Application prospects of applying membrane separation technologies in treating

unconventional gas

cenzhaohai

petrochina southwest oil and gasfield company development

department

Abstract：The unconventional natural gas is the main alternative energy of natural gas. The

rapid increase in demand for natural gas has provided a great space for the unconventional natural gas development. How to decrease the cost of supporting technology of purification of unconventional natural gas has became the main factors of restricting the development ofunconventional natural gas. The gas membrane separation after nearly 50 years of development and practice proved that the technology could be applied in the development of unconventional natural gas. Using the solid desulfurization + gas booster + membrane separation + adsorption deoxidation process in the gathering station can make the purified gas meet the product standards of GB17820-1999. The process has certain advantages and development potential because of the short process, small footprint, low energy consumption, ease of skid-mounted and expansion.

Key words：unconventional natural gas、membrane separation、purifying、application prostects

摘 要：非常規(guī)天然氣是常規(guī)天然氣的重要接替資源，天然氣需求的快速增加為非常規(guī)天然氣開發(fā)提供了巨大發(fā)展空間。制約非常規(guī)天然氣發(fā)展的主要因素是開發(fā)和凈化低成本配套技術(shù)。氣體膜分離經(jīng)過近 50 年的開發(fā)與實踐證明，該技術(shù)在非常規(guī)天然氣開發(fā)中，如果凈化氣外輸采用長輸管道輸送形式，選擇在集輸站固體脫硫+燃氣增壓+膜分離+聯(lián)合站變壓吸附脫氧工藝組合，能夠滿足GB 17820-1999《天然氣》產(chǎn)品標準。且流程短、占地少、能耗低、便于橇裝和擴能，具有一定的優(yōu)勢和發(fā)展?jié)摿Α?br />

關(guān)鍵詞：非常規(guī)天然氣 膜分離 凈化 應用前景

非常規(guī)天然氣是指尚未充分認識，沒有可以借鑒的成熟技術(shù)和經(jīng)驗進行開發(fā)的一類天然氣資源，主要包括致密氣、煤層氣、頁巖氣和天然氣水合物等。中國非常規(guī)天然氣資源十分豐富，有著巨大的發(fā)展?jié)摿?，正處于快速發(fā)展階段。非常規(guī)天然氣的埋藏、賦存狀態(tài)與常規(guī)天然氣的主要差別是資源的“低品位”，表現(xiàn)在資源分布散、地層壓力低、穩(wěn)產(chǎn)時間短、高含水飽和度。為了實現(xiàn)非常規(guī)天然氣規(guī)模效益開發(fā)，采用低成本凈化技術(shù)，具有重要的戰(zhàn)略意義。氣體膜分離具有這方面的技術(shù)優(yōu)勢。

1 氣體膜分離的基本原理

膜分離過程的原理是利用膜的選擇透過性而使不同的物質(zhì)得到分離。它具有無相變、分離效率高、可在常溫下進行、無化學變化、節(jié)能、設(shè)備簡單、衛(wèi)生程度高、自動化程度高等優(yōu)點。氣體膜分離是基于混合氣體組分在膜內(nèi)溶解和擴散性能的不同，即滲透速率的不同來實現(xiàn)分離的技術(shù)。推動力（膜兩側(cè)各組分的分壓差）、膜的面積以及膜的分離選擇性構(gòu)成了膜分離的三要素。如圖1所示，氣體分子在壓力作用下，首先在膜的高壓側(cè)接觸，然后是吸附、溶解、擴散、逸出，一般氣體分子在膜內(nèi)的滲透擴散過程較慢，提高滲透速率和分離系數(shù)是氣體膜分離技術(shù)實現(xiàn)工業(yè)化應用的關(guān)鍵。

    氣體膜分離技術(shù)早在 20 世紀 70 年代初就有工業(yè)應用，但直到 1979 年美國孟山都公司推出普里森（PRISM）氮氫膜分離裝置以后，才逐漸顯現(xiàn)出它在工業(yè)生產(chǎn)中的應用潛力。

2 氣體膜分離的應用實例

天然氣凈化的主要任務是脫除原料氣中的 H₂S、部分 CO₂和 H₂O，以滿足 GB 17820-1999《天然氣》產(chǎn)品標準。常規(guī)天然氣凈化其資源相對集中、處理規(guī)模大，目前普遍采用胺法脫硫脫碳、甘醇脫水工藝。

