天然氣凈化處理技術(shù)措施優(yōu)化

陳清濤

摘 要：天然氣中所含雜質(zhì)較多，在影響儲(chǔ)運(yùn)工作的同時(shí)還會(huì)損壞管道，因此當(dāng)前凈化處理已經(jīng)成為了企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中不可或缺的一道工序，這樣才能確保達(dá)到天然氣外輸?shù)囊?，以免?dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量無(wú)法達(dá)標(biāo)并破壞環(huán)境。處理時(shí)的要點(diǎn)在于脫硫、脫水?？刹捎萌蚀嫉榷喾N工藝，但為了進(jìn)一步提高凈化效率，還需要不斷進(jìn)行技術(shù)措施的優(yōu)化處理，并研究新的技術(shù)，本文就對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)探討。

關(guān)鍵詞：天然氣凈化；技術(shù)優(yōu)化；硫磺回收

引言：

為了達(dá)到天然氣的凈化指標(biāo)，滿足天然氣用戶的需求，脫除有害組分是十分必要的。在處理時(shí)需要配置分離器、過(guò)濾器等多種性能較好的設(shè)備，并了解各類處理方法的特點(diǎn)及操作流程，嚴(yán)格按照相關(guān)要求進(jìn)行處理，確保各類工藝都能夠充分發(fā)揮其作用，促使天然氣的凈化效果更好。本文就對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行了具體分析。

一、概述

未經(jīng)處理的天然氣含有固體雜質(zhì)及有害物質(zhì)，包括砂、鐵銹、硫化物等，砂和鐵銹會(huì)磨損設(shè)備，積聚過(guò)量時(shí)還會(huì)影響輸氣。天然氣中的水分會(huì)增加輸氣阻力，并形成水膜，遇酸后形成酸性水溶液，嚴(yán)重腐蝕管壁，進(jìn)而破壞管道，并且會(huì)與其他組分生成雪狀水合物。此外，天然氣中硫含量較高，以硫化氫為主，味道刺鼻，會(huì)破壞人的呼吸系統(tǒng)，含量過(guò)高時(shí)會(huì)導(dǎo)致人體中毒[1]。此外，硫化氫和二氧化碳具有腐蝕作用，如果未經(jīng)處理，直接作為化學(xué)原料則會(huì)影響催化劑的性能，產(chǎn)生有毒物質(zhì)，影響生產(chǎn)活動(dòng)及產(chǎn)品質(zhì)量。但硫化氫、水分、二氧化碳等物質(zhì)均有其各自可利用的途徑，如制造化肥、干冰等，因此需要進(jìn)行天然氣的凈化處理，去除有害組分，既可保護(hù)環(huán)境，也能實(shí)現(xiàn)資源的高效利用。

二、商品天然氣質(zhì)量要求

商品天然氣質(zhì)量要求較高，主要技術(shù)指標(biāo)包括以下幾個(gè)方面。第一是最小熱值，確定該指標(biāo)的目的是為了給天然氣用戶提供便利，幫助其選擇合適的加熱設(shè)備。處理的重點(diǎn)在于天然氣中氮?dú)夂投趸嫉暮坎荒苓^(guò)高，這些氣體均屬于不可燃類型。第二是含硫量，硫具有腐蝕性，會(huì)影響人的身體健康，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)危及人的生命安全，因此必須將硫化氫的含量控制在6～24mg/Sm3。第三是烴露點(diǎn)，即規(guī)定壓力下液烴的析出溫度，與氣體的組分有關(guān)。第四是水露點(diǎn)，指水蒸汽凝結(jié)出水的溫度，需要根據(jù)具體的加工要求進(jìn)行合理控制。

三、凈化處理工藝技術(shù)

