然气管通过阀门i与冷吹进口管相连，冷吹出口管与冷吹气冷却器进口管相连，冷吹气冷却器出口管与冷吹气增压机进口管相连，冷吹气增压机出口管分别与冷吹进口管和净化气管连接，吸附塔i、吸附塔ii、吸附塔iii中部具有出口，出口加热气管通过阀门与蓄热器进口管连接，蓄热器出口管与加热气增压机进口管连接。该方法主要适用于自发电或有下游天然气管网且的中小型天然气液化工厂，不适用于偏远地区的小型气井的天然气处理。

技术实现思路

1、本发明提出一种天然气脱水/二氧化碳的装置及工艺，本发明采用分子筛同时吸附水与脱二氧化碳的工艺与方法，工艺简单，特别适用于偏远地区的小型气井的天然气处理。装置采用模块化，根据处理量大小，调整吸附塔台数与组数；装置可为撬装化，所有设备可集中布置在一个撬块上，运输方便、安装快捷。装置无较高的塔器设备，不需要坚固的混凝土基础，建造周期短、安装与再次移动方便快捷、现场安装工作量小。装置无化学溶液、无溶液泵等，可采用全自动控制，无人值守，现场检维修工作量小，对操作人员数量及技术水平要求较低。装置搬迁方便快捷，当一处气井收集完成后，可以整体快速的迁移到另外一个气井。

2、本发明的天然气脱水/二氧化碳的装置包括四组吸附塔，第一组吸附塔、第二组吸附塔、第三组吸附塔、第四组吸附塔、加热器、再生气冷却器、分离器、第一至第二十四程控阀、第一流量调节阀、第二流量调节阀、减压阀、第一至第七温度测量仪表。

3、第一组吸附塔、第二组吸附塔、第三组吸附塔、第四组吸附塔分别具有下部进出口管道和上部进出口管道，下部进出口管道分别设置第一至第四程控阀，上部进出口管道分别经由第五至第八程控阀连接天然气总管，下部进出口管道汇合成净化天然气输出管道，

4、天然气总管还分出加热器进口管道连接加热器，加热器进口管道上设有第一调节阀，加热器出口管道作为加热气进线，分为四个支管，四个支管分别经由第九至第十二程控阀连接至第一组吸附塔、第二组吸附塔、第三组吸附塔、第四组吸附塔的下部开口，或者分别连接至第一至第四程控阀与第一组吸附塔、第二组吸附塔、第三组吸附塔、第四组吸附塔的下部开口之间的下部进出口管道上，

5、从第一组吸附塔、第二组吸附塔、第三组吸附塔、第四组吸附塔的上部开口或者第一组吸附塔、第二组吸附塔、第三组吸附塔、第四组吸附塔的上部开口与第五至第八程控阀之间的上部进出口管道上分别引出加热气出线连接再生气冷却器的热介质通道进口，加热气出线上分别设置第十三至十六程控阀，再生气冷却器的热介质通道出口经由管道连接分离器进口，

6、从净化气输出管道分出冷吹气输入总管，冷吹气输入总管上设有第二调节阀，冷吹气输入总管分出四个冷吹气输入管道，分别连接第一组吸附塔、第二组吸附塔、第三组吸附塔、第四组吸附塔的下部开口，或者分别连接至第一至第四程控阀与第一组吸附塔、第二组吸附塔、第三组吸附塔、第四组吸附塔的下部开口之间的下部进出口管道上，四个冷吹气输入管道上分别设置第十七至第二十程控阀，

7、从第一组吸附塔、第二组吸附塔、第三组吸附塔、第四组吸附塔的上部开口或者第一组吸附塔、第二组吸附塔、第三组吸附塔、第四组吸附塔的上部开口与第五至第八程控阀之间的上部进出口管道上分别引出冷吹气输出管道，冷吹气输出管道上分别设置第二十一至第二十四程控阀，分别或汇合后连接再生气冷却器的冷介质通道进口，再生气冷却器的冷介质通道出口经管道连接净化气输出管道。

