探討高含硫天然氣脫水新工藝

王一然 馮曉宇

（中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司北京設(shè)計(jì)分公司，北京100085；中鐵物軌道科技服務(wù)集團(tuán)有限公司，北京100036）

高含硫天然氣脫水一直為相關(guān)技術(shù)中的難點(diǎn)，其中硫化物在脫水中常會(huì)出現(xiàn)污染吸附藥劑、損壞容器、增加污染物排放等現(xiàn)象。雖然隨技術(shù)的發(fā)展，其中大部分問(wèn)題已經(jīng)得到解決，但受成本的影響，大范圍推廣的可能性較低，需要相關(guān)技術(shù)在成本控制上的進(jìn)一步完善。

1 高含硫天然氣脫水的主要限制因素

1.1 脫水產(chǎn)物腐蝕性較強(qiáng)

天然氣脫水的本質(zhì)為通過(guò)多種手段將天然氣中的飽和態(tài)化為游離態(tài)進(jìn)行物理分離，或者吸收到其他溶劑當(dāng)中。而高含硫天然氣在處理進(jìn)程中會(huì)難以避免的將大量的如H2S 等酸性介質(zhì)同樣滯留在容器中，從而形成腐蝕性較強(qiáng)的酸溶液，對(duì)容器與管線造成嚴(yán)重的腐蝕損害。

1.2 提存藥品再利用困難

現(xiàn)階段對(duì)于低含硫天然氣脫水常采用的技術(shù)為T(mén)EG 三甘醇脫水，及利用三甘醇對(duì)天然氣中的水進(jìn)行吸收，吸收后的三甘醇富液再經(jīng)過(guò)一些方法進(jìn)行再生。常用的再生方法為干氣汽提法。該方法的干氣消耗量及溶劑循環(huán)量都非常大，裝置投資及運(yùn)營(yíng)費(fèi)用高。但針對(duì)高含硫天然氣，其在脫水進(jìn)程中會(huì)產(chǎn)生酸性物質(zhì)融入到吸收溶劑內(nèi)，溶劑再生系統(tǒng)無(wú)法正常發(fā)揮作用，甚至于存在發(fā)生復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)的現(xiàn)象，進(jìn)一步分離難以實(shí)現(xiàn)，天然氣脫水成本增加。

1.3 排放氣體造成環(huán)境污染

對(duì)于傳統(tǒng)的天然氣脫水工藝，含硫氣體排放始終是個(gè)問(wèn)題。低溫分離法存在含醇污水H2S含量高難以處理的問(wèn)題，溶劑吸收法存在富液閃蒸出的含硫氣體通過(guò)站場(chǎng)火炬焚燒產(chǎn)生大量的SO2污染環(huán)境的問(wèn)題。以至于部分人員嘗試將工業(yè)上控制氣體污染物排放手段應(yīng)用在其中，但凈化后氣體依舊難以達(dá)到國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)，需要額外的工序進(jìn)行處理，成本急速上升，不具備在生產(chǎn)中推廣使用的可能性。

2 高含硫天然氣脫水新工藝主要發(fā)展方向

2.1 耐腐蝕性材料的尋找

作為針對(duì)高含硫天然氣脫水進(jìn)程中對(duì)容器及管線傷害較大的特點(diǎn)，最為直觀的解決手段為耐腐蝕性材料的尋找。耐含硫強(qiáng)酸性腐蝕的材料在已有成果中便可以找到多個(gè)實(shí)用性較高的材料，但天然氣的集輸與生產(chǎn)屬于一項(xiàng)較為基礎(chǔ)且經(jīng)濟(jì)收益少的工作，在其中使用大量昂貴的高抗性材料顯然不具備經(jīng)濟(jì)角度的可行性，所以，在現(xiàn)階段針對(duì)于容器材料改良的高含硫天然氣脫水研究并未取得理想成果，大部分行業(yè)研究人員也不應(yīng)將該種方案作為技術(shù)進(jìn)步的主要發(fā)展方向。

