1 概述

    在地球上水分子无处不在，天然气中含有程度不同的水分。从GB 5832.2—2008《气体中微量水分的测定  第2部分：露点法》附录中[1]，可知即使在-100℃、大气压下的饱和空气中，仍然有0.01039mg/m3的水以水蒸气状态存在。在很多工业生产和科学研究中，水是必须去除的有害组分。

    天然气中含有水、硫化氢、二氧化碳等有害组分，对这些组分必须进行控制。天然气中有害组分控制要求和国内主要管道天然气的有害组分参数见表1。从表1可以看到，我国车用天然气标准GB 18047—2000《车用压缩天然气》对水分、硫化氢的要求[2]，要高于城市管道天然气的标准GB 17820—1999《天然气》[3]。各条长输管道天然气实际的水分、硫化氢、二氧化碳等有害组分的控制结果也各不相同。

    未经处理的天然气中所含有的水分、硫和其他杂质，不仅会影响天然气的热值及辛烷值，还会影响管道、加气站设备和天然气汽车的安全。当水分子处于气体状态时，天然气中的硫化氢、二氧化碳对于处理和储存天然气的设备无害或者危害极小，可以忽略不计。当气态的水分子一旦凝结成液体后，便和硫化氢、二氧化碳形成酸性的腐蚀性液体，给设备的长期运行带来安全隐患。另外，水分的存在也会直接导致加气站设备(如加气机等)在运行中出现冰堵等故障，影响正常生产。

    天然气中的水分脱除是加气站建设中一项重要的工艺过程，它对加气站的安全运行和CNG汽车的安全行驶起着至关重要的作用。因此合理地选择天然气脱水装置成为压缩天然气加气站建设中一项不可忽视的工作。

2 气体脱水方法的分类

    目前用于工业上的气体水分脱除方法主要有加压冷却、冷冻降温分离、膜分离、吸收、物理吸附等方法。

    加压冷却和冷冻降温分离的原理相同，都是通过使气体中水蒸气的分压力超过其当时温度下的饱和压力，导致水蒸气凝结成液态水，再通过机械分离的方法将液态水排除，以降低气体中的水分含量。两者的不同之处在于加压冷却是采用压缩机将气体压力提升到适当的值，然后将压缩后的气体再冷却到接近常温；当水蒸气的分压力超过其温度下的饱和压力时，一部分水蒸气便凝结成液体；随着气体水分子的凝结，水蒸气分压力也随之下降，直到与该温度下的饱和压力相等，气态的水蒸气分子不再凝结；然后，用机械的方法排除凝结水，再将气体减压膨胀到所需的压力，气体由此得到干燥。而冷冻降温分离则利用冷冻机冷却气体，随着温度的降低，水蒸气的饱和压力也逐渐下降，直到低于水蒸气的分压力，水蒸气便凝结成液体，被排出系统。气体温度越低，从水蒸气凝结的液态水也越多，气体干燥的程度也越高。冷冻降温法仅适用于干燥度要求不高的工业气体，如压缩空气等。

    膜分离利用气体组分在有机高聚合物膜内的渗透能力、扩散速度不同，以压力或化学位能为推动力，达到分离水分或某种组分的目的。膜式干燥器目前可将气体的水露点降低20～30℃。由于气体通过中空的纤维膜时，水分子或某种特定组分是依靠分子的渗透率及扩散速度差实现分离，因此过程中不需要耗电。膜分离目前主要应用于压缩空气的干燥及化工领域的气体分离。

    吸收分离法主要是利用甘醇类物质的吸水性，通过洗淋等方法将气体中的水分吸收，达到干燥气体的目的，可使气体水露点降低28～42℃，适用于大流量、水分含量较高的气体的干燥。

    吸附分离是一种非相变状态下的组分在吸附剂微孔表面的富集，其机理是在两相界面上，因异相分子间作用力与主体分子间作用力不同，导致相界面上流体分子密度不同于主体密度而产生吸附作用。多孔介质颗粒吸附剂拥有大量的微孔，具有较大的比表面积(400～1000m2/g)，见表2，适合于不同类型的吸附分离过程。工业用多孔介质颗粒吸附剂的性能参数见表2。

    目前常用于加气站天然气脱水的吸附剂主要是人工合成的分子筛，如钾A型分子筛、钠A型分子筛。

3 天然气深度脱水原理

    当前国内外主要的天然气深度脱水装置，是利用合成氟石分子筛对气体中的水蒸气分子的强烈吸附作用，达到深度脱水的目的。

    合成氟石分子筛是一种有严格骨架结构的硅铝酸盐晶体，其硅铝四面体形成的内部骨架具有三维连通的无数微孔，是一种孔径大小均一的强极性吸附剂，具有很高的选择吸附分离能力。随着硅铝比的增加，分子筛的极性逐渐降低，因此低硅铝比的分子筛具有更强烈的吸附水分的能力，适合于气体的深度脱水。

