试论天然气净化中的膜净化技术

刘泉洲　张楌　史亚丽

摘要：膜法天然气净化处理技术是一种新兴的技术，气体膜分离技术在膜分离中占有相当的比重。气体膜分离法凭借其高效率、低成本、无污染等优点正处于蓬勃发展时期，相信不远的将来在天然气净化方面终将取代传统工艺。梳理了气体膜分离技术的机理及影响因素，并和传统的工艺进行了综合对比，全面阐述了膜分离技术在天然气脱硫处理中的应用，最后又简明扼要的分析了未来天然气膜法处理技术的发展路线与应用前景。

关键词：天然气;净化工艺;膜法

中图分类号：TE64 文献标识码：A 文章编号：1672-1578（2019）05-0291-01

引言：天然气资源主要有三种：气层气、伴生气和凝析气藏气。气层气是从储气层开采出来的天然气;伴生气是从储油层开采原油时伴随原油采出的天然气;凝析气藏气是指在地层原始条件下储层储存的是气，但在开采过程中随着压力降低天然气中的部分重烃凝析成液态，一部分留在地下，一部分随天然气采到地面。目前世界各国使用的天然气多数是气层气，如中国的四川气田、长庆气田等主要以生产气层气为主，大港油田凝析气较多，其他油田的天然气多数为伴生气。由此可知，从气井井口或从矿场油气分离器分出的天然气中会含有不同数量的较重烃类，以及水蒸气、硫化物（如硫化氢）、二氧化碳、氮气和氦气等非烃类气体，我们称之为粗天然气或湿气。这种天然气一般不适宜大多数用户直接使用，需要经过专门的处理以脱除硫化氢、水蒸气、凝析烃类等，然后才能作为商品天然气输往用户。

1.天然气净化原因

粗天然气中含有天然气中会含有不同数量的较重烃类，以及水蒸气、硫化物（如硫化氢）、二氧化碳、氮气和氦气等非烃类气体。天然气是靠管线输送，天然气中一般都含有饱和的水蒸气，当输气管线周围介质温度低于气体温度时，水蒸气将凝结成液体，甚至结冰或形成水合物，严重时会堵塞阀门或管线。至于天然气含有的酸性气体Co ，H2S等则危害更大，水的存在会使这些气体变成酸，加重对管壁的腐蚀，减少管线的使用寿命。当天然气用做燃料时会危害人们生命安全。用作化工原料时，这些酸性气还会使催化剂中毒，降低催化效果，甚至失去催化作用，影响产品质量。因此，粗天然气需要经过净化工艺，满足生活生产的使用要求。天然气脱水、脱硫后，仍然不能直接作为燃料气或化工原料，必须按一定的标准和要求将天然气中的硫醇和较重的烃类分离出来，主要是把C3以上烃类液化回收。这样，既能避免天然气在输送过程中由于产生凝液而造成的许多不可靠因素，又能净化天然气，消除了用户在使用过程中的众多危险因素。同时将C3以上组分分离后，天然气的燃烧热值会有较大提高，而C3以上组分又制成了合格的液化气和轻质油，还能取得较好的经济效益。

2.传统脱硫工艺

目前世界天然气工业中用于脱硫的主要方法是醇胺法，包括MEA、DEA、DIPA及MDEA等，该方法虽然在技术上较为成熟，也较适合低压下对天然气进行脱硫。但是，该法也存在许多的弊端，如设备投资大，分离效率低，操作复杂，脱硫剂流失大难以再生等问题一直是制约其发展的主要因素，正因为如此，醇胺法远远不能适应高速发展的天然气工业的需求，当下，急需寻找一种新的方法来代替传统的醇胺法，以适应工业发展的需求。由此近年来石油天然气工业掀起了一场以膜分离/吸收技术为代表的，新的脱硫工艺的浪潮。

3.天然气净化的膜吸收技术

在膜吸收法最初被提出的时候，虽然人们对于其高效节能的特点十分向往，但当时的技术条件下还无法造出符合条件的高效膜用于该工业生产，直到20世纪60年代，美国孟山都公司生产出了能够投入使用的气体分离装置，而第一张高通量的醋酸纖维素非对称膜也在同一时间问世，使得这一工艺技术成为可能，并被大量投入工业中应用。根据我国膜吸收法天然气脱硫技术取得的专利（专利号200510095472.0）可以看出，这种技术被公认为实行了较优的工艺组合和较低的经济成本的工艺。事实上，与传统的脱硫工艺相比，其投入成本减少了40%，过程费用减少了30%，而脱硫效率达到了95%以上。

膜吸收技术的具体流程为天然气由减压阀输入膜分离器的管腔中，在这个部分，天然气中的硫化氢气体穿越膜壁被膜分离器壳外充盈的吸收液吸收。硫化氢气体被融入吸收液后随着吸收液进入膜再生器中，此时硫化氢再次透过膜管腔，在真空泵的作用下进入尾气罐。而吸收液可以在此循环到之前的膜分离器的位置进行二次利用，开始下一轮的天然气脱硫过程。膜系统的配置和性能也会对脱硫的效果产生较大的影响。利用单级膜组件虽然能够确保脱硫的效率，但是损失的烷烃量也较大。而采用两级膜组件不仅能够确保脱硫的效果，还能提高物料循环利用的效率，将烷烃的损失率降低20%。膜分离技术的一大优势就是能够与传统技术相结合，可以将膜系统设置在传统工艺之前以起到去除酸气的作用。

膜吸收法中的膜材料与膜结构，在天然气脱硫的工艺中，较受欢迎的膜材料包括聚乙烯（PF）、聚丙烯（PP）、聚偏氯乙烯（PVDF）、聚砜（PSU）等。根据研究表明，聚丙烯膜在透气量、传质系数、膜污染受损及成本四个方面优于其他的膜材料。

疏水性的膜材料可以不受孔隙率的影响保持较好的传质性能，但如果膜材料无法保持干燥，则其传质性能会减弱，并影响到膜材料的稳定性，因此对于膜材料的选择十分重要。有研究表明，大孔径的膜或表面张力较小的吸收液会提高膜被润湿的可能性，在搭配MDEA溶液的情况下，聚偏氯乙烯膜材料比聚砜膜材料更容易保持干燥。另外，膜材料的孔径大小、孔隙率高低与膜材料的厚度也在很大程度上到脱硫的效果，当选用孔径较大，孔隙率较高的膜材料进行脱硫作业时，传质效率更高。且根据研究表明，孔隙率的大小比膜厚度对传质过程的影响程度更高。

4.结语

本文主要探究了天然气脱硫工艺中的膜吸收法，并对膜吸收法中的技术要点、膜材料和膜结构的分类、选择以及吸收液的选取原则进行了简要总结和分析。结合国内外研究成成果提出了膜吸收法脱硫技术的前景与展望。天然气脱硫质量的高低对于我国的经济建设与民生安全有着十分重要的作用，因此行业从业人员应积极研究相关技术，促进天然气及相关产业的转型与发展。

参考文献：

[1]王剑，张晓萍，李恩田，等.膜法天然气脱硫的研究进展[J].环境工程，2014.

[2]孙姣，孙兵，姬春彦，等.天然气脱硫过程的胺液污染问题及胺液净化技术研究进展[J].化工进展，2014.