2.2 不溶硫化物藥劑的選擇

針對(duì)于藥劑再生成本高的問(wèn)題，硫化物溶解能力較弱的吸收溶劑的尋找為較好選擇，相關(guān)人員在該層面的研究取得了良好效果，如利用溶劑吸收富液技術(shù)降低溶液中硫化氫的含量，成效明顯。但隨之而來(lái)的是，氣體中硫化物的濃度不斷升高，排放氣體難以滿足國(guó)家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，該種技術(shù)只能運(yùn)用在低含硫天然氣脫水，在高含硫天然氣中應(yīng)用前景不高。但固體吸附劑研究中取得了可觀的成果，甚至于低溫環(huán)境下固體物質(zhì)吸附手段還可以實(shí)現(xiàn)部分尾氣回收與處理。但在現(xiàn)階段技術(shù)條件下，該種技術(shù)設(shè)備要求較高、技術(shù)流程較為復(fù)雜、前期成本投入過(guò)高，在生產(chǎn)中應(yīng)用不具備經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

2.3 減少有害氣體的排放

高含硫天然氣脫水進(jìn)程中，硫總量是固定的，減少有害氣體的產(chǎn)生就需要將硫以其他形式固定，可建設(shè)硫磺回收裝置，回收硫磺，這樣既保護(hù)了環(huán)境，又使硫磺資源得到了充分利用。通過(guò)上文的論述，以其他形式將含硫氣體固定顯然不具備充分的經(jīng)濟(jì)效益。將含硫氣體中的主要酸性成分分離擁有更高的可行性，也是現(xiàn)階段對(duì)高含硫天然氣脫水的主要思路。

3 高含硫天然氣脫水的兩種新工藝

針對(duì)高含硫天然氣脫水，我國(guó)現(xiàn)代采用較多的為經(jīng)改良的低溫脫水工藝與TEG脫水工藝，兩種工藝在改良后都能在干燥天然氣的基礎(chǔ)上，有效降低硫化氫的含量，但其在應(yīng)用進(jìn)程中面臨同樣的問(wèn)題，即廢氣處理環(huán)節(jié)會(huì)產(chǎn)生大量的二氧化硫，對(duì)周邊環(huán)境影響極大，且設(shè)備復(fù)雜，泄漏點(diǎn)較多，運(yùn)行費(fèi)用較高等，仍需進(jìn)一步改進(jìn)。

由于人工增壓需要較高的成本，低溫分離法更多的應(yīng)用在氣源壓力高且對(duì)水露點(diǎn)要求不高的工況中中，但當(dāng)天然氣開(kāi)采接近完成時(shí)，氣田氣壓下降時(shí)，其在天然氣脫水成效上表現(xiàn)較差。三甘醇脫水法具備穩(wěn)定性高、脫水性強(qiáng)、天然氣損失小、等優(yōu)點(diǎn)，但由于設(shè)備購(gòu)買(mǎi)與使用費(fèi)用過(guò)高，在實(shí)際生產(chǎn)進(jìn)程中應(yīng)用較為困難。

3.1 膜分離脫水技術(shù)

膜分離脫水技術(shù)的本質(zhì)為模仿生物半透膜制作專(zhuān)業(yè)的天然氣膜，這種膜對(duì)于不同物質(zhì)具有選擇性，使不同組分可以在不同的電位差、濃度差、壓力差下在膜兩側(cè)選擇性的進(jìn)行物質(zhì)交換[2]。該種技術(shù)手段可以有效控制水分及含硫氣體通過(guò)，天然氣處理能力較高，且技術(shù)流程較為簡(jiǎn)單，對(duì)于操作人員無(wú)過(guò)高的要求，設(shè)備需求較低，避免了管線輸送含硫天然氣的腐蝕問(wèn)題、安全問(wèn)題，無(wú)需企業(yè)進(jìn)行大量的前期投入，具備理想的經(jīng)濟(jì)效益。但其缺點(diǎn)也較為明顯，膜分離技術(shù)進(jìn)行天然氣脫水，完全依賴于半透膜的性能。但現(xiàn)階段，在我國(guó)現(xiàn)有技術(shù)條件下，半透膜制作尚為完全成熟，在高含硫天然氣脫水中應(yīng)用中，第一次無(wú)法完全排除硫化氫，產(chǎn)物不具備作為燃料的資質(zhì)，需要進(jìn)行二次處理。此外，半透膜物質(zhì)濃度影響交換方向的特性就決定了其在天然氣脫水進(jìn)程中，必然會(huì)產(chǎn)生一部分氣體及輕烴無(wú)法回收，存在部分資源的浪費(fèi)。