8、进一步地，在第一组吸附塔、第二组吸附塔、第三组吸附塔、第四组吸附塔中，每一组吸附塔可由一台或多台吸附塔组成，多台吸附塔采用串联和/或并联连接。

9、进一步地，净化天然气输出管道上设置减压阀，优选设置在分出冷吹气输入总管的位置的下游，以及与再生气冷却器的出口连接位置的上游。

10、进一步地，在第一组吸附塔、第二组吸附塔、第三组吸附塔、第四组吸附塔的上部进出口管道上分别设置第一至第四温度测量仪，在加热器的出口管道上设置第五温度测量仪，在再生气冷却器的冷介质通道出口与净化天然气输出管道的连接管道上设置第六温度测量仪，在再生气冷却器的热介质通道出口与分离器之间的管道上设置第七温度测量仪。

11、进一步地，所述净化天然气输出管道上设置用于净化气中水及二氧化碳含量分析的分析仪。

12、进一步地，本发明的装置采用plc或dcs控制所有程控阀的切换，以及电加热器和冷却器的运行，实现装置的吸附与再生循环，保证系统持续运行。本装置采用分子筛吸附的方式，同时脱除天然气中所含的水份与二氧化碳杂质。吸附塔为四组，每组设置一台吸附塔，工作时两组处于吸附状态，一组处于加热状态，一组处于冷吹状态。

13、本发明进一步提供了一种天然气脱水/二氧化碳的工艺，所述工艺包括：

14、第一吸附塔依次进行吸附、加热、冷吹、等待，第二吸附塔依次进行等待、吸附、加热、冷吹；第三吸附塔依次进行冷吹、等待、吸附、加热，第四吸附塔依次进行加热、冷吹、等待、吸附，

15、以第一吸附塔先进行吸附，单个吸附周期运行过程如下：

16、第一吸附塔吸附过程：来自天然气总管的天然气经第五程控阀从第一吸附塔上部进入，经第一程控阀从第一吸附塔下部排出；第九程控阀、第十三程控阀、第十七程控阀、第二十一程控阀处于关闭状态；

17、第二吸附塔等待过程：第二吸附塔再生已完成，等待切换至吸附状态，第二程控阀、第六程控阀、第十程控阀、第十四程控阀、第十八程控阀、第二十二程控阀处于关闭状态；

18、第三吸附塔加热过程：第三吸附塔已吸附饱和，需要对吸附塔内的吸附剂进行加热再生，再生气加热气采用来自天然气总管的原料天然气，经电加热器加热至220℃以上，经第十一程控阀从第三吸附塔下部进入，经第十五程控阀从第三吸附塔上部排出，排出的再生气加热气经再生气冷却器冷却，在再生气分离器分离出游离态水，例如为发电机组提供燃料，第三程控阀、第七程控阀、第十九程控阀、第二十三程控阀处于关闭状态；

19、第四吸附塔冷吹过程：再生气冷吹气采用净化后天然气，来自冷吹气输入总管的冷吹气经第二十程控阀从第四吸附塔下部进入，经第二十四程控阀从第四吸附塔上部排出，冷吹气对吸附塔内高温的吸附剂进行吹冷，终了温度≤净化气温度+5℃，排出的再生气冷吹气经再生气冷却器冷却，返回经减压阀减压后的净化气管线，第四程控阀、第八程控阀、第十二程控阀、第十六程控阀处于关闭状态。

20、后续吸附周期如以上那样进行，例如第二吸附塔进行吸附时，第一吸附塔如以上提到的第四吸附塔那样操作，第二吸附塔如以上第一吸附塔那样操作，第三吸附塔如以上第二吸附塔那样等待，第四吸附塔如以上提到的第三吸附塔那样操作，以此类推。

21、所述装置程控阀优选采用电动阀，程控阀带阀门反馈。由控制系统控制。

22、在一个实施方案中，所述装置采用的吸附塔，同时吸附原料气中水和二氧化碳，单台吸附塔满足4h处理量，吸附塔总高度≤3m，筒体直径dn600。吸附塔上部设置填料装填口用于填料装填，下部设置卸料口，用于填料更换。

23、进一步地，所述装置吸附塔内装填的吸附剂，采用多种填料复合装填，床层自下至上分别为：φ12大颗粒惰性瓷球床层100mm、φ6小颗粒惰性瓷球床层50mm、分子筛床层约1800mm、氧化铝床层100mm。

