天然气工业中的应用及发展趋势

天然气作为一种洁净、方便、高效的优质燃料和主要的化工原料，其应用范围日益扩大。我国天然气资源非常丰富，据测算，远景储量可以达到40万亿立方米。我国天然气的分布不均匀，主要集中在四川、新疆、陕西和青海。天然气是烃和多种杂质气体的混合物，其中包括硫化氢、二氧化碳等酸性气体，还有氮、氦、水等，出于对储运、腐蚀控制、产品规格和环境保护等方面的考虑，在对天然气进行处理之前，对杂质的脱除有严格的要求。膜法对天然气的处理包括天然气中酸性气体的脱除、天然气脱湿和氦气提取等。

1.天然气中酸性气体的脱除　天然气中二氧化碳含量的变化范围较大，某些地区的天然气中二氧化碳浓度很高，可达20%以上，大大降低了合成天然气的热值和燃烧速度；还有的地区的天然气中同时含有二氧化碳和硫化氢等酸性气体。从粗制的天然气中脱除酸性气体（CO2、H2S），可以提高天然气的热值，减小对管道和设备的腐蚀，并且防止含有H2S的天然气燃烧生成SO2，造成大气污染。

20世纪80年代初，Separex公司用卷式膜组件进行了油田气中二氧化碳/烃分离的中间试验，试验的部分结果见表9-8，该试验初步证明了膜法天然气脱二氧化碳的可行性。

表9-8　Separex卷式膜组件二氧化碳/烃分离结果

目前，在天然气中脱除酸性气体的各种技术中，气体吸收过程占70%，它可以降低天然气中CO2和H2S的含量，使其达到管输标准[≤2%（摩尔分数）CO2和＜4mg/L H2S]。但在含高浓度酸性气体的场合，该方法能量消耗较高；在低流速时，费用较高；此外由于设备大小和重量关系，气体吸收过程不能适应海上天然气开采的应用。膜分离技术克服了吸收过程的缺点。但是它也有局限性：CH4损失较高；现有的膜材料还不能使天然气中的H2S浓度降低至4mg/L以下；规模大时经济性不如气体吸收技术。(www.xing528.com)

综合气体吸收和膜分离技术的特点，可对其进行适当组合和优化：用膜分离作为主体脱除CO2和H2；用吸收过程使天然气达到标准。如果天然气中CO2含量较高的话，在脱除CO2同时，水分也基本脱除。

2.天然气脱湿　天然气的主要成分是甲烷，开采的井口天然气中通常含有浓度较高的水蒸气。在高压低温下，天然气中的烃类和二氧化碳可与水生成固体化合物，在天然气的输送中固体水合物容易堵塞管道和阀门；此外，在水或水蒸气存在下，天然气中含有的硫化氢和二氧化碳等酸性气体还会对输送管道产生严重腐蚀。因此，在天然气输送之前，必须进行脱湿。传统脱除水蒸汽的方法有冷凝法、分子筛吸收法和溶剂吸收法等。采用高分子膜法脱湿，分离过程简单、投资低、操作方便，具有巨大的发展潜力。图9-9是膜分离法用于天然气脱湿的工艺流程示意图。

图9-9　膜分离法用于天然气脱湿的工艺流程示意图

在20世纪80年代，国外就已生产出供天然气脱湿用的膜分离装置。据报道，对于处理气量为283万m3/d的海底气田天然气脱湿任务，用传统的乙二醇法脱湿，占地面积大，投资费用高；而改用膜法脱湿，仅减少占地面积一项，节省的海上平台建设费用就大于膜法脱湿装置费用。1998年，大连化物所用其研制的膜分离器在陕西长庆气田进行了膜法天然气脱湿的工业试验，处理含CH4等烃类94%、CO25.9%、H2S 0.04%、H2O饱和的天然气。经数百小时连续运行试验表明，产品天然气露点（4.6MPa压力下）为-13～-8℃，甲烷回收率≥98%。

3.氦气提取　天然气是生产氦气的主要原料。美国Union Carbide公司采用聚醋酸纤维平板膜分离器，对氦浓度5.8%（体积分数）的天然气经二级膜分离，产品气中氦浓度达到82%左右。大连化物所研究的硅橡胶—聚砜中空纤维膜分离器用于从含氦0.5%的天然气中浓缩氦，氦的回收率达30%。近年该所又提出先用膜法得到浓缩氦，再进行深冷分离并精制，可以得到高纯氦。