引 言

在煤层气制LNG流程中，含氧煤层气在进入冷箱液化之前，必须进行深度脱水，以防止煤层气进入冷箱后，其中的水结冰堵塞换热器。脱水流程通常采用两塔工艺[1]，利用复合床层[2]吸附剂的选择吸附特性，在常温和加压条件下进行吸附，脱除煤层气中的水分，以满足LNG液化单元要求；在高温和常压条件下，利用氮气实现再生。干燥塔复合床层的下部装填Al2O3，用于粗脱水，干燥塔复合床层的上部装填分子筛[3]，用于精脱水。两台干燥塔轮流交替工作，当一台干燥塔在吸附时，另外一台干燥塔进行置换、加热和冷却，实现再生。整个吸附和再生的过程由程控阀自动切换，实现连续操作。传统干燥塔再生方法一般利用干燥的空气或者氮气[4]，采用开放式实现干燥塔的再生。开放式再生后的空气或氮气中，含有解析出来的水分，水分随着空气或氮气排入大气中。传统开放式再生工艺简单，设备较少，但是再生需要消耗大量的干燥空气或者氮气，因此需要配备流量较大的制氮机，增加了整个工艺的运行成本。为了减少氮气的消耗，中煤科工集团重庆研究院有限公司联合中国科学院现代技术研究所设计出氮气循环脱水再生工艺流程，该流程将干燥后含水的氮气回收，对其冷却、脱水，再加压后用于干燥，实现氮气的循环利用。

1 传统干燥塔再生工艺流程

传统干燥塔吸附再生工艺流程示意图见图1。煤层气经过预冷机进行冷却，由于温度降低，煤层气中的部分气态水被冷凝成液态水后，从分离器底部排出，然后进入干燥塔进一步脱水，干燥塔采用复合床层进行深度脱水。床层下部装填Al2O3，用于粗脱水，床层上部装填分子筛，用于精脱水，经过精脱水后，煤层气的露点达到-65℃，进入冷箱后，就不会结冰堵塞换热器。

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干燥塔分为吸附干燥和再生过程[5]。再生过程包括泄压置换、加热、冷却3个步骤，通常两台干燥塔并联，交替进行吸附干燥和再生过程[6]。其工作流程为：煤层气通过阀Vd1（Vd2关闭，V表示“阀”）进入干燥塔 A，经过 Va1（Va2关闭）从干燥塔 A排出，进入冷箱。此时干燥塔B正处于再生阶段，再生工作流程为：干燥氮气通过 V3、V2、Vb2（Vb1、V1 关闭）进入干燥塔B，通过 Vc2（Vc1关闭）、V5实现放空，干燥塔 B由工作压力降为常压，吸附剂（分子筛和Al2O3）会将部分水分释放出来，水分和残余煤层气被氮气吹扫出干燥塔B，从而实现泄压置换[7]；然后开启电加热器[8]，氮气通过电加热器后，温度达到200℃左右，再进入干燥塔B，干燥塔内的吸附材料被氮气加热，吸附材料中的剩余水分被加热成气态水，从吸附材料中解析出来，和氮气一起通过放空管[9]从干燥塔B排出，完成加热步骤；然后打开阀V1，关闭阀V2、V3，同时关闭电加热器，将常温氮气通入干燥塔B，用常温氮气给吸附材料降温，氮气通过放空管放空，实现冷却。

当干燥塔A的吸附材料吸水达到饱和时，将干燥塔A和干燥塔B的工作流程切换，即干燥塔A再生，干燥塔B吸附干燥。切换阀通过程序自动控制[10]，两塔交替循环工作，从而实现对煤层气连续干燥。传统方法再生过程简单，设备少，但该法再生的氮气直接排入了大气，并未实现回收利用，氮气消耗量极大，因此运行成本较高。

  

图1 传统干燥再生工艺流程示意图

  

