高含硫天然氣凈化廠設(shè)計特點

蘭 海

（中國石油工程設(shè)計有限公司西南分公司，四川成都 610000）

隨著時代的快速發(fā)展，節(jié)能環(huán)保已經(jīng)成為時代的重要主題，而我國在2009年的哥本哈根會議中鄭重承諾了節(jié)能減排的目標(biāo)，截止到2020年，已經(jīng)將二氧化碳排放量降低到2005年的40%～45%，而天然氣消費量有所提升，逐漸成為人們?nèi)粘Ｉ钪械闹匾茉?。盡管天然氣屬于清潔型能源，但其中仍然蘊含一定硫化物，需要在經(jīng)過脫硫處理以后輸送使用，這也就要求高含硫天然氣凈化廠必須要保證脫硫工藝質(zhì)量，保證天然氣脫硫效果。通過對高含硫天然氣凈化廠的設(shè)計特點與工藝進行詳細分析，有助于充分了解其工藝原理，為其優(yōu)化完善提供參考，具有重要的現(xiàn)實意義。

1 高含硫天然氣凈化廠的基本特性

與低含硫天然氣凈化廠相比，高含硫天然氣凈化廠明顯具有以下幾方面特性：第一，高低含硫的判斷依據(jù)是硫化氫含量，高含硫天然氣中，硫化氫含量較高，處理難度較大，無法適用于低含硫天然氣凈化廠；第二，溶液循環(huán)量較大，需要處理裝置具有較大功率，裝置能耗較高；第三，由于硫化氫屬于劇毒物質(zhì)，尤其是高含量的天然氣，凈化設(shè)備必須要具有精度高、材質(zhì)好、運行穩(wěn)定且安全的特點，避免在凈化期間出現(xiàn)氣體泄漏的情況，危害工作人員生命健康安全；第四，酸氣含量高，事故放空環(huán)境危害性較大；第五，高含量的硫化氫與CO2具有腐蝕性，很有可能會導(dǎo)致高含硫介質(zhì)設(shè)備材質(zhì)的化學(xué)失重腐蝕、硫化物應(yīng)力開裂（SSC）和氫誘發(fā)裂紋（HIC）等；第六，與低含硫天然氣相比，高含硫天然氣凈化難度更高，危險性更大，對設(shè)備要求更高；第七，硫黃回收的尾氣中，含有大量的硫化物質(zhì)，因此凈化工藝必須要帶有尾氣處理裝置，整體的工藝時間較長。

2 高含硫天然氣凈化廠設(shè)計特點

雖然在國外，有關(guān)高含硫天然氣凈化的研究時間較為久遠，但是國內(nèi)接觸這一門科學(xué)的時間較短，各項研究均是借鑒國外的研究成果，在保證天然氣凈化與處理效果的同時，還要注意節(jié)能性，減少凈化所需要消耗的成本。就目前國內(nèi)高含硫天然氣凈化廠的設(shè)計情況來看，大致具有以下特點。

2.1 設(shè)備質(zhì)量要求高

在高含硫介質(zhì)的腐蝕性作用下，所有設(shè)備制造、質(zhì)量都應(yīng)該達到具體標(biāo)準(zhǔn)以后才能參與工作。在設(shè)備制造的過程中，焊接、焊后熱處理工作是較為主要的部分，必須要加以控制。首先，焊接完成后，所有焊縫都要通過焊接工藝評定，包括各種焊接類型，以滿足強度要求為基礎(chǔ)，選擇相對較低強度的焊接材料，因焊接產(chǎn)生的點位凸起，也要按照規(guī)定要求磨平、打磨，進行著色檢查，保證焊接質(zhì)量。其次，焊后熱處理環(huán)節(jié)，應(yīng)保證流程規(guī)范，先對承壓設(shè)備、管道焊縫進行熱處理，而后開展SSC、HIC試驗，通過試驗的產(chǎn)品再進行整體性的熱處理工作，尤其是焊縫、母材等區(qū)域，作為核心硬度控制檢測區(qū)間，保證設(shè)備質(zhì)量完全達到預(yù)期要求。

