探讨高含硫天然气脱水新工艺

2020-01-14王一然冯晓宇

化工管理 2020年12期

关键词：半透膜含硫膜分离

王一然冯晓宇

（中国石油工程建设有限公司北京设计分公司，北京100085；中铁物轨道科技服务集团有限公司，北京100036）

高含硫天然气脱水一直为相关技术中的难点，其中硫化物在脱水中常会出现污染吸附药剂、损坏容器、增加污染物排放等现象。虽然随技术的发展，其中大部分问题已经得到解决，但受成本的影响，大范围推广的可能性较低，需要相关技术在成本控制上的进一步完善。

1 高含硫天然气脱水的主要限制因素

1.1 脱水产物腐蚀性较强

天然气脱水的本质为通过多种手段将天然气中的饱和态化为游离态进行物理分离，或者吸收到其他溶剂当中。而高含硫天然气在处理进程中会难以避免的将大量的如H2S 等酸性介质同样滞留在容器中，从而形成腐蚀性较强的酸溶液，对容器与管线造成严重的腐蚀损害。

1.2 提存药品再利用困难

现阶段对于低含硫天然气脱水常采用的技术为TEG 三甘醇脱水，及利用三甘醇对天然气中的水进行吸收，吸收后的三甘醇富液再经过一些方法进行再生。常用的再生方法为干气汽提法。该方法的干气消耗量及溶剂循环量都非常大，装置投资及运营费用高。但针对高含硫天然气，其在脱水进程中会产生酸性物质融入到吸收溶剂内，溶剂再生系统无法正常发挥作用，甚至于存在发生复杂化学反应的现象，进一步分离难以实现，天然气脱水成本增加。

1.3 排放气体造成环境污染

对于传统的天然气脱水工艺，含硫气体排放始终是个问题。低温分离法存在含醇污水H2S含量高难以处理的问题，溶剂吸收法存在富液闪蒸出的含硫气体通过站场火炬焚烧产生大量的SO2污染环境的问题。以至于部分人员尝试将工业上控制气体污染物排放手段应用在其中，但净化后气体依旧难以达到国家排放标准，需要额外的工序进行处理，成本急速上升，不具备在生产中推广使用的可能性。

2 高含硫天然气脱水新工艺主要发展方向

2.1 耐腐蚀性材料的寻找

作为针对高含硫天然气脱水进程中对容器及管线伤害较大的特点，最为直观的解决手段为耐腐蚀性材料的寻找。耐含硫强酸性腐蚀的材料在已有成果中便可以找到多个实用性较高的材料，但天然气的集输与生产属于一项较为基础且经济收益少的工作，在其中使用大量昂贵的高抗性材料显然不具备经济角度的可行性，所以，在现阶段针对于容器材料改良的高含硫天然气脱水研究并未取得理想成果，大部分行业研究人员也不应将该种方案作为技术进步的主要发展方向。

2.2 不溶硫化物药剂的选择

针对于药剂再生成本高的问题，硫化物溶解能力较弱的吸收溶剂的寻找为较好选择，相关人员在该层面的研究取得了良好效果，如利用溶剂吸收富液技术降低溶液中硫化氢的含量，成效明显。但随之而来的是，气体中硫化物的浓度不断升高，排放气体难以满足国家环保标准，该种技术只能运用在低含硫天然气脱水，在高含硫天然气中应用前景不高。但固体吸附剂研究中取得了可观的成果，甚至于低温环境下固体物质吸附手段还可以实现部分尾气回收与处理。但在现阶段技术条件下，该种技术设备要求较高、技术流程较为复杂、前期成本投入过高，在生产中应用不具备经济价值。

2.3 减少有害气体的排放

高含硫天然气脱水进程中，硫总量是固定的，减少有害气体的产生就需要将硫以其他形式固定，可建设硫磺回收装置，回收硫磺，这样既保护了环境，又使硫磺资源得到了充分利用。通过上文的论述，以其他形式将含硫气体固定显然不具备充分的经济效益。将含硫气体中的主要酸性成分分离拥有更高的可行性，也是现阶段对高含硫天然气脱水的主要思路。

