某氣田含硫天然氣脫硫工藝探討

孫艷萍

摘要：為了研究某氣田含硫天然氣脫硫工藝并在工藝結(jié)合脫硫裁體的范疇下展開(kāi)相應(yīng)工作，為天然氣的凈化提供建設(shè)性意見(jiàn)。文章基于某真實(shí)工廠(chǎng)生產(chǎn)運(yùn)行實(shí)際，在基于筆者多年工作經(jīng)驗(yàn)前提下展開(kāi)相關(guān)研究工作，為天然氣的凈化提供建設(shè)性意見(jiàn)。

關(guān)鍵詞：硫化氫;酸性氣體;脫硫工藝

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ113.26+4.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-5922（2019）08-0050-03

隨著社會(huì)的進(jìn)步與一次能源需求的不斷增加。石油與天然氣的勘探、開(kāi)發(fā)、加工與利用正在以產(chǎn)業(yè)鏈的形勢(shì)不斷完善。當(dāng)前在天然氣板塊以頁(yè)巖氣、煤層氣為代表的非常規(guī)能源正隨著水平井、體積壓裂等工藝技術(shù)的發(fā)展而不斷的開(kāi)發(fā)。天然氣在漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史孕育發(fā)展過(guò)程中往往富含其他伴生氣體，具相關(guān)研究，以二氧化碳、二氧化硫、硫化氫等酸性和有毒氣體為代表的伴生產(chǎn)品往往以不同含量存在與天然氣藏之中。如若開(kāi)發(fā)過(guò)程中的防護(hù)和后續(xù)加工過(guò)程中的脫除不利會(huì)導(dǎo)致人員中毒、設(shè)備腐蝕等危害，嚴(yán)重影響生產(chǎn)生活[1]。

天然氣凈化提純技術(shù)依據(jù)原料氣組分和終端要求的不同在有限成本預(yù)算前提下根據(jù)工區(qū)現(xiàn)場(chǎng)部署位置實(shí)際情況大體上可以進(jìn)行物理吸收法、化學(xué)吸收法和氧化法三種形式的工藝裝置選擇。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)可知，所謂物理吸收脫除工藝通用是運(yùn)用壓力容器在待壓環(huán)境下通過(guò)塔盤(pán)的分散噴淋將有機(jī)溶劑進(jìn)行一定溫度和流量下的控制與原料氣充分接觸后脫除硫化氫、二氧化硫等有害氣體，然后通過(guò)再生裝置減壓釋放出富液中的有害氣體，放火炬做無(wú)害化處理后得到貧液，循環(huán)利用有機(jī)吸收劑，例如運(yùn)用較為廣泛的熱砷堿法。氧化法工藝相對(duì)較為復(fù)雜，其主要機(jī)理為運(yùn)用堿性溶液吸收劑配合一定比例的載氧體催化劑，進(jìn)行可控化學(xué)氧化反應(yīng)，將二氧化硫、硫化氫中的硫元素進(jìn)行氧化析出生成單質(zhì)硫。該方法成本較高，已經(jīng)運(yùn)用的有改良ADA法和栲膠法[2-3]。

天然氣的開(kāi)發(fā)和利用充要前提為凈化，而不同的原料氣組分和產(chǎn)品需要選擇不同的天然氣脫硫工藝。在此本文基于筆者多年工作經(jīng)驗(yàn)，以某氣田真實(shí)情況下天然氣脫硫情況為研究基礎(chǔ)，錄取相應(yīng)工藝參數(shù)。以除硫劑研發(fā)為關(guān)鍵討論細(xì)節(jié)，在工藝結(jié)合脫硫載體的范疇下展開(kāi)相應(yīng)工作，為天然氣的凈化提供建設(shè)性意見(jiàn)。

1 工程簡(jiǎn)介

在此以某西北大型氣田為研究框架，選擇該地1#、2#天然氣凈化廠(chǎng)（設(shè)計(jì)規(guī)模1000萬(wàn)方/天;375萬(wàn)方/天）為研究對(duì)象。待凈化原料氣組分方面，現(xiàn)根據(jù)先期測(cè)試結(jié)果總結(jié)所研天然氣田酸性氣特征如下：①二氧化碳關(guān)鍵數(shù)據(jù)含量表征>6%，相應(yīng)硫化氫含量<0.1%;②另外二氧化碳/硫化氫相對(duì)比例通常在80-160左右;③有機(jī)硫化物相對(duì)含量有限，且采出氣低溫梯度低，全年平均溫度為3-18℃?，F(xiàn)以川渝氣組分為例做對(duì)比評(píng)測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示。

