高含硫天然气集输管道硫沉积机理与预测方法研究

With temperature and pressure variations along the high-sulfur natural gas gathering pipeline, solid sulfur will deposit from the gas phase, and resulting the pipe blockage and corrosion. This project adopts the theory with the experimental method aiming in the research of sulfur deposition mechanism and prediction method. The characteristics of elemental sulfur formation, precipitation and flow under different temperatures, pressures and compositions will be researched by using the high-temperature and high-pressure window reactor, the anti-sulfur PVT instrument, and the multiphase flow experiment pipe loop. The chemical reaction thermodynamics, gas-solid phase equilibrium thermodynamics, crystallization kinetics theory and molecular simulation method are applied to analyze the chemical reaction mechanism of element sulfur formation, gas-solid phase equilibrium mechanism of high-sulfur natural gas, sulfur particle growth and ablation kinetics mechanism, and to construct related mathematical models. The gas-solid two-phase flow mathematical model with gas-solid phase change of elemental sulfur is built, which takes account of the growth, ablation, migration and deposition of sulfur particle and involves coupling effect of multi-parameter such as pipeline pressure, temperature, gas composition, and flow rate. The numerical analysis method and the CFD technology are used to research the solution method of the model. Achievements of this project will contribute to the improvement of the sulfur deposition prevention and control technology as well as to provide technical support for the design and management of high-sulfur natural gas gathering and transportation pipelines.

地层中开采出的高含硫天然气在集输管道内流动，随着压力、温度的变化，会出现固体硫元素的沉积，导致管道堵塞和腐蚀。采用理论和实验相结合的方法，开展硫沉积机理和预测方法的研究。基于高温高压视窗反应釜、抗硫PVT仪、多相流实验环道，研究不同压力、温度、气质组成条件下的元素硫生成、析出特征。根据化学反应热力学、相平衡热力学、结晶动力学理论和分子模拟方法，研究元素硫生成的化学反应机理、气固相平衡机理、硫颗粒的生长、消融动力学机理，建立相应的数学模型；考虑硫颗粒的生长、消融、运移、沉积与管道内压力、温度、气质组分、流速等参数的耦合作用，建立伴随元素硫颗粒相变的气固两相流动数学模型；采用数值分析方法和CFD技术研究模型的求解方法。深刻揭示高含硫天然气集输管道内元素硫的生长、消融、运移、沉积规律。研究成果对于高含硫天然气集输管道的设计和管理，以及硫沉积防控技术的研究具有重要意义。

针对高含硫天然气集输管道硫沉积发生及发展过程中所面临的单质硫气-固相平衡溶解机理、气相硫过饱和后硫晶核的析出、生长机理以及伴随管道内天然气流动过程中的硫颗粒团聚机理等三方面内容展开研究。（1）采用最小二乘法重新回归得到了适用于集输温度条件的单质硫饱和蒸气压计算的修正关联式。使得273.15 ~ 362.05 K温度范围内单质硫的饱和蒸气压计算精度优于现有其他同类模型，显著提高了集输条件下单质硫固相逸度的预测精度。（2）创新提出了两种改进后的单质硫与高含硫天然气中主要气相组分的二元交互作用系数计算模型；分别为仅考虑温度影响的三参数计算模型和考虑温度与气相密度共同影响下的五参数模型。建立了同时考虑物理和化学溶解机理的单质硫相平衡溶解度预测新模型，提高了单质硫溶解度的预测精度。（3）分析了集输管道温度、压力、H2S和CO2浓度等四种主要因素对单质硫平衡溶解的影响规律。揭示了集输条件下单质硫在高含硫天然气中物理、化学溶解机理及其变化规律。（4）基于结晶动力学中的均质形核理论，建立了单质硫形核数学模型。以集输过程中的节流工况为例，揭示了节流后温度、压力和H2S浓度等因素对单质硫临界形核半径和形核速率的影响规律。（5）考虑颗粒粒径不超过1.0 μm时主要以布朗凝并生长为主。建立了基于布朗凝并的硫颗粒生长动力学模型。揭示了纳米级的硫晶核至微米级硫微粒生长过程。（6）首次开展了硫颗粒在管道中的沉积模拟实验，通过全透明上倾管、水平管、下斜管动态展示出了硫颗粒在管道中的沉积过程，揭示了硫颗粒在管道中重点沉积位置和沉积形态，实验还进一步探索了硫颗粒在液滴中沉积发展过程。（7）基于气固两相流动的Navie-Stokes方程、PBM和CFD模拟技术，建立了伴随硫颗粒团聚的气-固两相管流数值模拟模型。模拟研究了集输管道弯管内伴随高含硫天然气流动过程中的硫颗粒团聚生长规律。贯穿微观→介观等多个尺度描述了硫颗粒的形成及其生长演变过程。为高含硫天然气集输管道硫沉积机理的认识与硫沉积的防治提供理论指导。