試論天然氣凈化中的膜凈化技術

劉泉洲　張楌　史亞麗

摘要：膜法天然氣凈化處理技術是一種新興的技術，氣體膜分離技術在膜分離中占有相當的比重。氣體膜分離法憑借其高效率、低成本、無污染等優點正處于蓬勃發展時期，相信不遠的將來在天然氣凈化方面終將取代傳統工藝。梳理了氣體膜分離技術的機理及影響因素，并和傳統的工藝進行了綜合對比，全面闡述了膜分離技術在天然氣脫硫處理中的應用，最后又簡明扼要的分析了未來天然氣膜法處理技術的發展路線與應用前景。

關鍵詞：天然氣;凈化工藝;膜法

中圖分類號：TE64 文獻標識碼：A 文章編號：1672-1578（2019）05-0291-01

引言：天然氣資源主要有三種：氣層氣、伴生氣和凝析氣藏氣。氣層氣是從儲氣層開采出來的天然氣;伴生氣是從儲油層開采原油時伴隨原油采出的天然氣;凝析氣藏氣是指在地層原始條件下儲層儲存的是氣，但在開采過程中隨著壓力降低天然氣中的部分重烴凝析成液態，一部分留在地下，一部分隨天然氣采到地面。目前世界各國使用的天然氣多數是氣層氣，如中國的四川氣田、長慶氣田等主要以生產氣層氣為主，大港油田凝析氣較多，其他油田的天然氣多數為伴生氣。由此可知，從氣井井口或從礦場油氣分離器分出的天然氣中會含有不同數量的較重烴類，以及水蒸氣、硫化物（如硫化氫）、二氧化碳、氮氣和氦氣等非烴類氣體，我們稱之為粗天然氣或濕氣。這種天然氣一般不適宜大多數用戶直接使用，需要經過專門的處理以脫除硫化氫、水蒸氣、凝析烴類等，然后才能作為商品天然氣輸往用戶。

1.天然氣凈化原因

粗天然氣中含有天然氣中會含有不同數量的較重烴類，以及水蒸氣、硫化物（如硫化氫）、二氧化碳、氮氣和氦氣等非烴類氣體。天然氣是靠管線輸送，天然氣中一般都含有飽和的水蒸氣，當輸氣管線周圍介質溫度低于氣體溫度時，水蒸氣將凝結成液體，甚至結冰或形成水合物，嚴重時會堵塞閥門或管線。至于天然氣含有的酸性氣體Co ，H2S等則危害更大，水的存在會使這些氣體變成酸，加重對管壁的腐蝕，減少管線的使用壽命。當天然氣用做燃料時會危害人們生命安全。用作化工原料時，這些酸性氣還會使催化劑中毒，降低催化效果，甚至失去催化作用，影響產品質量。因此，粗天然氣需要經過凈化工藝，滿足生活生產的使用要求。天然氣脫水、脫硫后，仍然不能直接作為燃料氣或化工原料，必須按一定的標準和要求將天然氣中的硫醇和較重的烴類分離出來，主要是把C3以上烴類液化回收。這樣，既能避免天然氣在輸送過程中由于產生凝液而造成的許多不可靠因素，又能凈化天然氣，消除了用戶在使用過程中的眾多危險因素。同時將C3以上組分分離后，天然氣的燃燒熱值會有較大提高，而C3以上組分又制成了合格的液化氣和輕質油，還能取得較好的經濟效益。

2.傳統脫硫工藝

目前世界天然氣工業中用于脫硫的主要方法是醇胺法，包括MEA、DEA、DIPA及MDEA等，該方法雖然在技術上較為成熟，也較適合低壓下對天然氣進行脫硫。但是，該法也存在許多的弊端，如設備投資大，分離效率低，操作復雜，脫硫劑流失大難以再生等問題一直是制約其發展的主要因素，正因為如此，醇胺法遠遠不能適應高速發展的天然氣工業的需求，當下，急需尋找一種新的方法來代替傳統的醇胺法，以適應工業發展的需求。由此近年來石油天然氣工業掀起了一場以膜分離/吸收技術為代表的，新的脫硫工藝的浪潮。

3.天然氣凈化的膜吸收技術

在膜吸收法最初被提出的時候，雖然人們對于其高效節能的特點十分向往，但當時的技術條件下還無法造出符合條件的高效膜用于該工業生產，直到20世紀60年代，美國孟山都公司生產出了能夠投入使用的氣體分離裝置，而第一張高通量的醋酸纖維素非對稱膜也在同一時間問世，使得這一工藝技術成為可能，并被大量投入工業中應用。根據我國膜吸收法天然氣脫硫技術取得的專利（專利號200510095472.0）可以看出，這種技術被公認為實行了較優的工藝組合和較低的經濟成本的工藝。事實上，與傳統的脫硫工藝相比，其投入成本減少了40%，過程費用減少了30%，而脫硫效率達到了95%以上。

膜吸收技術的具體流程為天然氣由減壓閥輸入膜分離器的管腔中，在這個部分，天然氣中的硫化氫氣體穿越膜壁被膜分離器殼外充盈的吸收液吸收。硫化氫氣體被融入吸收液后隨著吸收液進入膜再生器中，此時硫化氫再次透過膜管腔，在真空泵的作用下進入尾氣罐。而吸收液可以在此循環到之前的膜分離器的位置進行二次利用，開始下一輪的天然氣脫硫過程。膜系統的配置和性能也會對脫硫的效果產生較大的影響。利用單級膜組件雖然能夠確保脫硫的效率，但是損失的烷烴量也較大。而采用兩級膜組件不僅能夠確保脫硫的效果，還能提高物料循環利用的效率，將烷烴的損失率降低20%。膜分離技術的一大優勢就是能夠與傳統技術相結合，可以將膜系統設置在傳統工藝之前以起到去除酸氣的作用。

膜吸收法中的膜材料與膜結構，在天然氣脫硫的工藝中，較受歡迎的膜材料包括聚乙烯（PF）、聚丙烯（PP）、聚偏氯乙烯（PVDF）、聚砜（PSU）等。根據研究表明，聚丙烯膜在透氣量、傳質系數、膜污染受損及成本四個方面優于其他的膜材料。

疏水性的膜材料可以不受孔隙率的影響保持較好的傳質性能，但如果膜材料無法保持干燥，則其傳質性能會減弱，并影響到膜材料的穩定性，因此對于膜材料的選擇十分重要。有研究表明，大孔徑的膜或表面張力較小的吸收液會提高膜被潤濕的可能性，在搭配MDEA溶液的情況下，聚偏氯乙烯膜材料比聚砜膜材料更容易保持干燥。另外，膜材料的孔徑大小、孔隙率高低與膜材料的厚度也在很大程度上到脫硫的效果，當選用孔徑較大，孔隙率較高的膜材料進行脫硫作業時，傳質效率更高。且根據研究表明，孔隙率的大小比膜厚度對傳質過程的影響程度更高。

4.結語

本文主要探究了天然氣脫硫工藝中的膜吸收法，并對膜吸收法中的技術要點、膜材料和膜結構的分類、選擇以及吸收液的選取原則進行了簡要總結和分析。結合國內外研究成成果提出了膜吸收法脫硫技術的前景與展望。天然氣脫硫質量的高低對于我國的經濟建設與民生安全有著十分重要的作用，因此行業從業人員應積極研究相關技術，促進天然氣及相關產業的轉型與發展。

參考文獻：

[1]王劍，張曉萍，李恩田，等.膜法天然氣脫硫的研究進展[J].環境工程，2014.

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