    分子筛是压缩天然气常用的高效脱水剂，其主要优点如下：

    ① 分子筛可以使气体深度脱水。在通常情况下，它的吸附量比其他吸附剂高，因而可以缩小干燥塔的尺寸，节约资金。

    ② 分子筛在较高温度下也能有效地干燥气体。

    ③ 分子筛能选择性地吸附水分，避免发生重烃类共吸附而使吸附剂失效。

    ④ 分子筛不易被液态水损坏，而硅胶等吸附剂遇水则容易破脆。

    按不同的分子结晶结构和不同的交换金属离子，分子筛微孔孔径的大小也各异。如钾A型分子筛的有效孔径为0.30～0.33nm，称为3A型分子筛；钠A型分子筛的有效孔径为0.42～0.47nm，称为4A型分子筛。天然气脱水多用4A型分子筛。

    当气体通过分子筛床层时，气体中的水蒸气分子随气流进入分子筛内部的孔道。由于水分子属于强极性分子，因此被吸附在孔道上不再随气体流动；而甲烷等烃类气体属于非极性分子，会顺利通过，气体从而得到干燥。

    随着吸附塔内的分子筛吸附的水分增加，分子筛对水分子的吸附能力也逐渐下降，当到达一定值时，吸附塔出口的气体中的水分子就会超过规定值，说明该塔内的分子筛已吸附饱和。此时，必须对该吸附塔内的分子筛进行再生。

    再生流程就是将分子筛微孔内吸附的水分子驱逐出去，使分子筛重新活化的过程。再生流程的设计对于干燥器的连续运行至关重要。作为吸附水分的分子筛填装塔体，不论选取了多大的设计余度，分子筛终究会饱和，失去吸附水分的能力。因此，选择合理的再生流程和参数成为干燥器设计的重点。一个合理的再生流程可以做到用尽可能少的消耗(电加热功率、气体耗损率)，达到有效再生的目的。

    吸附剂的再生方法主要有降压再生法、电热再生法、将降压与电热结合的降压电热再生法。在某些领域，还有采用降压再生法的变种——真空再生法。根据再生气流的流动方式，分为开式再生法和闭式循环再生法。

    开式再生法是将脱水后的气体减压后，先加热或者不加热(无热再生)，再通过吸附塔将分子筛上吸附的水分带走，再排出干燥器外。根据再生气体的价值高低，分为回收和不回收两种。对于空气等廉价气体，一般是排出到大气中，不再回收；而对于天然气等气体，则该部分气体必须回收，一般是放回进气管路。

    闭式循环再生时，通过循环风机，气体被加热后反向流动(与分子筛吸附水分时的气流方向逆向流动)通过吸附塔，将吸附塔内分子筛微孔表面所吸附的水分子带走，分子筛便重新获得吸附能力。

    开式再生法和闭式循环再生法各有优缺点，分别应用于不同的领域。

4 干燥器脱水工艺

    天然气干燥器采用双吸附塔(A塔和B塔)并联工作方式。当一个塔工作，即脱去气体中的水分时，另一个塔活化再生。除了电控箱设置在操作室，干燥器的其余部件均集中安装在同一橇体上，用管道、阀门、电缆等联成整体，以方便运输、安装、操作、控制。

4.1 前置式干燥器脱水工艺

    一般地，前置式天然气干燥器最主要的优点是在压缩前将天然气中存在的水分脱除，给天然气压缩机提供较好品质的天然气，延长压缩机气阀、活塞环、填料函等运动密封件的使用寿命。另一方面，由于大多数的管输天然气在长距离集输前，经过了相当程度的净化，其中的水分含量很低，此时采用前置式干燥器，由于天然气压力较低，整个脱水系统压力等级较低，设计、制造、检验、运行、维护管理都较简便，性投资费用少。因此，实际运行成本较低(特别是在加气母站运行的干燥器)，这也是大部分的天然气加气站采用前置式干燥器的重要原因之一。

闭式循环再生干燥器工艺流程见图1。利用两组阀门(A塔侧的切换阀A1～4和B塔侧的切换阀B1～4)的开启或关闭组合，使天然气在从循环风机，经过加热器，到吸附塔(A塔或B塔)，再通过冷却器、分离器，又回到循环风机，形成封闭循环的气流。此循环中的天然气即是再生气，功能是将吸附在塔内分子筛内孔壁面上的水分子带出吸附塔。