在已有天然氣凈化廠(chǎng)現(xiàn)有工藝設(shè)備運(yùn)行情況基礎(chǔ)上首先進(jìn)行川渝氣針對(duì)性脫硫工藝特點(diǎn)匯總。長(zhǎng)壽天然氣凈化廠(chǎng)因?yàn)榫跉舛趸蚝枯^低，且二氧化碳/硫化氫比值較大（大于5），所以選擇了可以再生利用并易于維護(hù)的溶液脫除法。在前期可研和相關(guān)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，因?yàn)槠涠趸?硫化氫比高至10.3所以在溶液配方優(yōu)選上適當(dāng)提高預(yù)算，選擇了質(zhì)量較好的CT8-5、再者重慶的另外一家凈化廠(chǎng)因?yàn)樵蠚饬蚧瘹溥^(guò)高而優(yōu)選MDEA-環(huán)丁沨溶液進(jìn)行循環(huán)工作。由此可見(jiàn)不同原料氣組分前提下的同種工藝，不同脫硫劑優(yōu)選和細(xì)則操作對(duì)脫除結(jié)果和系統(tǒng)運(yùn)行效率的重要性。

所研氣田天然氣凈化廠(chǎng)當(dāng)前運(yùn)行平穩(wěn)，歷史上曾對(duì)吸收塔塔盤(pán)進(jìn)行過(guò)改造，適當(dāng)增加踏板數(shù)模，其他工藝細(xì)節(jié)與川渝氣長(zhǎng)壽廠(chǎng)類(lèi)似，相關(guān)MDEA溶液配比也變化不大。當(dāng)前所研工廠(chǎng)存在設(shè)備老化動(dòng)設(shè)備事故頻發(fā)問(wèn)題，所以必須進(jìn)行預(yù)先性思考，在脫硫劑環(huán)節(jié)進(jìn)行微調(diào)并適應(yīng)于當(dāng)前流程工業(yè)整體運(yùn)行工況。

2 調(diào)整復(fù)合型脫硫、脫碳劑

脫硫劑的優(yōu)選需要根據(jù)處理量及原料氣組分，在成本可控，工藝設(shè)備允許的前提下進(jìn)行。當(dāng)前較為通用的MDEA配方溶液能根據(jù)不同工況下的凈化程度進(jìn)行調(diào)配并結(jié)合相應(yīng)的過(guò)濾器和塔溫進(jìn)行再生，在配方上其系列產(chǎn)品都是以MDEA為主溶液在配合不同類(lèi)別和含量的緩蝕劑和活化劑等，根據(jù)操作參數(shù)的不同相應(yīng)工藝能有效脫除硫化氫和二氧化碳甚至有機(jī)硫化物等雜質(zhì)。例如DOW化工的Gas/Spec工藝及其UnionCarbide公司推出的Ucarsol脫除工藝。國(guó)內(nèi)相關(guān)公司在吸取國(guó)外經(jīng)驗(yàn)后也相繼推出了CT8-5/9（西南油氣田分公司研究院）溶液為代表的配套工藝[4]。

在提高活化MDEA溶液脫除效率方面需要注意如下使用原則：①適應(yīng)于大量含有二氧化碳的混合氣體中脫除少量的硫化氫及全部二氧化碳?；蛘咴诙趸?，硫化氫比例較高的氣體混合物中脫除凈化二氧化碳?xì)怏w。②適應(yīng)于硫化氫含量較少的氣體，且二氧化碳，硫化氫比例較高的混合物進(jìn)行深度完全性二氧化碳脫除。

取所研工廠(chǎng)某生產(chǎn)數(shù)據(jù)可知，生產(chǎn)工藝前提：原料氣硫化氫含量0.051%，二氧化碳含量5.05%。要求脫硫脫碳裝置最終凈化氣中硫化氫含量低于20mg/m3。二氧化碳低于3%，在當(dāng)前工藝前提下我們進(jìn)行了不同配方的MEDA溶液循環(huán)測(cè)試，并得出相應(yīng)數(shù)據(jù)，如表2所示。