（一）脫硫單元

1.脫硫意義

天然氣中所含的酸性物質(zhì)包括硫化氫和二氧化碳，硫化氫遇水會(huì)腐蝕金屬，散發(fā)臭雞蛋味且毒性較強(qiáng)。二氧化碳不可燃，導(dǎo)致天然氣的熱值及管輸效率受到影響?？諝庵辛蚧瘹浜窟^(guò)高時(shí)會(huì)危及人的生命安全，并且會(huì)導(dǎo)致鋼材氫脆，最終導(dǎo)致閥板脫落[2]。人體在有機(jī)硫中毒時(shí)輕則嘔吐，重則心肌衰竭。因此對(duì)天然氣進(jìn)行脫硫處理是十分必要的，處理后可回收資源，加工成硫產(chǎn)品，用于農(nóng)業(yè)及工業(yè)領(lǐng)域的生產(chǎn)活動(dòng)中。分離出的二氧化碳可用于干冰的制備，對(duì)于提高原油采收率也具有一定的作用。

2.脫硫、脫碳方法

去除天然氣中酸性氣體的方法較多，包括以下幾種。第一是冷甲醇法，吸收劑為甲醇，操作時(shí)置于零下50攝氏度的低溫環(huán)境中，原因在于低溫環(huán)境下的甲醇能夠高度溶解二氧化碳和硫化氫，脫除有機(jī)硫化物。第二是聚乙二醇二甲醚法。此類溶劑吸水性能及脫水效果較好，在去除二氧化碳和硫化氫的同時(shí)也能脫除天然氣中的水分。第三是化學(xué)–物理輸入法，即同時(shí)采用化學(xué)和物理兩種類型的吸收劑。各自的代表性溶劑分別為二異丙醇胺和環(huán)丁砜。第四是濕式氧化法，具體的操作方法多達(dá)百余種。代表性方法包括整合鐵法、PDS 法。此種方法的特點(diǎn)是脫硫效率高、無(wú)二次污染、操作時(shí)可置于常溫狀態(tài)下、脫硫劑可再生，所需成本較低。第五是干法，即通過(guò)固體材料脫除酸性組分，代表性方法為氧化鐵、分子篩等。干法主要應(yīng)用于精細(xì)脫硫中，脫硫劑的更換頻率較高，并且采用錳礦法等方法的過(guò)程中脫硫飽和后必須直接廢棄脫硫劑，不僅增加了脫硫成本，同時(shí)也會(huì)污染環(huán)境，因此應(yīng)盡可能選擇其他方法。干法中的分子篩法性能突出，對(duì)硫化氫具有化學(xué)親和力，脫除硫化氫的同時(shí)也可去除硫化碳等含硫物質(zhì)[3]，目前分子篩裝置的應(yīng)用范圍在逐步擴(kuò)大。

3.工藝流程

經(jīng)重力和過(guò)濾兩種類型的分離器處理后的天然氣可分離出液體和固體雜質(zhì)，然后進(jìn)入脫硫塔底，與MDEA 貧液接觸，在此過(guò)程中可脫除硫化氫和二氧化碳，從塔底排出的濕凈化器分離出MDEA 液滴，而后進(jìn)入脫水單元。

（二）脫水單元

1.脫水意義

第一，進(jìn)輸氣管道中的天然氣在冷卻后會(huì)析出水和凝析液體，與天然氣一起流動(dòng)，聚集在管線位置相對(duì)較低的地方，導(dǎo)致阻力增大，達(dá)到一定程度時(shí)會(huì)因流動(dòng)慣性損壞液體捕集器。第二，液體的存在會(huì)影響管線的輸送能力。第三，水和其他液體成分會(huì)與酸性物質(zhì)反應(yīng)并生成腐濁液，進(jìn)而腐蝕管道內(nèi)壁，影響管道的使用性能，增大了爆管的可能性[4]。第四，管道中的水容易與其他物質(zhì)形成水合物，嚴(yán)重堵塞管道，導(dǎo)致生產(chǎn)活動(dòng)無(wú)法正常開(kāi)展，因此對(duì)天然氣進(jìn)行脫水處理是十分必要的。

2.脫水方法

2.1三甘醇脫水法

2.1.1三甘醇脫水特點(diǎn)