    假设A塔工作，B塔再生，其工艺流程如下：当A塔工作时，湿气体经稳压罐稳压后，经过入口过滤器和切换阀A1进入干燥器的A塔脱水干燥。脱水后的干燥气体由上端出气，经过滤器后汇入压缩机进气总管。另一塔(B塔)则通过阀门的开启、关闭与循环风机、冷却器、加热器等组成一个闭式循环回路。再生时，循环风机将气体送往加热器加热至一定温度，然后进入B塔吹洗吸附剂，使其获得活化再生。A塔与B塔的吸附-再生过程交替进行，自动切换，供气过程得以连续不断。

    由于分子筛内部的微孔壁面对水分子类的极性分子有着强烈的吸附力，再生时，水分子需要获得足够的能量，才能挣脱这种分子间的吸附力。因此再生气在进入吸附塔前，需要被加热到一定温度，通常是200～300℃，其目的是：将能量通过热交换传递给水分子和分子筛；通过提高再生气的温度，以降低再生气的相对湿度，使其获得携带水蒸气分子的能力，将分子筛内解吸出来的水分子带出吸附塔，实现再生的目的。

    出塔后的再生气，温度较高，携带了大量的水蒸气，在冷却器中冷却后，水蒸气凝结成液态水，通过分离器分离后排出。

    闭式再生循环中实现气体循环的动力来自于循环风机，它是干燥器能否实现分子筛再生的关键。目前广泛使用的是罗茨鼓风机，主要应用于鼓风压力不超过0.1MPa的工业领域。采用罗茨鼓风机作为循环动力时，需选用带机械密封的天然气专用型，以防止润滑油进入机壳，污染分子筛。

4.2 后置式干燥器脱水工艺

    后置式天然气干燥器实际上是加压冷却脱水法和吸附分离法的串联应用。先利用压缩机在逐级的压缩-冷却过程中，将天然气中的大量水分脱出，再采用吸附分离法进行深度干燥。由于天然气在压缩过程中已脱出了其原始含水量中95%以上的水分，因此，与前置干燥器相比，同等处理量的后置干燥器具有更小的体积，其电加热功率也较低。

    在某些特定区域，如川、渝地区油气田，天然气未进行处理，天然气中的水分含量不稳定，且气体中还含有大量的有害杂质。1989年，后置式天然气干燥器应用在我国个采用国产设备的四川荣县天然气加气站。可见，采用后置式天然气干燥器的优点是，对气源天然气的品质要求不高，因而特别适合于水分含量不确定或需要在进站前脱除硫化氢的场所。

    关于硫化氢的脱除，目前对于管道天然气主要是采用化学反应转化法：

    Fe203+3H2S+H20=Fe2S3·H20+3H20

    可见在脱硫过程中，干燥的管道天然气被重新加湿。此时若采用前置式脱水装置，其造价和运行费用将远高于同等处理量的后置式干燥器，因此后置式天然气干燥器成为主要的选择。

    后置式天然气干燥器在进行脱水前先滤除从压缩机中带出来的润滑油，因此干燥后的气体不再需要进行处理，且气体脱水程度更高，常压下水露点可以达到-80℃。开式再生干燥器工艺流程见图2。

    在图2的流程中，再生气有两个出口，根据不同情况分别采用其中一种。对于空气等低价值气体，通常是将再生气放空处理，以降低处理成本；而对于天然气等高价值气体，则将再生气回流到压缩机前的进气管道中，将其回收，重新压缩、干燥。

    回收的天然气虽然回到压缩机的进气管道进行重新压缩、干燥，但在此并不是一个简单的循环。出塔的再生气在冷却器、分离器中将凝结水分离出系统后，变成了饱和气。在重新压缩的过程中，其中的绝大部分水分冷凝而被排出压缩机外。此外，由于再生气的体积流量只占压缩机进气体积流量的3%左右，再次进入干燥器的再生气携带的水分只占原始含水量的0.6%～0.9%。因此采用此方法回收的天然气，不会形成循环干燥。

对后置干燥器运行成本影响的是再生气。再生气的选取可采用两种方式(见图2)：干燥后的成品气，从其他气源取气。

    由于再生气需要干燥器处理量(体积流量)的3%左右的气体，而天然气的压缩所耗电费大约为0.11元/m3，因此消耗的成品气意味着运行成本的增加。对于一座日产15000m3/d的标准站，按3%的耗气率计算的再生气消耗的电费约为1.8×104元/a。为了降低这部分运行费用，便产生了采用其他气源的干燥方式。

    对于其他气源的选取，目前主要的方法是从压缩机的压缩后的管道上引出少量天然气，经过加热后作为再生气体。由于天然气只经过了压缩，消耗的电力也相应减少。对于四级压缩的压缩机，如果按等压力比分配各级的压缩比，则每级消耗的电能在理论上相等，采用压缩后引出的再生气，消耗的电费只有采用引自成品气的再生气的25%。