由以上實(shí)驗(yàn)可知，運(yùn)用活化后的MDEA溶液進(jìn)行相關(guān)凈化工藝生產(chǎn)能得到更好效果。相比采用改良配方的MDEA溶液溶液優(yōu)勢(shì)率達(dá)10%。所以在當(dāng)前裝置工藝負(fù)荷下進(jìn)行溶液配方的保持而進(jìn)行工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)會(huì)對(duì)整體脫硫工藝產(chǎn)生較好的影響。

3 強(qiáng)化系統(tǒng)溫度監(jiān)控與調(diào)整

根據(jù)先期實(shí)驗(yàn)可知，MDEA溶液的凈化反應(yīng)為放熱。會(huì)帶動(dòng)系統(tǒng)溫度升高。而隨著塔內(nèi)不同溫度點(diǎn)的分布情況可知，不同含量的硫化氫和二氧化碳凈化環(huán)境下的進(jìn)塔介質(zhì)溫度和流率控制不當(dāng)會(huì)誘發(fā)流程工業(yè)系統(tǒng)事故。所以需要進(jìn)行相應(yīng)的溫度測(cè)點(diǎn)密集監(jiān)控和調(diào)整。

不同相態(tài)的物質(zhì)在熱流溫度分配上通常取決與多股熱流的的熱容量F_LC_P，L和F_vC_p，V的相對(duì)大小比值。其中代號(hào)表述為：液體流率（吸收凈化液）FL，氣體流率（帶脫天然氣）F_v，，后綴C_p，L和C_p，V分別代表液體、氣體的比熱容。生產(chǎn)過(guò)程中如若吸收塔頂?shù)腇_LC_p，L大于F_vC_p，V相應(yīng)氣體介質(zhì)的熱量會(huì)向液體傳遞。以至于工藝結(jié)果得到吸收塔出氣溫度接近與進(jìn)液溫度，該種情形下的放熱能有效提高溶液溫度有利于整體工藝運(yùn)行。但是在塔底相關(guān)的溫度會(huì)因?yàn)橐后w溫度加熱度過(guò)低而照成熱量散失性回塔。導(dǎo)致不同測(cè)點(diǎn)溫度不均衡。

根據(jù)所研工廠(chǎng)實(shí)際，當(dāng)前MDEA溶液循環(huán)量為135m3/h，根據(jù)相關(guān)模擬核算其F_LC_p，L比F_vC_p，V為1.4，在根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)化驗(yàn)結(jié)果可知，相關(guān)的MEDA脫除反應(yīng)速度中，硫化氫遠(yuǎn)快于二氧化碳。所以如若原料氣中的硫化氫比重比二氧化碳高則塔中溫度最高測(cè)點(diǎn)往往會(huì)顯示在塔底位置，如若出現(xiàn)相反位置就會(huì)出現(xiàn)在塔頂位置。當(dāng)工藝條件穩(wěn)定時(shí)塔內(nèi)溫度測(cè)點(diǎn)最高值會(huì)隨著工藝條件的變化而相應(yīng)的上移。所以密集而適度的溫度測(cè)點(diǎn)監(jiān)控能及時(shí)反應(yīng)當(dāng)前工藝條件下的反應(yīng)激烈程度，從而得到最終的優(yōu)化調(diào)整方案。

基于以上溫度控制監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)綜合表征可知，運(yùn)用MDEA法進(jìn)行脫硫凈化時(shí)相應(yīng)的酸性氣體凈化反應(yīng)速率需要適當(dāng)控制。在液體洗滌氣體的同時(shí)保持一定的接觸時(shí)間和反應(yīng)實(shí)際并在能耗最優(yōu)的前提下綜合脫除硫化氫、二氧化碳?；趧?dòng)力選擇性原則和相應(yīng)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，所研工廠(chǎng)的生產(chǎn)調(diào)控需要進(jìn)行MDEA溶液吸收凈化效率的提升。在此所研工廠(chǎng)進(jìn)行了吸收塔塔板的改造，以充分散化吸收液，增加吸收液泄流時(shí)間以達(dá)到與天然氣充分接觸的時(shí)間，并提高二氧化碳吸收效率，在者進(jìn)行一定程度的反應(yīng)溫度提升是保證吸收程度最優(yōu)的前提條件之一。