為使膜分離技術(shù)在天然氣脫水進(jìn)程中擁有更加廣闊的應(yīng)用空間，其發(fā)展方向?yàn)榧訌?qiáng)半透膜制造技術(shù)的研究。在膜分離技術(shù)中應(yīng)用前景較為良好的半透膜應(yīng)具備的特點(diǎn)有更加細(xì)致的物質(zhì)選擇性，使其具備硫化氫過(guò)濾能力，其實(shí)現(xiàn)手段為進(jìn)一步縮小半透膜的縫隙，但由于硫化氫分子與天然氣分子大小極其相近，該項(xiàng)功能的實(shí)現(xiàn)仍需相關(guān)人員的努力?？箟耗芰υ鰪?qiáng)的主要目的在于使待處理一側(cè)的氣體可以施加更大的壓力，進(jìn)而提升天然氣的回收率，減少干燥進(jìn)程中的資源損失；更強(qiáng)的穩(wěn)定性，穩(wěn)定性指熱穩(wěn)定性與化學(xué)穩(wěn)定性，該種功能的加強(qiáng)可以進(jìn)一步減少膜分離技術(shù)的成本投入，提升氣田企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

但需要明確的是，該種分離手段相較于現(xiàn)有技術(shù)，其優(yōu)勢(shì)在于能源與資本消耗較低，天然氣脫水后所得的廢棄氣體仍未得到科學(xué)的處理，同樣會(huì)對(duì)周邊環(huán)境造成負(fù)面影響。

3.2 超音速脫水技術(shù)

超音速脫水技術(shù)是超音速冷凝技術(shù)與離心分離技術(shù)的綜合運(yùn)用。在外界能量交換完全隔絕的條件下，天然氣在超音速狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)會(huì)發(fā)生明顯的膨脹，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)局部空間降溫，而后通過(guò)溫度控制實(shí)現(xiàn)液滴與其中氣體的共存，再通過(guò)離心分離技術(shù)將二者分開(kāi)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高含硫天然氣的提純。該種技術(shù)手段具備天然氣純度較高、天然氣損耗較低、露點(diǎn)較好等優(yōu)點(diǎn)，是高含硫天然氣脫水的優(yōu)質(zhì)途徑。

超音速脫水技術(shù)的設(shè)備一體化較強(qiáng)，由拉瓦爾噴管、分離葉片、擴(kuò)散器三個(gè)部分組成[3]。拉瓦爾噴管負(fù)責(zé)對(duì)天然氣絕熱膨脹至音速，溫度降低，天然氣中的水蒸氣與重?zé)N類(lèi)凝結(jié)成液滴；分離葉片通過(guò)自身形態(tài)的變化給予天然氣離心力，實(shí)現(xiàn)液滴的分離；擴(kuò)散器為干氣的降速、減壓、升溫設(shè)備[4]。該設(shè)備自動(dòng)化程度較高，對(duì)相關(guān)人員操作要求較低，且由于運(yùn)行進(jìn)程中無(wú)振動(dòng)元件，設(shè)備的穩(wěn)定性良好，使用壽命較長(zhǎng)，從長(zhǎng)期投資角度分析有著較高的經(jīng)濟(jì)效益。

但需要明確的是，該設(shè)備屬于高精度設(shè)備，使用門(mén)檻較高，我國(guó)僅存在少數(shù)幾個(gè)大型氣田企業(yè)可以承受如此高額的一次性前期投入，現(xiàn)階段仍不具備推廣的可能性。此外，其僅對(duì)天然氣進(jìn)行分離，廢棄氣體混合程度較高，無(wú)污染處理極為困難。

4 結(jié)語(yǔ)

總之，隨著天然氣在我國(guó)國(guó)民生活中應(yīng)用的普及，其消耗量大幅提升，高含硫天然氣的開(kāi)發(fā)是必然趨勢(shì)，高含硫天然氣脫水技術(shù)也將成為研究的重點(diǎn)。膜分離技術(shù)與超音速分離技術(shù)作為發(fā)展前景較為廣闊的技術(shù)手段，進(jìn)行深入研究有一定的現(xiàn)實(shí)意義。