    对于天然气进气压力较高、拥有较低压力的城市管网的天然气公司，可以直接采用进站的天然气作为再生气，完成再生流程后再进入城市管网。此方式既消除了对压缩机供气量的消耗，增加了售气量，又没有消耗压缩电费，是最经济的再生方式。

    另一方面，由于管道天然气的含水量较高，而压缩后的天然气在冷却后属于饱和气体，均不适于作为冷却再生塔的气体，因此在冷却再生塔的过程中，仍然需要从成品气中引出冷却气体，这便带来了成本的升高以及运行操作的复杂性。因此综合各方面的情况，目前工业上应用最广泛的仍是采用引自成品气的再生方式。

    关于加热器的选择，理论上加热器采用压缩机的某级级间压缩后的热量作为热源是最经济的方式，此时只需要补充很少的热能甚至不补充热能即可以满足再生气的加热需要。但是，由于在实际运行和操作中需要考虑的因素较多，实现这种方式加热的实例极少，广泛应用的仍是电加热方式。

    同一处理量的干燥器，在外形尺寸、技术指标和能耗上相差较大，这主要是由于各厂家的设计结构和加热方式不同所致。

5 影响干燥器正常运行的主要因素

5.1 影响前置式干燥器的因素

    对前置式天然气干燥器影响的因素是进站的天然气的水含量。前置式干燥器的设计是根据处理气体的流量和其中的水含量，吸附塔的尺寸确定后，其水分吸附量便基本确定。如果进站的管道天然气的水含量超出了干燥器的额定值，干燥器的连续工作时间便开始下降。当连续工作时间少于干燥器的再生时间，干燥器运行便面临两个选择：④将再生不彻底的吸附塔投入脱水工作，后果是要么该吸附塔的连续工作时间更短，要么其出口的天然气不能达到规定的露点要求。②无视不合格的天然气进入压缩机，等待另一个塔再生完成后，再转换将其投入脱水工作。

    天然气干燥器的工作压力也影响到干燥器吸附塔的尺寸设计。压力越低，同等气体的体积越大，其要求的管道和吸附塔尺寸也越大。当采用在较高压力下进行再生循环时，其工作压力大幅度变化的影响非常显著，特别当工作压力远低于设计值时，其再生循环时间会大幅度延长。

5.2 影响后置式干燥器的因素

    压缩机压缩后的天然气冷却温度是影响后置式天然气干燥器的最主要因素。由于我国没有专门的天然气干燥器标准，因此在设计后置式干燥器时，一般可参考GB/T 10893—1989《压缩空气干燥器规范与试验》[6]，以40℃时的天然气湿度作为后置式干燥器进气水含量。

    饱和水蒸气的参数见表3。可以看到，40℃的气体，即使温度变化5℃，其饱和湿度的变化也在-22.5%～28.1%；当气体的温度从40℃上升，到50℃时，其饱和湿度增加了62.3%；反之当温度下降，到30℃时，饱和湿度仅下降了40.6%。

    由此可见，降低压缩机排出的天然气温度对于后置干燥器有着非常重要的意义。其措施包括选用大的后冷却器，对冷却水进行软化及灭藻等净化处理，选用高品质的循环风机和冷却器，定期清洗冷却器等。

    影响后置式干燥器正常运行的另一个重要因素是过滤天然气中含有的润滑油(从压缩机中带来的润滑油)的能力。虽然分子筛不吸附重烃，且其微孔孔径较小，重烃和润滑油不能进入微孔，但是润滑油可以附着于分子筛表面，堵塞通向分子筛内部的通道，使水分子不能进入，由此造成分子筛失去吸附水分的能力，即分子筛中毒。

    因此在天然气进入吸附塔前将天然气中所含润滑油滤除，成为影响干燥器分子筛寿命的一个重要因素。目前国内一般的后置式天然气干燥器的分子筛寿命在3～6个月，视压缩机排气温度、干燥器的设计与操作的差异而不同。

6 展望

    随着经济的发展，我国的能源对外依赖程度迅速加大，仅2008年1月-11月就进口了约1.98×108t原油和成品油。鉴于我国严峻的能源形势，大力发展石油的替代能源是我国的长期国策。天然气汽车在我国是一个新兴产业，有着良好的发展前景。我们也应该看到，作为汽车加气站的重要设备，国内的天然气干燥器虽经过多年的发展，但目前还存在着能耗高、可靠性差、无故障工作时间短、脱水程度不达标、自动化程度低等问题。

    进一步优化干燥器的再生工艺流程和参数，降低干燥器运行本身的能耗，提高自动化系统的可靠性，除去天然气中润滑油雾，延长分子筛寿命等是我国今后一段时期干燥器的主要研究方向。相信随着我国工业基础水平的不断提高，我国天然气脱水技术必将迈上一个新的台阶

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