LNG工厂物理吸附装置的主要操作问题

1.床层污染及液体浸入

一个令人惊讶的事实是我国有如此多的LNG工厂发生过上游脱酸系统发泡造成的胺液污染及浸入分子筛干燥床的生产事故。以笔者参与设计、调试、开车及整改过的10多个LNG工厂为例，有超过一半以上的工厂曾发生过此类事故；个别工厂甚至出现过分子筛床被完全淹没，胺液被夹带至冷箱的严重事故。究其原因，这与发泡的突发性及常规的分子筛入口分离器的设计有关。天然气-醇胺系为高易发泡物系，突发的发泡及与之相关联的各种类型的液泛造成严重的拦液现象是日常工厂操作中很有可能碰到的极端操作情况。而与之相对应的是很少有工厂会在设计阶段考虑上游装置严重发泡或液泛时分液罐的缓冲容量；这一缺陷与现场恶劣条件下仪表的可靠性和维护水平欠佳，以及经验不足的操作人员等因素相叠加，使出现分子筛床被污染及液体浸入的概率被放大。

以下以我国陕北某LNG工厂的分子筛干燥器生产事故为例来说明。2011年11月份，由于原料气进气压力不稳定，导致胺吸收发泡，分子筛进气分离器上、下液位骤涨，工艺外操人员在现场不停的排液，致使贫胺缓冲罐液位急速下降；胺增压泵连锁停泵，使胺系统停车。之后工艺主操发现冷箱A流道压差已涨到100kPa，冷箱冻堵，并且分子筛淹床，由于原料气到再生气的补充阀当时也有一定的开度，使两个分子筛都被淹。在线床相比再生床淹的更为严重，当时工艺主操立即将冷箱切出，全车停车。停车之后尽快对两个分子筛干燥器、粉尘过滤器、脱汞后粉尘过滤器、冷箱天然气流道用N₂进行置换、干燥。

对于无单独的胺系统而使用分子筛脱除酸气的LNG工厂，导致床层污染的根本原因是气体分离器未能将污染物完全除去或是再生气被污染。合理的入口分离器不仅要考虑正常流动下的流体体积流量，还需要考虑上游可能的不稳定造成的液态烃、水和其他气体处理的化学品夹带时柱塞流形成的冲击。因此，该入口过滤器在设计选型之前需要对上游的处理装置进行详尽的了解，而这又往往是国内LNG装置设计之初比较欠缺的；加之液体柱塞流形成的机理比较复杂，如分层流动的相界面波动成形、输气管线地形的变化、流量的波动等使得在确定液体柱塞长度时存在很大的不确定性。为此处于天然气处理厂下游的LNG工厂建设方多寄希望于在上游装置与工厂之间设置聚集液体捕集器。

然而，实际情况是大多数时候上游装置到LNG装置之间没有液体捕集器，其管线基本路由所穿越的地形在前期也不是十分明朗；而上游装置发生不稳定的概率视具体情况不同，但是相当多的工厂都发生过酸气处理及脱水装置运行不正常造成TEG溶液（多数时候不是水或NGL）夹带，个别工厂甚至非常频繁。液体夹带是否会积聚形成柱塞流视情况而定，该机理比较复杂，但是笔者在实际生产中多次见证了入口分离器上部（凝聚器段）也发现大量排液，分离器后气相的管线排出残液。

综上所述，入口分离器应该具有液体冲击的缓冲能力以保证下游装置安全平稳。液体柱塞流流动成因机理的复杂性使得理论确定液体长度的工作十分困难。目前工程上多是取一定的管线长度（相当多的LNG工厂取25m）假设为依据来确定分离器的缓冲容积。由此所增加的分离器容积和厚壁设计未必会显著的增加投资，但是的确会让整个装置安全平稳许多。

2.高露点及床层提前穿透

在液化天然气工厂中造成这一操作问题的主要原因有以下几点：(www.xing528.com)

1）该条主要针对使用内保温衬料的分子筛干燥床，即湿气通过内保温裂缝旁通干燥床。在实际生产中可以通过发现过热点或是干燥器外壁油漆脱落而觉察。其他可能的“症状”包括床层的快速穿透；或是再生床层气体出口温度的快速升高等。

2）阀门的泄露也是导致湿气旁通过干燥器的可能因素。现场可以通过检查阀门冷的一侧温升情况来发现。

3）床层再生的不彻底会导致吸附能力的突然降低及明显的床层提前穿透。操作中要确保再生阶段床层出入口温度均达到要求以实现完全再生；且再生的最后阶段要确保出口温度保持恒定一段时间（30～120min，取决于具体的床层设计）；而进出口温差不应超过32～38℃（取决于热保温的材料、厚度及安装质量）^[14]。

4）由流量增加、温度升高、压力降低等导致的需处理气体湿负荷超标。对于处理饱和湿天然气的LNG工厂，分子筛天然气入口温度十分重要，该温度的微小变化往往对应着明显的含湿量的改变。此外，生产中还经常会遇到一种现象：天然气的干燥过程中，开始时露点合格，之后露点不达标。通常说来，干燥剂的干燥性能会随使用时间而逐渐降低，但是会稳定在初始吸附量的55%～70%^[15]。但是近些年天然气处理工厂的生产实践显示：进气含湿量超标、C4+等重烃含量高、进气中含甲醇及其他污染，甚至仅仅是再生不彻底都会造成床层提前穿透^[14]。

3.热液损坏

热液损坏（亦有文献称之为水热损坏）是指在特殊条件下未使用合理的升温步骤或是中间加热步骤而在床层内产生过大温差而导致的床层损坏。其基本机理是由于床层底部分子筛温度过高而快速解吸，而此时床层顶部的温度仍处于在线吸附时的温度；于是底部解吸出的水分在顶部床层开始凝结（亦有文献称之为回流），继续升温会造成液层被不断加热直至沸腾，此时分子筛也会在“沸水”中升温而破坏。热液损坏的条件会随选用分子筛的不同而不同，因此要防止热液损坏需要合理选择沸石和使用的黏合剂，同样重要的是合理的操作和再生条件。基本的规律是再生温度越高、床层液相水含量越高，热液损失越严重^[16]。