天然气预处理过程中的脱酸与脱水工艺研究

欧银军

（宁夏哈纳斯新能源集团 宁夏 银川 750002）

0 引言

常规的天然气净化一般是指脱除天然气中酸性气体和游离水，如H2S、CO2达到管输气标准，通常要求H2S≤6mg/m3，CO2≤3%，对水分的要求是无游离水。而对于天然气液化标准，各项杂质就要达到深度净化的要求，其净化指标为：H2S＜4ppm、CO2＜50ppm、H2O＜1ppm。

1 天然气脱酸气工艺

1.1 可再生溶剂脱酸工艺

再生溶剂吸收脱除酸性气体是目前最常用的方法，该方法通过将含有CO2和H2S的天然气与溶剂逆流接触吸收，从而达到将其脱除的目的。同时，吸收了CO2和H2S的富液通过热再生将其去除，然后将溶液冷却，再重新使用，从而完成整个循环过程。若酸性气体为H2S，再生出来的酸气一般通过CluaS硫磺回收工艺将H2S转化为单质硫，而将其回收利用。常用的可再生溶剂脱酸工艺主要有化学吸收法、物理吸收法、联合吸收法等三大类。

（1）化学吸收法

化学吸收(主要是醇胺类溶液)法是目前天然气脱酸工艺中使用最频繁的方法。在低操作压力下，它们比物理溶剂或混合溶剂更为适用。因为此时CO2等酸气的脱除过程主要是受化学过程控制，而较少依赖于组分的分压，而且化学溶剂对烃类的溶解度很小，不会造成大的烃损失。

（2）物理吸收法

使用物理吸收法进行天然气脱酸的整个脱除过程没有发生化学反应，溶剂用量与天然气中酸性气体含量无关。物理吸收法有如下优点：适合于酸气分压高的原料气、处理容量大、再生容易、大部分的酸气可减压闪蒸出来、溶剂循环量和设备都很小、专用系统简单、基建和操作费用低、溶剂一般无腐蚀性、不易产生泡沫，并可同时脱有机硫而本身不降解、稳定性好、损耗率低、凝固点低、不易发生冷冻等。但是使用物理溶剂法进行天然气脱酸也有其缺点：溶剂价格昂贵，其溶剂对重烃有较强的吸收作用，这不仅影响净化气的热值，而且也影响硫磺的质量。

（3）联合吸收法

联合吸收法是一种将物理溶剂和化学溶剂相混合的脱酸方法，以达到将化学溶剂的特性和物理溶剂的特性相结合的目的。同时由于物理溶剂的参与，会使得混合液在高酸气分压下，具有较高的酸气负荷力。另外由于蒸汽压和溶剂降解引起的溶剂损失也会较小。但是混合溶剂的价格通常会比醇胺溶剂的价格要高。

1.2 其他天然气脱酸工艺技术

（1）固定床吸附脱酸工艺

固定床吸附脱酸工艺通常用于在天然气中H2S含量较低的脱酸过程，它是基于在某些多孔介质中用一些反应性的化学物质进行浸渍处理，从而达到脱硫的目的。此外该方法一般属于选择性脱除H2S的过程。商业上应用的可再生脱酸剂主要有：活性炭、活性氧化铝、硅胶、以及合成沸石；不可再生脱酸剂主要是氧化锌。

（2）膜分离方法脱酸工艺

利用渗透性薄膜净化天然气具有如下优点：该技术方便灵活，能适应各种操作条件的变化；处理费用相对较低，甚至额外增加设备都不会造成费用的大量增加，而采用传统工艺如胺法，就很难做到这些。但膜分离技术至今尚未在工业上广泛应用，主要的原因在于复杂的造膜工艺使膜系统造价昂贵，以及在工业条件下膜的性能不够稳定。目前这一技术尚无法在任何情况下使天然气的纯度达到管输标准，因此还须以传统的处理技术作为最终的净化步骤。

（3）直接转化法脱酸工艺

直接转化或氧化过程也是脱除天然气中微量H2S的一种有效的方法。直接氧化法是指溶液中氧载体的催化作用，把被碱性溶液吸收的H2S氧化为硫磺，然后鼓入空气，使吸收液再生。直接转化为硫的方法分为两类：湿法氧化法和干法氧化法。

（4）低温分离工艺

此法专用于CO2驱油伴生气处理的方法，可根据对产品的不同要求而采用二塔、三塔及四塔流程。

在上面所论述的各种脱酸方法中，化学吸收法脱酸气性能稳定，操作工艺较为成熟，可以达到天然气液化装置中所要求的深度净化的标准，经济性较好。在天然气液化装置中，常用的化学吸收方法有三种，醇胺法、热钾碱法及砜胺法，这三种净化方法的基本特性和适用条件可参阅相关文献。

2 天然气脱水工艺

2.1 冷却脱水

冷却脱水是利用当压力不变时，天然气的含水量随温度降低而减小的原理而实现天然气脱水的。此方法只适用于大量水分的粗分离，若冷却脱水过程达不到作为液化厂原料气中对水露点的要求，则还应采用其它方法对天然气进行进一步的脱水。通常用冷却脱水法脱除水分的过程中，还会脱除部分重烃。

2.2 吸收脱水

吸收脱水是用吸湿性液体（或活性固体）吸收的方法脱除气流中的水蒸气。用作脱水吸收剂的物质应具有以下特点：对天然气有很强的脱水能力，热稳定性好，脱水时不发生化学反应，容易再生，粘度小，对天然气和液烃的溶解度较低，起泡和乳化倾向小，对设备无腐蚀性，同时还应价格低廉，容易得到。

2.3 吸附脱水

吸附是指一个或多个组分在界面上的富集，其机理是在两相界面上，由于异相分子间作用力不同于主体分子间作用力，使相界面上流体的分子密度易于主体密度而发生 “吸附”。目前在天然气净化过程中，主要使用的吸附剂有活性氧化铝、硅胶和分子筛三大类。活性炭的脱水能力甚微，主要用于天然气中回收液烃。

现代液化天然气工厂采用的吸附脱水方法大都是分子筛吸附。尽管分子筛价格较高，但却是一种极好的脱水吸附剂。在天然气液化和深度冷却之前，要求先将天然气的露点降低至很低值，此时用分子筛脱水比较合适。分子筛的主要缺点是当有油滴或醇类等化学品带入时，会使分子筛变质恶化：再生时耗热高。

在实际使用中，可将分子筛同硅胶或活性氧化铝等串联使用。需干燥的天然气首先通过硅胶床层脱除大部分的饱和水，再通过分子筛床层脱除残余的微量水分，以获得很低的露点。

3 结束语

总之，天然气中的水分，在低于零度时将以冰霜的形式冻结在换热器和节流阀的工作部分。另外，天然气和水会形成天然气水合物，它是半稳定的固态化合物，可以在零度以上形成，它可能导致管线、喷嘴和分离设备的堵塞。为了避免天然气中由于水的存在造成堵塞现象，通常须在高于水合物形成温度时就将原料气中的游离水脱除，使其露点达到-100℃以下。从而防止低温下水冷凝、冻结及水合物的形成。

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