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CNG天然气脱水装置原理及脱水效果分析
四川正升能源技术服务有限公司技术中心 刘革
为降低汽车排放对城市环境造成的严重污染，我国近年来大力发展汽车清洁能源。随着西气东输、西气东输二线、陕京线、忠武线、川气东输等主输气管线的贯通，CNG加气站及加气母站在各沿线城市得到了大力的发展。
CNG加气站及加气母站中最关键的设备之一就是天然气深度脱水装置。它能有效地对天然气进行深度脱水，且脱水的性能好坏直接影响CNG加气机的加气速度和CNG汽车的行驶性能、以及储气系统和售气系统是否产生“冰堵”现象，并对CNG汽车的储气罐有良好的保护作用。
一、脱水装置的分类
1、天然气脱水装置根据吸附、再生时的温度和压力状态，将吸附再生的循环过程又分为变温吸附式(TSA)或变压吸附式(PSA)。
2、 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。前置脱水安装在压缩机前，其后的压缩机要能保证不污染气质（务必注意：前置脱水装置不是压缩机的过滤器）；级间脱水安装在压缩机的2、3级压缩缸之间，一般不推荐此种方式设备；后置脱水安装在无油润滑压缩机或有除油能力的少油润滑压缩机之后，大多数标准站采用此种设备（务必注意：后置脱水装置不是压缩机的过油器）。
二、脱水原理
变压吸附是在较高的吸附质分压力下进行吸附，在较低吸附质分压力(甚至是真空)下进行解析。由于其脱水深度不如变温吸附，因此CNG上基本不采用。
CNG变温吸附脱水是主要利用吸附剂的物理性对原料气中饱和水进行吸附，再利用较高温度对饱和后的吸附剂进行解析。吸附与解析采用逆向进行。目前CNG脱水装置基本上都采用变温吸附脱水做为深度脱水装置（务必注意：深度脱水装置是脱除天然气中的饱和水，不能有效地脱出天然气中的烃油）。
吸附的动力为范德华力。由于分子间范德华力的作用，促使吸附质向吸附剂渗透。其特点如下：
1、吸附作用力小，被吸附的气体分子比较容易重返气相，较容易“解吸”。
2、物理吸附的过程是可逆的，吸附和解吸的速度都很快。
3、吸附过程为放热反应，其放出的“吸附热”比化学吸附少得多。
4、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。
三、吸附剂
在CNG脱水装置中，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：
3.1有很强的吸附能力，比表面积大。
3.2与吸附质及其他与之相接触的介质不发生化学反应。
3.3机械强度与热强度好。
3.4易再生，不易劣化。
3.5可大量生产，价格低。
吸附剂分类（CNG脱水吸附剂主要有：硅胶、活性氧化铝、分子筛）

常用吸附剂物理特性

吸附剂种类
密度（kg/L）
机械强度
导热率/([w/(m·k)]
比热容
/[J/(kg·k)]
孔隙率（%）

平均孔径/A°
堆积密度
硅胶
0.4~0.7
较高
0.1972
1003
43~50
20~40
活性氧化铝
0.7~0.8
高
0.1306
1045
45~50
40~50
分子筛
0.72
强度有限
0.5889
752
45
4

常用吸附剂吸水/脱水性能

吸附剂种类
吸附量
静态
动态
硅胶
30~50
5~8
活性氧化铝
22
4~6
分子筛
22
8~15

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
不稳定
高
良
不良
较贵

四、CNG脱水一般工艺
1、吸附流程
原料气→粗过滤→吸附→粉尘过滤→成品气。
2、再生流程
再生气→加热→再生→冷却→气水分离→回收再利用
五、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180－300℃范围，综合性价比及实际运行来看，确定再生温度为200－220℃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Q＝cmΔt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，则需要汽化的温度也相应更高，既不经济也无必要。

5) 再生温度监测误差。
3、成品气中出现液体。
1）储气井内有积水。
2）气体中由于温度与压力变化凝析出液烃。
4、天然气露点显示不正常
1）水分析仪测量方法误差。
2）水分析仪测量误差。
3）水分析仪耐环境条件差。
4）水分析仪受气质影响。
　　综上所述，脱水效果取决于天然气中的含水率是否符合该装置要求；取决于气中是否存在油、烃液和液态水；取决于吸附剂吸水能力、再生次数寿命；取决于吸附剂的再生效果。
六、建议
1、加气站在初设时应充分考虑气质情况，选择最适合的脱水装置。
2、选择无油润滑或少油润滑的压缩机，并增加除油装置。
3、对后置脱水装置应考虑选择针形阀。
4、后置脱水对压缩机排气温度要求高，一定要小于45℃。建议关注压缩机的各级冷却器的效果。
5、做好再生温度达要求后的保温时间和冷吹时间。
七、操作注意事项
1、开始再生的操作程序是先通气路，后通电路，再生结束时是先关电路、后关气路。
2、拆卸时，切忌带压操作。
3、阀门开启速度不能过快，否则会严重影响吸附剂使用寿命。
4、过滤排污尽量在关机状态下进行。
5、脱水装置初次使用时必须对分子筛进行活化，才能正常吸附使用。

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