探討高含硫天然氣脫水新工藝

王一然 馮曉宇

（中國石油工程建設有限公司北京設計分公司，北京100085；中鐵物軌道科技服務集團有限公司，北京100036）

高含硫天然氣脫水一直為相關技術中的難點，其中硫化物在脫水中常會出現污染吸附藥劑、損壞容器、增加污染物排放等現象。雖然隨技術的發展，其中大部分問題已經得到解決，但受成本的影響，大范圍推廣的可能性較低，需要相關技術在成本控制上的進一步完善。

1 高含硫天然氣脫水的主要限制因素

1.1 脫水產物腐蝕性較強

天然氣脫水的本質為通過多種手段將天然氣中的飽和態化為游離態進行物理分離，或者吸收到其他溶劑當中。而高含硫天然氣在處理進程中會難以避免的將大量的如H2S 等酸性介質同樣滯留在容器中，從而形成腐蝕性較強的酸溶液，對容器與管線造成嚴重的腐蝕損害。

1.2 提存藥品再利用困難

現階段對于低含硫天然氣脫水常采用的技術為TEG 三甘醇脫水，及利用三甘醇對天然氣中的水進行吸收，吸收后的三甘醇富液再經過一些方法進行再生。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量都非常大，裝置投資及運營費用高。但針對高含硫天然氣，其在脫水進程中會產生酸性物質融入到吸收溶劑內，溶劑再生系統無法正常發揮作用，甚至于存在發生復雜化學反應的現象，進一步分離難以實現，天然氣脫水成本增加。

1.3 排放氣體造成環境污染

對于傳統的天然氣脫水工藝，含硫氣體排放始終是個問題。低溫分離法存在含醇污水H2S含量高難以處理的問題，溶劑吸收法存在富液閃蒸出的含硫氣體通過站場火炬焚燒產生大量的SO2污染環境的問題。以至于部分人員嘗試將工業上控制氣體污染物排放手段應用在其中，但凈化后氣體依舊難以達到國家排放標準，需要額外的工序進行處理，成本急速上升，不具備在生產中推廣使用的可能性。

2 高含硫天然氣脫水新工藝主要發展方向

2.1 耐腐蝕性材料的尋找

作為針對高含硫天然氣脫水進程中對容器及管線傷害較大的特點，最為直觀的解決手段為耐腐蝕性材料的尋找。耐含硫強酸性腐蝕的材料在已有成果中便可以找到多個實用性較高的材料，但天然氣的集輸與生產屬于一項較為基礎且經濟收益少的工作，在其中使用大量昂貴的高抗性材料顯然不具備經濟角度的可行性，所以，在現階段針對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，大部分行業研究人員也不應將該種方案作為技術進步的主要發展方向。

2.2 不溶硫化物藥劑的選擇

針對于藥劑再生成本高的問題，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降低溶液中硫化氫的含量，成效明顯。但隨之而來的是，氣體中硫化物的濃度不斷升高，排放氣體難以滿足國家環保標準，該種技術只能運用在低含硫天然氣脫水，在高含硫天然氣中應用前景不高。但固體吸附劑研究中取得了可觀的成果，甚至于低溫環境下固體物質吸附手段還可以實現部分尾氣回收與處理。但在現階段技術條件下，該種技術設備要求較高、技術流程較為復雜、前期成本投入過高，在生產中應用不具備經濟價值。

2.3 減少有害氣體的排放

高含硫天然氣脫水進程中，硫總量是固定的，減少有害氣體的產生就需要將硫以其他形式固定，可建設硫磺回收裝置，回收硫磺，這樣既保護了環境，又使硫磺資源得到了充分利用。通過上文的論述，以其他形式將含硫氣體固定顯然不具備充分的經濟效益。將含硫氣體中的主要酸性成分分離擁有更高的可行性，也是現階段對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

針對高含硫天然氣脫水，我國現代采用較多的為經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上，有效降低硫化氫的含量，但其在應用進程中面臨同樣的問題，即廢氣處理環節會產生大量的二氧化硫，對周邊環境影響極大，且設備復雜，泄漏點較多，運行費用較高等，仍需進一步改進。

