含硫天然气脱水工艺技术研讨
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【摘要】本文就含硫天然气脱水工艺进行简单地对比分析，包括传统的脱水工艺如低温冷凝脱水法、TEG脱水工艺、固体吸附法等，新型脱水工艺如膜分离脱水技术、超音速脱水工艺等等。介绍了各种含硫天然气脱水工艺的工艺原理、流程和优缺点等。
【关键词】含硫天然气 脱水工艺 原理 应用
1 概述
为保证含硫天然气能够安全输送，往往采用干气输送方式。所谓“干气”是指输送的天然气中水的含量要低于安全输送过程中水的含量。若天然气中含有较多的水分，在一定条件下可能形成天然气的水合物，会造成管路及设备的堵塞；此外，天然气中若同时含有硫和水，会形成酸液，严重腐蚀设备中的管路。因此在干气输送中必须先将水分除去。含硫天然气的脱水工艺有传统的方法，如低温冷凝脱水法、TEG脱水工艺、固体吸附法等。近年来还发展了一些新的脱水工艺，如膜分离脱水技术、超音速脱水工艺等等。
本文就以上几种含硫天然气的脱水工艺进行简单的对比分析，希望对从事天然气脱水工艺研究的人员有所帮助。
2 含硫天然气的传统脱水工艺2.1 低温冷凝脱水法
低温冷凝脱水法的原理是利用天然气中水分随温度的降低或者压力的升高而随之减小的特征，将天然气冷却降温或加压降温的方式进行脱水。常用的低温冷凝法包括直接冷却法、膨胀冷却法、加压冷却法和机械制冷等。低温冷凝法设备简单、操作方便、成本低等优点，但也存在一些缺点，耗能较高、水露点高等。这种方法在国内气田中应用较广泛，其中长庆采气二厂、塔里木气田天然气厂、塔里木克拉厂等均采用直接冷凝法，大庆油田和四川卧龙河和中坝气田采用膨胀冷却法脱水法。2.2 TEG脱水工艺
三甘醇（TEG）脱水工艺属于溶剂吸收法，是利用TEG的良好吸水性能和对水的溶解度高，而对天然气溶解度低等特性，在吸收塔内与天然气逆流接触进行气液传质去除其中的水分。醇类物质具有很强的吸水性，是常用的脱水吸收剂，其中TEG以吸湿性高、热稳定性好、容易再生、蒸汽压低、夹带量小等极大的优势得到更广泛的应用。
传统的TEG脱水系统主要包括三个部分：分离器、吸收塔和TEG再生系统，用于低含硫量天然气的脱水，技术比较成熟，适用于对露点要求不高的情况。但存在一些缺点：系统较复杂；富液生成具有强腐蚀性的酸性物质，严重腐蚀设备管线，设备需采用特殊的材料，无形中加大工程投资；对于处理量较大的装置，再生气流和闪蒸气流中H2S的含量较高，就地焚烧排放后，SO2的含量无法满足排放要求。
对此，法国拉克气田对脱水富液处理进行了技术革新――汽提工艺，从而大大降低了富液中H2S的浓度，也减小了在高温下H2S对TEG的影响，减少在再生过程中对设备的腐蚀。有关专家还提出了新技术――含醇污水二级闪蒸+汽提预处理，这样通过闪蒸后H2S在冷凝的含醇污水中的浓度较小，再通过汽提后焚烧，就可以满足国家大气排放标准。
2.3 固体吸附法
固体吸附法是指利用多孔性固体干燥剂表面吸附力，使天然气中的水分子燥剂内孔吸附从而达到分离的方法。该法可分为物理吸附和化学吸附。物理吸附靠范德华力将水分子吸附在固体干燥剂表面，过程是可逆的，吸附剂可再生；化学吸附则是水分子和固体干燥剂之间形成化学键，过程不可逆，吸附剂不可再生。
常用的固体吸附剂有硅胶、活性氧化铝、分子筛等。其中分子筛的孔径均匀，是分子型吸附剂，表面具有较强的局部电荷，对极性分子和不饱和分子有很高的亲和力，选择性吸附能力很强，使用寿命长，广泛应用于国内外天然气脱水以及对水露点要求高的领域，技术成熟可靠，脱水后干气含水量可低于1 ppm，水露点低于90℃。
含硫天然气分子筛吸附脱水法有两种流程，分别为开式和闭式。开式流程采用低压再生，容易操作，再生气不返回干气。闭式流程中再生气不返回干气中外输。但是此法也需解决一些问题，譬如设备的腐蚀、单质硫的沉积等等。
在加拿大等国，分子筛脱水技术已经广泛应用于高含硫天然气的脱水，装置运行几十年状况依然良好。
3 含硫天然气的脱水新工艺 3.1 膜分离法
膜法气体分离的基本原理是根据混合气体中各组分在压力的推动下透过膜的传递速率不同，从而达到组分分离的目的。此技术利用特殊的膜材料如高分子类聚酰亚胺、聚砜、聚二甲基硅氧烷，无机材料类的致密膜、多孔膜等，对混合气体中的某种组分优先选择渗透脱除。
20世纪80年代，一些发达国家对含硫天然气脱水工艺进行了研究。目前很多企业如美国的Separex、Grace和日本的东丽、松下等都投入到天然气膜脱水法的研究之中，已经实现了工业化。
天然气膜分离法作为一种处理工艺有很多优点，具有操作简单、能耗低、环保、效率高、投资少、无二次污染等特点，而且流量适用范围广，发展前景可观。美国Ben Bikson等在2003年对天然气膜法脱水过程和TEG脱水工艺进行了评价比较，得出了天然气膜法脱水工艺在性能和经济性等方面的优势。路易斯安那州一个较大的天然气处理公司引进了一套膜法脱水分离装置，处理后天然气中水汽含量降至32mg/m3，操作费用降低了85%，而装置的占地面积也比原有的DEA化学吸收装置减少了85%，节约了用地。天然气膜分离脱水工艺以其工作性能和经济效益占领市场。3.2 超音速分离技术
该技术是荷兰Twister BV公司在2000年研发的一种新型的天然气处理技术。当年11月，尼日利亚的一家公司成功地完成试验，将其脱水达到干气输送的要求。超音速脱水系统由进口冷却器、气―气换热器、进口分离器、超音速分离器和气液分离器组成。超音速分离器由拉瓦尔喷管、分离叶片、旋流器和扩压器构成。超音速分离技术应用热力学第一定律，使用拉瓦尔喷管，使混合气加速到超音速，此时混合气的温度和压力骤降，其中的水分则凝结成小水滴，而后将其分离。此技术可防止天然气水合物生成，防止堵塞设备管线，降低水露点和管路压降，同样可以达到有效脱除天然气中水分的效果，且能保证生成的安全。
目前国内北京工业大学的研究人员和江汉机械研究所等相关单位对超音速天然气脱水技术进行了一些基础的研究工作，取得了可喜的成果，推出一些关键技术，并申请了一些专利。长庆油田采气二厂已对该技术进行了现场模拟试验。
但此技术也不可避免地存在一些缺点，如需加入化学试剂、设备复杂、费用高、能耗大等等。在此后的研究中应在这些方面加大投入，降低其运行成本。
4 结论
本文就含硫天然气脱水技术进行了分析比较，但在实际的应用中，还应考虑各工艺的优缺点、含硫天然气的输送要求及当地的条件等等，通过引进技术、总结经验、模拟试验等，从技术、安全性、环境、投资等方面考虑，力争满足生产的要求。
参考文献