图2 氮气循环干燥再生流程示意图

2 氮气循环脱水再生流程

氮气循环干燥再生流程示于图2。氮气循环干燥再生流程的吸附过程和传统流程一样，不同之处在于干燥塔的再生过程。干燥塔B的再生过程分为置换、加热和冷却3个过程。（1）置换过程：氮气通过V9阀（V7关闭）、V3、V2、Vb2（Vb1、V1关闭）进入干燥塔 B，通过 Vc2、V5（V8、Vc1关闭）实现放空，干燥塔 B由工作压力降为常压，吸附材料（分子筛和Al2O3）将部分水分释放出来，水分和残余煤层气被氮气吹扫出干燥塔B，实现泄压置换；置换的目的是将防止残余的煤层气吹扫出氮气循环系统，防止煤层气不断的积累，保证系统安全运行。（2）加热过程：泄压置换完成后，打开电加热器，对干燥塔B进行热吹，关闭V9，打开V7，启动循环氮气压缩机，使N2通过压缩机增压后，压力提高到0.3 MPa（G），通过电加热器对N2加热，将热N2通入干燥塔B，对塔内吸附材料加热；关闭阀V5，打开阀V8，使加热氮气携带气态水进入冷却器，冷却后N2中的气体水冷凝成液态水，进入分离器，液态水通过V6排出，N2则从气液分离器顶部排出后，进入氮气循环压缩机，完成循环。当氮气循环压缩机的排气压力达到设计压力时，关闭氮气进气阀V7。（3）冷却过程：加热完成后，关闭电加热器、关闭 V3、V2，打开V1，用N2对干燥塔B进行冷吹，使干燥塔降温冷却。

房屋建筑工程施工安全一直以来都是管理部门关注的重点。由于房屋建筑工程实际施工期间极易受到环境因素及人为因素的影响造成风险事故发生，因此就需工程质量监督部门对施工流程的安全性进行全面监管，结合工程实际情况，合理规划出安全管理及任务，切实提升施工期间的安全指数。

贵州山脚树矿煤层气提纯制LNG项目的基本情况见表1。氮气循环脱水再生在该项目中的运行参数见表2。

贵州山脚树矿煤层气提纯制LNG项目中，应用氮气循环再生工艺对干燥塔进行再生，该项目于2016年11月开车成功，产出合格的LNG产品，取得了良好的经济效益。

3 氮气循环脱水再生在煤层气制LNG工程中的应用

氮气循环脱水再生工艺相比传统干燥再生工艺，能显著降低氮气的消耗量。因干燥塔在加热和冷却阶段都将氮气回收，实现再循环利用，只有在置换阶段需要将氮气排空。但置换的时间只有20 min，加热和冷却的总时间为400 min，因此氮气消耗量极小。传统干燥再生工艺在置换、加热和冷却阶段氮气全部排空，氮气消耗量极大。

当干燥塔A的吸附材料吸水达到饱和时，将干燥塔A和干燥塔B的工作流程切换，即干燥塔A再生，干燥塔B吸附干燥。切换阀通过程序自动控制，两塔交替循环工作，从而实现对煤层气连续干燥。

 

表1 贵州山脚树矿煤层气提纯制LNG项目基本情况

  

煤层气量/m3·h-1 4 167甲烷体积分数/%30煤层气压力/kPa（G）3 LNG产量/m3·h-1 1 250制冷工艺混合冷剂制冷

 

表2 氮气循环脱水再生运行参数

  

置换时间/min 20加热时间/min 200冷却时间/min 200吸附时间/min 420吹扫压力/MPa（G）0.05再生气体干燥氮气

根据表2中的数据，如果设定置换、加热、冷却时氮气流量相同，按照实际情况，通过有关计算可知，采用氮气循环脱水再生工艺氮气的消耗量只有传统工艺氮气消耗量的4.76%，氮气消耗量显著降低。只是采用氮气循环脱水再生工艺，需要增加一套氮气循环压缩机、冷却器和分离器设备，增加了设备投资和氮气循环压缩机的运行成本。

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4 结 语

贵州山脚树矿煤层气提纯制LNG项目的成功开车表明，氮气循环脱水再生流程是一种经济可行的脱水再生流程，尤其适用于大规模的LNG项目，该流程只需要增加小部分设备投资，就可以较大降低氮气的消耗量，从而实现总体能耗的降低，降低项目的运行总成本。

参考文献:

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[2]杨彦钢，丁艳宾，马正飞，等.复合床层变压吸附法脱除合成气中微量 CO 和 CO2[J].化学工程，2012，40（8）：42-46.YANG Y G，DING Y B，MA Z F，et al.Removal of Trace CO and CO2in Syngas by Pressure Swing Adsorption with Composite Bed[J].Chemical Engineering，2012，40（8）：42-46.

[3]徐如人，庞文琴，霍启升.分子筛与多孔材料化学[M].北京：科学出版社，2015.

[4]郭维强，蒲如平，韩秀杰，等.气源干燥的方法及氮气干燥源的应用[J].2003（11）：51-53.

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