實際上從 20 世紀 80 年代以來，國內(nèi)外許多公司把膜分離技術(shù)應用于天然氣凈化領(lǐng)域，做了大量的試驗工作。表 1 是國內(nèi)外 5 套氣體膜分離裝置的設(shè)計與實際操作參數(shù)，其中：懷俄明、德克薩斯和密西西比等 3 套裝置，采用美國格雷斯（GRECE）膜系統(tǒng)公司直徑為203.2mm的膜分離器^[1]；長慶氣田裝置，采用中科院大連化學物理研究所直徑為 200mm 的膜分離器，在原料氣處理量 12×10⁴m³/d、壓力 5.4Mpa、溫度6～33℃條件下，經(jīng)膜系統(tǒng)凈化處理后，凈化氣壓力在 4.6Mpa時的水露點達到-13℃，甲烷回收率≥98%^[2] ；西南油氣田裝置，由大連歐科膜技術(shù)工程有限公司負責成套，采用德國原裝進口直徑為 150mm 的膜分離器^[3]，設(shè)計原料氣處理量10×10⁴m³/d、壓力2.4Mpa、溫度 50℃條件下，天然氣脫水率>85% 、甲烷損失率 <1% 、水露點：冬季<0℃ 、夏季<10℃ 。

比較表 1 中氣體膜分離裝置設(shè)計及運行結(jié)果，得到以下發(fā)現(xiàn)：

（1）壓力影響脫水深度，即使原料氣壓力低至 2.4 Mpa(g)，但凈化氣水露點仍能達到0℃；

（2）按照氣體滲透通過膜的速率，二氧化碳和硫化氫在一些膜上滲透通過膜的速率與水比較接近，因此脫水的同時可以部分脫除 CO₂和 H₂S；

（3）在硫化氫膜分離過程中，硫化氫的分離效率隨著膜兩側(cè)壓差的增大而增大，但是甲烷的損失量也隨之增加^[4]，因此采用氣體膜分離技術(shù)一般難以將凈化氣中的硫化氫脫到產(chǎn)品氣管輸標準；

（4）膜分離適用于小規(guī)模天然氣脫水過程，在二氧化碳分壓比較高的情況下，脫碳與脫水可以同時實現(xiàn)。

（5）膜分離與常規(guī)甘醇脫水相比，沒有明火加熱設(shè)備，占地面積能減少20～40%，便于實現(xiàn)橇裝和裝置擴能提產(chǎn)。

3 非常規(guī)天然氣集輸凈化技術(shù)

針對非常規(guī)天然氣資源分布散、地層壓力低、穩(wěn)產(chǎn)時間短、高含水等特點，國內(nèi)非常規(guī)天然氣開發(fā)方案地面工程設(shè)計，普遍采用地面不加熱、低壓集氣、混相計量等技術(shù)，如圖 2所示。凈化氣外輸大多采用鋪設(shè)長輸管道輸送、低溫常壓液化槽車運輸?shù)刃问?。長輸管道輸送凈化氣要滿足 GB17820-1999《天然氣》產(chǎn)品標準，天然氣液化凈化氣中 H₂O、CO₂和 H₂S 含量分別應該控制在1ppm(v)、50ppm(v)和4ppm(v)。

針對非常規(guī)天然氣單井氣質(zhì)條件不同，可以選擇不同的處理工藝。主要分為凈化氣管道外輸和凈化氣液化運輸兩種類型，根據(jù)氣質(zhì)條件的不同，選擇不同的脫硫、脫水具體工藝如表 2 所示。

由表 2 可以看出，當采用凈化氣管道外輸時，可以采用膜分離脫水技術(shù)對含水天然氣進行處理，對于單井硫化氫含量＞20mg/m³但為低潛硫量天然氣可采用固體脫硫進行處理，處理后的天然氣達到管輸標準，這一套處理工藝都易于實現(xiàn)橇裝。凈化氣液化輸送，則需要增加分子篩深度脫水，液化深冷等裝置，投資較高。因此膜分離脫水技術(shù)在處理非常規(guī)天然氣方面具有一定優(yōu)勢。

4 結(jié)論與建議

（1）在非常規(guī)天然氣開發(fā)中，如果凈化氣外輸采用長輸管道輸送形式，選擇在集輸站固體脫硫+燃氣增壓+膜分離+聯(lián)合站變壓吸附脫氧工藝組合，能夠滿足 GB 17820-1999《天然氣》產(chǎn)品標準。且流程短、占地少、能耗低、便于橇裝和擴能，氣體膜分離技術(shù)有一定的優(yōu)勢和發(fā)展?jié)摿Α?/font>