試論天然氣凈化中脫硫工藝的選擇

劉泉洲 張楌 王志剛

陜西省延安市志丹縣長慶油田分公司第一采氣廠第四凈化廠 郵編 717500

一、背景

天然氣中含有酸性組分時，不僅在開釆、處理和儲運過程中會造成設備和管道腐蝕，而且用作燃料時會污染環境，危害用戶健康；天然氣中CO2 含量過高會降低熱值。因此當天然氣中酸性組分含量超過商品氣質量指標或管輸要求時，必須釆用合適的方法將其脫除至允許值內，脫除的酸性組分稱為酸氣，其主要成分是H2S、CO2 及少量烴類，從酸性天然氣中脫除酸性組分的工藝過程稱為脫硫脫碳。天然氣脫硫脫碳是天然氣凈化工藝的“龍頭”，其類別也特別多，但主導工藝是胺法及砜胺法。

二、化學溶劑法

化學溶劑法是以堿性溶液吸收H2S 及CO2 等，并于再生時又將其放出的方法，包括使用有機胺的MEA 法，DEA 法，DIPA 法，DGA 法，MDEA 法及位阻胺法等，使用無機堿的活化熱碳酸鉀法也有應用。到目前為止，化學溶劑（主要是醇胺類）法是天然氣脫硫中使用最為頻繁的方法。

天然氣胺法脫硫脫碳的工藝流程是基于醇胺與酸氣（H2S 及CO2）的反應設置的；在加壓及常溫條件下胺液吸收天然氣中的酸氣，在低壓及升溫條件下使胺液吸收的酸氣逸出，再生了的胺液可循環使用。因此，使用不同醇胺溶液的天然氣脫硫脫碳裝置的基本工藝流程是相同的。

天然氣脫硫脫碳工藝主要分為吸收、閃蒸、換熱以及再生部分。其中吸收部分主要是將天然氣中的酸氣（主要是H2S 與CO2）脫除至規定指標；閃蒸用于除去富液中的烴類（以降低酸氣中的烴含量）；換熱系統以富液回收貧液的熱量；再生系統將富液中的酸氣解析出來以恢復其脫硫性能。

三、物理溶劑法

物理溶劑法是利用H2S 及CO2 等酸性雜質與烴類在物理溶劑中溶解度的巨大差異完成天然氣脫硫脫碳。特點如下：傳質速率慢；達到高的H2S 凈化度較為困難；溶劑再生的能耗低。物理溶劑法中酸氣是溶解于其中故易于析出；具有選擇脫硫能力。幾乎所有的物理溶劑對H2S 的溶解能力均優于CO2，所以物理溶劑可以實現在H2S 及CO2 共存的條件下選擇性脫除H2S；具有優皂的脫有機硫的能力；可實現同時脫硫脫水；烴類溶解量多、特別是重烴。物理溶劑對烴類、特別是重烴、尤其是芳烴有良好的親和力，需采取有效措施回收溶解的烴以減少烴損失和降低酸氣中的烴含量；酸氣負荷與酸氣分壓大體成正比。由于物理溶劑法的酸氣負荷大體上與天然氣中的酸氣分壓成正比，當天然氣中H2S 及CO2 的濃度較低且操作壓力較低時，其溶液的循環量大大高于胺法；基本上不存在溶劑變質問題。

四、間歇法

在塔器內裝填一定高度的孔隙性固體顆粒，稱為固定床。氣體通過固定床層時，固體與酸氣發生化學反應，反應物截留在床層內，使天然氣脫岀酸氣。當床層為酸氣飽和時，該塔器停止使用，再生或更新已飽和的床層，因而需有另一個塔器投入使用，使脫酸工作能連續進行。這種脫硫方法稱間歇法。固體床也可為含某種化合物的漿液代替，漿液與酸氣發生化學反應脫酸，漿液失去活性后更換新的漿液。工業上常用的海綿鐵法、漿料（氧化鋅、亞硝酸鈉）法和分子篩法都屬間歇法，但分子篩不與酸氣發生化學反應，其脫酸原理屬物理吸附。

間歇法的特點是：能較徹底地脫除低至中等含量的H2S 及有機硫，脫酸能力與壓力基本無關，與CO2—般不發生反應；與胺法等需再生的工藝相比，投資較低；需兩個以上接觸塔，一個工作、另一個更新塔內充填物；要求進塔原料氣潔浄，不含液固雜質。

五、膜分離法

用無孔聚合物薄膜分離氣體內的某些組分，這種分離方法稱膜分離。在膜的一側為高壓原料氣，另一側為低壓側，低壓側壓力約為高壓側的10%～20%。氣體分子在高壓側吸附，通過薄膜擴散，并在低壓側解吸。由高壓側經薄膜進入低壓側的氣體稱滲透氣，而仍留在高壓側的氣體為滲余氣。由于氣體內各組分的滲透速度不同，使氣體組分得到一定程度的分離。用氣體各組分通過薄膜滲透性能的區別，將某種氣體組分從氣流中分離和捏濃，達到天然氣脫酸性氣的目的。適用于從天然氣內分岀大量CO2 的場合。據統計，陸上油氣田90%以上的酸性天然氣釆用醇胺吸收法和間歇法處理。在氣量大、酸氣負荷高的場合常使用建設費用較高、操作費用低廉的醇胺法。常把原料氣硫含量作為判別參數，硫含量大于45kg/d 時使用醇胺法；低于9kg/d、且氣體處理量很小時才考慮釆用建設費用低、操作費用較高的間歇法處理酸性天然氣。

六、結語

以上介紹的各種脫酸氣方法都有各自的特點、適用條件。在選擇脫酸方法時一般應考慮以下因素：在天然氣中，酸氣的類型和各種酸性組分的含量；天然氣處理量，壓力，溫度；是否需要選擇性地脫除某種酸氣組分，從酸氣中回收硫磺的可行性；重烴和芳香烴在氣體中的數量；管輸要求、下游加工工藝要求，以及銷售合同、環保等強制性要求等。由于脫酸工藝還在不斷發展，改變現有脫酸溶劑配方就可能使某種脫酸方法改變性能、適應范圍擴大、操作費用下降。