三甘醇，相對(duì)分子量150.2，冰點(diǎn)-7.2℃，沸點(diǎn)285.5℃，理論熱分解溫度206.7℃，粘度47.8×10-3Pa？s。特點(diǎn)在于吸水性強(qiáng)、高溫時(shí)易再生，可降低天然氣中水分的含量，主要起脫水劑的作用。三甘醇吸水后變?yōu)楦灰?，而后進(jìn)入重沸器中，在高溫環(huán)境的影響下蒸發(fā)水分，經(jīng)干氣汽提處理后獲得濃度較高的貧液，可循環(huán)利用。此種脫水工藝主要具有以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)。第一，工藝流程十分簡(jiǎn)單、損失小，回報(bào)率高、熱穩(wěn)定性能突出。第二，泵口的貧液冷卻后可改善循環(huán)泵的性能，并且有助于降低產(chǎn)品溫度，可避免管輸能力受到影響。第三，設(shè)置于管線上的過(guò)濾器能夠清除污垢雜質(zhì)并降解產(chǎn)物，促使溶液的清潔度達(dá)標(biāo)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)裝置的長(zhǎng)期運(yùn)行具有重要作用。第四，無(wú)需為三甘醇專門(mén)配置中壓蒸汽系統(tǒng)，可簡(jiǎn)化操作流程，降低脫水難度。

2.1.2脫水工藝流程

脫水時(shí)采用的主要設(shè)備包括脫水塔、過(guò)濾器及循環(huán)泵等。第一是天然氣流程，濕凈化氣進(jìn)入塔底并與三甘醇貧液接觸，脫除水分，產(chǎn)品從塔頂排出后分離出三甘醇并進(jìn)入配氣區(qū)。第二是三甘醇循環(huán)流程。塔底留出的富液溫度升高后通入閃蒸罐中并分離出烴類物質(zhì)，過(guò)濾后流入換液罐中，溫度達(dá)標(biāo)后進(jìn)入重沸器中，此時(shí)富液部分水分蒸發(fā)并離開(kāi)系統(tǒng)。再生的甘醇貧液與富液換熱，而后進(jìn)入吸收塔中。

2.2冷卻脫水

冷卻脫水主要適用于大量水分的粗分離，脫水條件是溫度增加、氣溫降低。天然氣屬于混合物，構(gòu)成極其復(fù)雜，不同的成分液化溫度差異較大，但相對(duì)來(lái)說(shuō)，水具有易液化的特點(diǎn)，因此可通過(guò)降溫并加壓的方式加以處理，這樣便能使水分冷凝析出，同時(shí)也能降低水的露點(diǎn)，避免因溫度過(guò)低導(dǎo)致水分凝結(jié)或產(chǎn)生水合物。進(jìn)口部位的氣體壓力較高，因此需要進(jìn)行節(jié)流降壓處理，直至達(dá)到管輸氣的壓力要求，在降壓的同時(shí)也會(huì)降低天然氣的溫度，在這種狀況下如果水分含量過(guò)高，節(jié)流后便會(huì)有水析出[5]。如果天然氣壓力較低，脫水時(shí)可進(jìn)行制冷處理，在具體操作的過(guò)程中需要壓縮天然氣，升高溫度并增大壓強(qiáng)，而后冷卻并作節(jié)流處理，這樣就能使溫度降至露點(diǎn)以下，順利吸出水分，達(dá)到脫水的目的。另外，重?zé)N與水的處理?xiàng)l件類似，因此在脫除水分的同時(shí)也脫除部分重?zé)N。

2.3吸附脫水

吸附脫水法最大的優(yōu)勢(shì)在于能夠提供低露點(diǎn)，并且不會(huì)腐蝕，也不會(huì)形成泡沫，其在少量氣體的脫水處理中較為適用。此種方法最大的缺陷在于成本較高，并且吸附劑易中毒，再生熱量需求大，因此在處理時(shí)只能針對(duì)小流量氣體，在脫水高壓氣體時(shí)盡量選擇三甘醇吸收法。

在吸附過(guò)程中能夠?qū)⑻烊粴庵行枰獌艋慕M分吸附于固體表面，吸附能力取決于固體的表面力。在具體吸附的過(guò)程中可分為物理和化學(xué)兩種不同類型的吸附方式。首先是物理吸附，分子間的吸引是由范德華力所造成的，此種方法的特點(diǎn)在于吸附速度較快。脫附指的是在升溫或降壓的過(guò)程中能夠快速?gòu)墓腆w表面釋放出吸附氣體，但又不會(huì)改變其性質(zhì)[6]。因此物理處理法具有可逆性，在工業(yè)領(lǐng)域就可借助這一特點(diǎn)改變操作條件，促使吸附劑再生，實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用。其次是化學(xué)吸附，其能夠?qū)崿F(xiàn)電子的轉(zhuǎn)移及重新排布，可形成化合物，此種方法具有選擇性，吸附速度較慢且不可逆，并且需要在高溫狀態(tài)下釋放出吸附分子，此時(shí)氣體已經(jīng)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，性質(zhì)已經(jīng)產(chǎn)生變化。此外，為了加快吸附速度，必須進(jìn)行升溫處理。