由于人工增壓需要較高的成本，低溫分離法更多的應用在氣源壓力高且對水露點要求不高的工況中中，但當天然氣開采接近完成時，氣田氣壓下降時，其在天然氣脫水成效上表現較差。三甘醇脫水法具備穩定性高、脫水性強、天然氣損失小、等優點，但由于設備購買與使用費用過高，在實際生產進程中應用較為困難。

3.1 膜分離脫水技術

膜分離脫水技術的本質為模仿生物半透膜制作專業的天然氣膜，這種膜對于不同物質具有選擇性，使不同組分可以在不同的電位差、濃度差、壓力差下在膜兩側選擇性的進行物質交換[2]。該種技術手段可以有效控制水分及含硫氣體通過，天然氣處理能力較高，且技術流程較為簡單，對于操作人員無過高的要求，設備需求較低，避免了管線輸送含硫天然氣的腐蝕問題、安全問題，無需企業進行大量的前期投入，具備理想的經濟效益。但其缺點也較為明顯，膜分離技術進行天然氣脫水，完全依賴于半透膜的性能。但現階段，在我國現有技術條件下，半透膜制作尚為完全成熟，在高含硫天然氣脫水中應用中，第一次無法完全排除硫化氫，產物不具備作為燃料的資質，需要進行二次處理。此外，半透膜物質濃度影響交換方向的特性就決定了其在天然氣脫水進程中，必然會產生一部分氣體及輕烴無法回收，存在部分資源的浪費。

為使膜分離技術在天然氣脫水進程中擁有更加廣闊的應用空間，其發展方向為加強半透膜制造技術的研究。在膜分離技術中應用前景較為良好的半透膜應具備的特點有更加細致的物質選擇性，使其具備硫化氫過濾能力，其實現手段為進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，該項功能的實現仍需相關人員的努力。抗壓能力增強的主要目的在于使待處理一側的氣體可以施加更大的壓力，進而提升天然氣的回收率，減少干燥進程中的資源損失；更強的穩定性，穩定性指熱穩定性與化學穩定性，該種功能的加強可以進一步減少膜分離技術的成本投入，提升氣田企業的經濟效益。

但需要明確的是，該種分離手段相較于現有技術，其優勢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的處理，同樣會對周邊環境造成負面影響。

3.2 超音速脫水技術

超音速脫水技術是超音速冷凝技術與離心分離技術的綜合運用。在外界能量交換完全隔絕的條件下，天然氣在超音速狀態下運動會發生明顯的膨脹，進而實現局部空間降溫，而后通過溫度控制實現液滴與其中氣體的共存，再通過離心分離技術將二者分開，進而實現高含硫天然氣的提純。該種技術手段具備天然氣純度較高、天然氣損耗較低、露點較好等優點，是高含硫天然氣脫水的優質途徑。

超音速脫水技術的設備一體化較強，由拉瓦爾噴管、分離葉片、擴散器三個部分組成[3]。拉瓦爾噴管負責對天然氣絕熱膨脹至音速，溫度降低，天然氣中的水蒸氣與重烴類凝結成液滴；分離葉片通過自身形態的變化給予天然氣離心力，實現液滴的分離；擴散器為干氣的降速、減壓、升溫設備[4]。該設備自動化程度較高，對相關人員操作要求較低，且由于運行進程中無振動元件，設備的穩定性良好，使用壽命較長，從長期投資角度分析有著較高的經濟效益。

但需要明確的是，該設備屬于高精度設備，使用門檻較高，我國僅存在少數幾個大型氣田企業可以承受如此高額的一次性前期投入，現階段仍不具備推廣的可能性。此外，其僅對天然氣進行分離，廢棄氣體混合程度較高，無污染處理極為困難。

4 結語

總之，隨著天然氣在我國國民生活中應用的普及，其消耗量大幅提升，高含硫天然氣的開發是必然趨勢，高含硫天然氣脫水技術也將成為研究的重點。膜分離技術與超音速分離技術作為發展前景較為廣闊的技術手段，進行深入研究有一定的現實意義。