24、进一步地，所述再生气冷却器采用空气冷却形式，再生气加热器采用电加热形式。

25、所述再生气加热器出口设置第五温度测量仪,电加热器的启停通过第五温度测量仪进行控制。装置运行时，第五温度测量仪测定温度高于220℃时，电加热器关闭；第五温度测量仪测量温度低于180℃时，电加热器开启。

26、所述再生气冷却器采用双通道换热器，分别通过再生气加热气和再生气冷吹气。冷吹气温度以第六温度测量仪测量、加热气出口温度以温度计第七温度测量仪测量，第六/第七温度测量仪与再生气冷却器进行联锁控制，当第六/第七温度测量仪测量温度高于50℃进行高报警，当冷却后温度低于5℃时联锁停再生气冷却器。

27、所述第一至第四吸附塔出口再生气温度分别由第一、第二、第三、第四温度测量仪进行测量，并根据加热终了及冷吹终了时实际温度，对加热气和冷吹气流量进行调节，加热终了温度高于180℃时，减小加热气流量；加热终了温度低于180℃时，增加加热气流量；冷吹终了温度高于需要温度时，加大冷吹气流量；加热终了温度高于需要温度时，加大冷吹气流量。

28、所述再生气加热气流量，由第一调节阀调节；所述再生气冷吹气流量，由第二调节阀调节；所述净化气出装置压力由减压阀调节，调节后压力满足冷吹气工作循环需要。气源稳定时，第一、第二调节阀采用手动调节；气源不稳定时,第一、第二调节阀采用电动调节阀。减压阀为自力式调压阀，阀后压力控制，通过调节弹簧调整阀后设定压力、通过阀后设定压力自动调节阀门开度。

29、所述净化天然气输出管道上设置水露点与二氧化碳分析仪，用于净化气中水及二氧化碳含量分析。设置水/二氧化碳含量高报警。

30、含水及二氧化碳的原料天然气，接入所述装置天然气进口，通过入口程控阀进入吸附塔，经过吸附塔脱除二氧化碳和水的净化天然气，通过出口程控阀连接至本装置的天然气出口。程控阀根据程序的设定，自动开启或关闭，完成吸附塔的投入与切出。

31、自装置入口的原料天然气，引出少量作为吸附塔再生时的加热气。引出的加热气经加热器加热至200～240℃，通过加热气入口程控阀进入吸附塔，对吸附饱和的分子筛进行加热后，通过加热气出口程控阀出吸附塔，进入再生气冷却器通道一冷却后，经分离器分离送至发电机作为燃料。分子筛加热完成时，加热气出吸附塔温度不低于160℃。

32、自装置出口的净化天然气，引出少量作为吸附塔再生时的冷吹气。引出的冷吹气通过冷吹气入口程控阀进入吸附塔，对完成加热工序的高温分子筛进行冷吹后，通过冷吹气出口程控阀出吸附塔，进入再生气冷却器通道二冷却后，返回至装置天然气净化气出口。分子筛冷吹完成时，冷吹气出、入口吸附塔气体温度差不高于5℃。

33、进一步的，本装置吸附塔每组设置两台吸附塔，串联或并联使用。所有吸附塔大小相同，模块化设计，根据处理量大小增加不等数量的模块。

34、所述装置采用高度在3.0m以下、大小相同的多台吸附塔并联/串联，所有吸附塔及配套阀门、管路、仪表等布置在一个撬座上，运输、安装方便快捷。

35、所述装置电加热器的启停由加热器出口温度与吸附塔加热气出口温度进行控制。

36、所述装置吸附塔加热气出口温度与冷吹气出口温度自动反馈至相关流量调节阀，进行流量调节。

37、本发明的优点：

38、根据本发明，装置进行模块化、撬装化与移动式设计，安装方便快捷、操作简单、可移动，适用与偏远天然气井场的井口气回收，有利于小气量井口气的回收处理，减少天然气排放，符合国家节能减排与环保要求。

39、相对与传统的天然气脱水/二氧化碳，同样的杂质吸附量，本发明采用四塔工艺，单塔吸附剂装填量仅为三塔的一半；同时由于再生时加热和冷吹采用不同的气源，可以根据需要调整不同的气量；根据场站配套发电机需要，调整加热气流量，无需排放，减少能源浪费。