這兩種方法可同時(shí)使用，即在低溫和高溫狀態(tài)下分別選擇物理和化學(xué)吸附法，但結(jié)合實(shí)際操作的情況來(lái)看，物理吸附法應(yīng)用較多。

（三）硫磺回收單元

硫磺回收裝置環(huán)保性能突出，可將酸氣轉(zhuǎn)化為硫磺，尾氣焚燒后排入大氣中。在處理過(guò)程中所用到的裝置包括硫磺倉(cāng)庫(kù)及硫回收單元等，可選擇林德公司的Clinsulf-D進(jìn)行氧化處理。

1.Clinsulf-D工藝原理

林德公司是Clinsulf-D工藝的開(kāi)發(fā)地，通過(guò)反應(yīng)器，Clinsulf-D可將硫化氫轉(zhuǎn)變?yōu)閱钨|(zhì)硫，在應(yīng)用該工藝的過(guò)程中酸性氣體的流量應(yīng)高于每小時(shí)500立方米，低于每小時(shí)50000立方米，允許范圍較廣，并且工藝對(duì)硫化氫濃度的要求僅限于上限，因此整個(gè)操作過(guò)程靈活性較強(qiáng)且彈性較大。通常情況下硫化氫的濃度最低為1%，最高應(yīng)不超過(guò)20%，這是普通的裝置無(wú)法達(dá)到的要求。Clinsulf-D工藝可促使硫化氫與氧氣發(fā)生反應(yīng)，最終生成硫磺。反應(yīng)原理如下所示。

S+3/2 ===== + O

S =====3/X + O

2.工藝流程

將空氣和硫化氫的比例為0.42的酸氣預(yù)熱升溫至200℃，在催化劑的作用下發(fā)生放熱反應(yīng)，轉(zhuǎn)換為單質(zhì)硫，反應(yīng)場(chǎng)所為反應(yīng)器。常溫為292.1℃，該溫度會(huì)隨硫化氫的含量而發(fā)生變化。處理后的硫蒸氣轉(zhuǎn)化為液態(tài)硫并輸送至固化冷凝器中，而后滴落在旋轉(zhuǎn)鋼帶上，經(jīng)冷卻后固化為顆粒并儲(chǔ)存在料斗中。顆粒狀硫磺的包裝采取自動(dòng)化加工方式，最終的儲(chǔ)存場(chǎng)所是硫磺倉(cāng)庫(kù)[7]。尾氣經(jīng)焚燒后可直接排放。

（四）酸氣焚燒單元

酸氣焚燒單元的作用在于將脫除的酸氣以焚燒的方式處理地更加徹底，在具體操作的過(guò)程中可將硫化氫轉(zhuǎn)化為二氧化硫。

1.工藝流程

經(jīng)脫硫和硫磺處理后必然會(huì)產(chǎn)生尾氣，進(jìn)入焚燒單元后在焚燒爐內(nèi)燃燒，在此過(guò)程中可氧化尾氣中的硫化氫和硫，排出的氣體包括二氧化硫和高溫?zé)煔?，兩者分別排至大氣和煙囪中。為了確保整個(gè)操作過(guò)程中足夠安全，必須在進(jìn)口處安裝阻火器。此外，通常情況下?tīng)t膛溫度控制在600攝氏度最為合適，可采取間接控制的方式，即調(diào)節(jié)燃料壓力[8]。

2.正常操作參數(shù)