2.2 安全系統(tǒng)可靠性高

天然氣本身就具有易燃易爆性，再加上硫化物自身的毒性，一旦發(fā)現(xiàn)氣體泄漏事故，就很有可能引發(fā)保障事故。因此，高含硫天然氣凈化廠，除了必備的凈化設(shè)施，還會配有安全系統(tǒng)用于保護，與各部分裝置都有著密切聯(lián)系，各個部分也會在連鎖保護系統(tǒng)的狀態(tài)下，呈現(xiàn)出安全狀態(tài)，提升了凈化廠設(shè)備的安全等級。由于高含硫天然氣凈化本身危險性較大，危險等級較高，安全系統(tǒng)必須處于正常運行狀態(tài)，只有這樣才能夠最大限度上保證工程設(shè)備安全。另外，重要事故信號源會經(jīng)過多重設(shè)置，避免無處引發(fā)聯(lián)動，若是情況達到連鎖保護系統(tǒng)啟動標(biāo)準(zhǔn)，還會實現(xiàn)發(fā)出預(yù)警警報，使得凈化廠的工作人員能夠更為及時地掌握危險信息，并采取應(yīng)急措施，最大限度上降低安全事故發(fā)生的可能性。

2.3 廠址選擇靠近氣田

受到天然氣自身特殊性的影響，往往具有運輸困難、危險性高等特點，若是廠址距離氣田較遠，不僅會增加成本，危險性也有所增長。因此，高含硫天然氣凈化廠必須要選擇與天然氣田近距離的位置，縮短集輸管道。與此同時，為了保證凈化廠的安全性，現(xiàn)如今技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)了自動化，能夠針對各項裝置進行自動化控制，保證了溶液、天然氣等的各項精度，硫黃回收部分也裝置了主燃燒爐、空氣/酸氣最佳比率控制（ABC系統(tǒng)），實現(xiàn)了對所有產(chǎn)生廢氣的最優(yōu)設(shè)計，提高脫硫效率。

2.4 工廠運行具有節(jié)能性

由于工廠設(shè)備始終處于高效率運行狀態(tài)，往往會消耗大量能源，這與天然氣脫硫處理的本質(zhì)、發(fā)展清潔型能源的目的存在一定矛盾。因此，為了在最大程度上節(jié)約能源消耗，凈化廠必須要考慮到應(yīng)用節(jié)能措施，減少資源消耗，實現(xiàn)經(jīng)濟價值與生態(tài)價值的同步提升。一方面，脫硫裝置溶液循環(huán)泵，可以借助能量回收透平驅(qū)動回收能量，使所有能量都能夠重復(fù)、有效利用，換熱器則是盡可能選擇高效率的板式換熱器，從機器設(shè)備使用方面著手減少能源消耗；另一方面，則是根據(jù)凈化廠整體平衡、設(shè)備負荷等情況，確認高低位熱能，充分利用蒸汽驅(qū)動其他設(shè)備，提高資源有效利用率。

2.5 介質(zhì)設(shè)備材質(zhì)控制嚴格

由于高含硫天然氣的特性，整個脫硫過程處于高酸、高濕性環(huán)境下進行，這也就要求介質(zhì)設(shè)備必須要具有較強的抗腐蝕性，且穩(wěn)定性較強，尤其是原材料中P、S的含量，都需要經(jīng)過嚴格控制，嚴格按照抗硫化物應(yīng)力試驗、抗氫致開裂試驗完成測驗，只有在通過以后，才能夠?qū)⑵渥鳛榻橘|(zhì)設(shè)備材料。在此基礎(chǔ)上，管線、設(shè)備原材料還應(yīng)該經(jīng)過超聲波的檢測，確定所有材料都能夠達到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，存在白點、裂紋、氣孔等的管線、材料等，應(yīng)及時更換，禁止使用，避免引起安全事故。