4 升級(jí)循環(huán)系統(tǒng)強(qiáng)化腐蝕監(jiān)護(hù)

根據(jù)通用操作及工藝設(shè)置原理可知，脫碳系統(tǒng)吸收塔常采用高壓吸收低壓再生工藝。所研工藝吸收塔壓力高達(dá)5MPa而再生塔通常在常壓下進(jìn)行工作，所以工藝系統(tǒng)的聯(lián)鎖裝置不能出絲毫差錯(cuò)，嚴(yán)格防范高壓串低壓等惡性事故的發(fā)生。在此相應(yīng)的工藝循環(huán)裝置設(shè)置有一級(jí)或多級(jí)增壓泵裝置。運(yùn)用相應(yīng)提升裝置能充分將熱貧液中的熱量進(jìn)行換熱器流道循環(huán)并達(dá)到熱交換目的，在強(qiáng)制換熱的機(jī)理想通過(guò)相應(yīng)的總傳熱系數(shù)進(jìn)行貧/富液熱流調(diào)校，在節(jié)能減排的基礎(chǔ)上充分運(yùn)用溶液的兩極串聯(lián)加壓流程以達(dá)到換熱、冷卻、分流和在循環(huán)利用的流程工業(yè)目的。但相對(duì)與撬裝設(shè)備，需要實(shí)現(xiàn)泵體科學(xué)性選型。在保持溶液粘度一定的同時(shí)合理進(jìn)行揚(yáng)程設(shè)置，在保證循環(huán)量和調(diào)控范圍上達(dá)到節(jié)能和節(jié)約一次投資問(wèn)題。在此根據(jù)所研工程實(shí)際，在此升級(jí)循環(huán)系統(tǒng)，將原有電機(jī)升級(jí)為lOkV高壓電機(jī)，并配備變頻系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能處理。在操作和維護(hù)方面進(jìn)行綜合考量。保持穩(wěn)定性。

循環(huán)量加大必將會(huì)帶來(lái)泵體功耗增大。如若控制不力會(huì)帶來(lái)機(jī)泵氣蝕和相應(yīng)腐蝕工藝管道的腐蝕問(wèn)題。所以運(yùn)用相關(guān)的脫硫劑配比和合適的循環(huán)量控制能有效進(jìn)行腐蝕程度控制，再者需要進(jìn)行腐蝕情況的監(jiān)護(hù)，防止各種因素的腐蝕發(fā)生。在此根據(jù)美國(guó)Ha-nover公司經(jīng)驗(yàn)，由于相關(guān)的鋼材和腐蝕作用機(jī)理研究，如若酸氣二氧化碳含量大于90%時(shí)會(huì)誘發(fā)腐蝕，但如若吸收塔溫度控制在1OO℃時(shí)并合理調(diào)配溶液循環(huán)量能有效遏制腐蝕的發(fā)生，在此本廠(chǎng)工藝設(shè)置為120℃工藝指標(biāo)以充分規(guī)避腐蝕現(xiàn)象。

5 結(jié)語(yǔ)

脫硫工藝的優(yōu)選需要考慮原料氣組分、操作工藝和成本投資等多重指標(biāo)在充分核算酸氣負(fù)荷和溶液濃度后進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。并定期進(jìn)行腐蝕、脫除凈化效果的評(píng)估與檢測(cè)全面確保工藝設(shè)備的正常投用、穩(wěn)定生產(chǎn)和后續(xù)安全維護(hù)。根據(jù)所研工廠(chǎng)可知，當(dāng)前工廠(chǎng)以運(yùn)行數(shù)十年，存在設(shè)備設(shè)施“低、老、壞”問(wèn)題。所以后續(xù)需要定期做好溶液匹配性驗(yàn)證，在調(diào)整復(fù)合型脫硫、脫碳劑、強(qiáng)化系統(tǒng)溫度監(jiān)控與調(diào)整和升級(jí)循環(huán)系統(tǒng)強(qiáng)化腐蝕監(jiān)護(hù)等多方面系統(tǒng)性進(jìn)行工藝調(diào)整，在成本可控前提下綜合優(yōu)化最終脫硫凈化效果，全面提高凈化氣氣質(zhì)。

參考文獻(xiàn)

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