酸氣進(jìn)氣時(shí)的溫度和壓強(qiáng)分別為45攝氏度和0.03MPa ，爐膛和爐頭的溫度應(yīng)介于550～600攝氏度之間，而不能偏離這一范圍，如果溫度過(guò)高則會(huì)損壞耐火層，過(guò)低時(shí)則會(huì)導(dǎo)致硫化氫無(wú)法充分燃燒。爐膛操作過(guò)程中必須確保其呈負(fù)微壓狀態(tài)，煙道溫度控制在450～500攝氏度之間最為合適，目的在于促使單質(zhì)硫能夠繼續(xù)燃燒，否則就會(huì)導(dǎo)致煙道被堵塞。為了確保灼燒溫度符合處理要求，必須觀察酸氣量的變化特點(diǎn)，進(jìn)而以此為依據(jù)確定如何調(diào)整燃料氣量。在爐膛溫度高于規(guī)定值時(shí)可加入適量空氣，具體操作方式是調(diào)節(jié)裝置尾部的蝶閥，這樣便能使溫度回到正常狀態(tài)。

四、技術(shù)優(yōu)化

在處理天然氣時(shí)還應(yīng)考慮成本和效益，簡(jiǎn)化工藝流程，提高處理效率。具體來(lái)說(shuō)，需要在以下幾個(gè)方面進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化。首先是液氨吸收技術(shù)，、必須合理設(shè)計(jì)塔板間距，避免液氨冒出氣泡[9]；科學(xué)計(jì)算浮閥數(shù)量，有效保障處理質(zhì)量；可設(shè)計(jì)多個(gè)貧液進(jìn)口，促使硫化氫的凈化量能夠進(jìn)一步得到提升；選擇性能較好的浮閥塔，并在底部鋪設(shè)填料，這樣就能確保塔底不會(huì)出現(xiàn)漩渦。其次是吸收塔和再生塔，需要合理設(shè)計(jì)這兩種裝置的結(jié)構(gòu)，提高其運(yùn)行效率，并根據(jù)天然氣各組分的含量選擇相適應(yīng)的控制量。再生塔底部應(yīng)安裝壓力平衡系統(tǒng)，這樣能夠避免產(chǎn)生真空，確保凈化工藝的處理質(zhì)量。為了保護(hù)塔底的塔盤(pán)，必須安裝調(diào)節(jié)閥，這樣也可降低凈化成本。最后，為了使凈化效率能夠持續(xù)得到提升，研究新的技術(shù)措施是十分必要的。具體來(lái)說(shuō)，主要包括以下幾個(gè)方面。第一，通過(guò)非平衡法脫除碳和硫，需要優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的安全運(yùn)行。第二，邊遠(yuǎn)井的處理難度較高，因此可選擇固體、單井、氧化還原脫硫技術(shù)加以處理，這樣可控制凈化成本。第三，持續(xù)研究膜分離技術(shù)，優(yōu)化膜元件及材料，進(jìn)而通過(guò)膜界面的滲透性實(shí)現(xiàn)天然氣組分的分離，其優(yōu)勢(shì)在于無(wú)腐蝕，無(wú)需存儲(chǔ)溶液，可降低分離成本。第四是微生物脫硫技術(shù)，此種方法的優(yōu)勢(shì)在于微生物獲取難度低，廢棄物排放量少，凈化效果十分顯著[10]。第五是分子篩技術(shù)，即根據(jù)天然氣中水的具體含量選擇合適的技術(shù)，并且需要重點(diǎn)研究抗酸性技術(shù)，這樣能夠在脫硫前實(shí)現(xiàn)脫水處理。

五、結(jié)語(yǔ)

總而言之，通過(guò)技術(shù)優(yōu)化能夠?qū)崿F(xiàn)天然氣有害組分的高效處理，由于目前信息技術(shù)較為發(fā)達(dá)，因此在優(yōu)化時(shí)可安裝數(shù)字化管理系統(tǒng)，對(duì)整個(gè)處理過(guò)程進(jìn)行監(jiān)督與管理，提高凈化指標(biāo)，節(jié)約成本，促使酸氣及水分等物質(zhì)的脫除更加徹底，獲得用戶需要的成分，并且處理后的天然氣不具有腐蝕作用，可延長(zhǎng)設(shè)備的使用期限，進(jìn)而幫助企業(yè)獲得更高的經(jīng)濟(jì)效益。

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