3 高含硫天然氣凈化廠工藝分析

基于上述分析，高含硫天然氣在凈化的過程中具有較高的危險性，對裝置要求相對較高，這也就要求高含硫天然氣凈化廠工藝必須成熟，才能夠保證凈化的安全性。

3.1 MDEA選擇性吸收工藝

MDEA是叔碳化合物中的一個重要類型，在遇到硫化氫的瞬間，發(fā)生劇烈反應(yīng)，吸收性能較高。這種物理吸收性能，還能夠與CO2產(chǎn)生反應(yīng)，降低碳反應(yīng)速度。在高含硫天然氣凈化中，MDEA應(yīng)用具有腐蝕性小、能耗低、溶劑不易變質(zhì)等諸多優(yōu)勢，目前在凈化廠內(nèi)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，具有極高的推廣價值。就具體裝置而言，MDEA裝置構(gòu)成部分包括吸收塔、再生塔、重沸爐、閃蒸爐、換熱器、冷凝器等，以及循環(huán)泵、分離器和過濾器等。在脫硫工藝流程中，不僅包括了主體設(shè)備，同時還有輔助設(shè)備參與，共六個部分。其中輔助設(shè)施中還安裝了閉環(huán)排泄系統(tǒng)，包括排液罐和泵，借助這一裝置對使用過的溶液加以回收，提高溶液的重復(fù)利用率，降低成本支出。

3.2 位阻胺工藝

空間位阻胺中含有的氨分子上，同時還富有氫原子，通常會被數(shù)個體積較大的非直鏈烷基或者其他基團所取代，能夠產(chǎn)生空間位置阻隔效應(yīng)，然后引入氨分子，就可以產(chǎn)生較好的脫硫效果。一般情況下，位阻胺有兩種形式，其中吸收效果較好的是加強選吸型，能夠脫除較多的硫化氫，CO2脫除相對較少，具有硫化物吸收率高、能耗成本低等諸多優(yōu)勢，凈化廠可根據(jù)天然氣中的具體成分，合理選擇工藝形式。

3.3 Morphysorb工藝

Morphysorb工藝的原理，主要是生物吸收作用，屬于新型脫硫處理工藝類型，與高含硫天然氣凈化相適應(yīng)。在實際應(yīng)用期間，Morphysorb能夠?qū)α蚧瘹洚a(chǎn)生較好的吸收作用，具有蒸氣壓低、熱穩(wěn)定性強、腐蝕性小、脫硫效率高等諸多應(yīng)用優(yōu)勢，且不會產(chǎn)生過多的能源消耗，溶劑損失也在可控范圍內(nèi)，實現(xiàn)與水同時脫除。一般情況下，該試劑由N-NFM（甲酰嗎啉）和N-NAM（乙酰嗎啉）配成。

3.4 Sulfinol工藝

這一工藝所使用的溶液Sulfinol，主要是醇胺化學(xué)溶劑、環(huán)丁砜和水按照一定比例配合而成，性能相對較高，能夠滿足不同有機酸脫除，應(yīng)用相對廣泛。這種工藝方式具有較強的處理能力，在脫出有機酸以后，不會出現(xiàn)腐蝕、降解的情況，溶液循環(huán)量較小，能耗低，最為主要的是不會產(chǎn)生過多成本，具有高經(jīng)濟效益的特點。若是更為細致的劃分，這種工藝類型還可以分為Sulfinol-D和Sulfinol-M兩種，前者在高含硫天然氣凈化中較為適用，有助于裝置節(jié)能。

4 結(jié)語

綜上所述，隨著近幾年我國天然氣開采量不斷增加，高含硫天然氣凈化工作也受到了較大的重視，為了保證天然氣在燃燒以后不會產(chǎn)生硫化物，使用前的脫硫處理是十分必要的。就目前高含硫天然氣凈化廠的設(shè)計來看，主要具有設(shè)備質(zhì)量要求高、安全系統(tǒng)可靠性高、廠址選擇靠近氣田、工廠運行具有節(jié)能性、介質(zhì)設(shè)備材質(zhì)控制嚴格等特點，提高了凈化廠整體的安全系數(shù)。若是從高含硫天然氣凈化廠工藝進行分析，則常規(guī)工藝類型大致包括MDEA選擇性吸收工藝、位阻胺工藝、Morphysorb工藝、Sulfinol工藝，通過科學(xué)控制來提高凈化效果，為社會生產(chǎn)輸送無硫天然氣，減少空氣污染。