3 高含硫天然气脱水的两种新工艺

针对高含硫天然气脱水，我国现代采用较多的为经改良的低温脱水工艺与TEG脱水工艺，两种工艺在改良后都能在干燥天然气的基础上，有效降低硫化氢的含量，但其在应用进程中面临同样的问题，即废气处理环节会产生大量的二氧化硫，对周边环境影响极大，且设备复杂，泄漏点较多，运行费用较高等，仍需进一步改进。

由于人工增压需要较高的成本，低温分离法更多的应用在气源压力高且对水露点要求不高的工况中中，但当天然气开采接近完成时，气田气压下降时，其在天然气脱水成效上表现较差。三甘醇脱水法具备稳定性高、脱水性强、天然气损失小、等优点，但由于设备购买与使用费用过高，在实际生产进程中应用较为困难。

3.1 膜分离脱水技术

膜分离脱水技术的本质为模仿生物半透膜制作专业的天然气膜，这种膜对于不同物质具有选择性，使不同组分可以在不同的电位差、浓度差、压力差下在膜两侧选择性的进行物质交换[2]。该种技术手段可以有效控制水分及含硫气体通过，天然气处理能力较高，且技术流程较为简单，对于操作人员无过高的要求，设备需求较低，避免了管线输送含硫天然气的腐蚀问题、安全问题，无需企业进行大量的前期投入，具备理想的经济效益。但其缺点也较为明显，膜分离技术进行天然气脱水，完全依赖于半透膜的性能。但现阶段，在我国现有技术条件下，半透膜制作尚为完全成熟，在高含硫天然气脱水中应用中，第一次无法完全排除硫化氢，产物不具备作为燃料的资质，需要进行二次处理。此外，半透膜物质浓度影响交换方向的特性就决定了其在天然气脱水进程中，必然会产生一部分气体及轻烃无法回收，存在部分资源的浪费。

为使膜分离技术在天然气脱水进程中拥有更加广阔的应用空间，其发展方向为加强半透膜制造技术的研究。在膜分离技术中应用前景较为良好的半透膜应具备的特点有更加细致的物质选择性，使其具备硫化氢过滤能力，其实现手段为进一步缩小半透膜的缝隙，但由于硫化氢分子与天然气分子大小极其相近，该项功能的实现仍需相关人员的努力。抗压能力增强的主要目的在于使待处理一侧的气体可以施加更大的压力，进而提升天然气的回收率，减少干燥进程中的资源损失；更强的稳定性，稳定性指热稳定性与化学稳定性，该种功能的加强可以进一步减少膜分离技术的成本投入，提升气田企业的经济效益。

但需要明确的是，该种分离手段相较于现有技术，其优势在于能源与资本消耗较低，天然气脱水后所得的废弃气体仍未得到科学的处理，同样会对周边环境造成负面影响。

3.2 超音速脱水技术

超音速脱水技术是超音速冷凝技术与离心分离技术的综合运用。在外界能量交换完全隔绝的条件下，天然气在超音速状态下运动会发生明显的膨胀，进而实现局部空间降温，而后通过温度控制实现液滴与其中气体的共存，再通过离心分离技术将二者分开，进而实现高含硫天然气的提纯。该种技术手段具备天然气纯度较高、天然气损耗较低、露点较好等优点，是高含硫天然气脱水的优质途径。

超音速脱水技术的设备一体化较强，由拉瓦尔喷管、分离叶片、扩散器三个部分组成[3]。拉瓦尔喷管负责对天然气绝热膨胀至音速，温度降低，天然气中的水蒸气与重烃类凝结成液滴；分离叶片通过自身形态的变化给予天然气离心力，实现液滴的分离；扩散器为干气的降速、减压、升温设备[4]。该设备自动化程度较高，对相关人员操作要求较低，且由于运行进程中无振动元件，设备的稳定性良好，使用寿命较长，从长期投资角度分析有着较高的经济效益。

但需要明确的是，该设备属于高精度设备，使用门槛较高，我国仅存在少数几个大型气田企业可以承受如此高额的一次性前期投入，现阶段仍不具备推广的可能性。此外，其仅对天然气进行分离，废弃气体混合程度较高，无污染处理极为困难。