一種天然氣脫硫撬裝裝置設(shè)計(jì)

楊倫，彭善碧，楊梓因，藍(lán)秀蕓，蒙攀，周俊岑，黃莉

（西南石油大學(xué)，四川 成都 610500）

H2S在天然氣、焦?fàn)t煤氣和半水煤氣等工業(yè)氣體中是一種有害雜質(zhì)，它的存在不僅會(huì)引起設(shè)備和管路腐蝕、催化劑中毒，而且其毒性嚴(yán)重威脅人身安全，屬于必須消除或控制的環(huán)境污染物之一，我國規(guī)定H2S的排放質(zhì)量濃度不得大于0.01 mg·m-3，所以H2S的去除特別是低濃度的H2S的去除是急需解決的問題[1]。

目前，脫除H2S的方法有多種，主要分為干法和濕法。其在天然氣發(fā)展過程中作出了很大貢獻(xiàn)，但存在環(huán)境污染、初投資大，運(yùn)行費(fèi)用較高等缺點(diǎn)，使得在更廣范圍內(nèi)普及使用變得困難。近年發(fā)展起來的微生物脫硫具有凈化水平高、流程簡單、污染少、能耗低等特點(diǎn)，能有效緩解硫排放引發(fā)的環(huán)境問題[2-4]，很容易適應(yīng)未來脫硫技術(shù)的需要和環(huán)保要求。歐洲國家、美國、日本等發(fā)達(dá)國家紛紛開展了生物脫硫技術(shù)的研究，重點(diǎn)開發(fā)生物脫硫工藝技術(shù)與相關(guān)配套設(shè)備，積累了豐富的實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，成立了完善的生物脫硫研發(fā)團(tuán)體和應(yīng)用推廣公司，使生物脫硫技術(shù)得到了快速的發(fā)展[5-6]。但目前微生物脫硫工藝在油氣生產(chǎn)領(lǐng)域還未形成大規(guī)模的應(yīng)用，天然氣微生物脫硫工藝也還存在一些亟待解決的問題，如生物脫硫反應(yīng)速率低、硫酸鹽累積、生物硫磺的后續(xù)處理等。在國內(nèi)外大力提倡保護(hù)環(huán)境和日益嚴(yán)格環(huán)保排放要求的趨勢下，天然氣微生物脫硫作為一種新的燃?xì)鈨艋侄?，其低能耗、無二次污染、減少污染物的排放等優(yōu)勢進(jìn)一步凸顯，具有廣闊的發(fā)展空間和良好的應(yīng)用前景[7-10]。

針對上述問題，本文提出一種新型天然氣脫硫撬裝裝置，以脫除H2S為對象，通過高錳酸鉀改性活性炭氧化和微生物脫硫的方法，滿足更加高效的脫硫凈化技術(shù)與工藝的需要及環(huán)保的要求。此外，本裝置結(jié)合撬裝設(shè)計(jì)理念，使裝置結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，節(jié)約環(huán)境空間，便于安裝與遷移，且可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，減少人力資源的浪費(fèi)，降低人員成本。

1 裝置結(jié)構(gòu)及流程

1.1 裝置結(jié)構(gòu)

天然氣脫硫撬裝裝置（見圖1）。

圖1 脫硫裝置結(jié)構(gòu)示意圖

包括通過法蘭連接的第一脫硫筒和第二脫硫筒，連接后的第一脫硫筒和第二脫硫筒筒內(nèi)從左往右依次設(shè)有活性炭脫硫裝置、生物膜脫硫裝置和選擇透過性膜脫硫裝置；改性活性炭脫硫裝置下方設(shè)有第一活性炭板，且第一活性炭板嵌在第一脫硫筒的內(nèi)壁上，生物膜脫硫裝置的下方設(shè)有第二活性炭板，且第二活性炭板嵌在第二脫硫筒的內(nèi)壁上，第一脫硫筒和第二脫硫筒均放置在撬板上。

1.2 脫硫流程

脫硫流程示意圖見圖2。

圖2 脫硫流程示意圖

邊緣氣井天然氣中，H2S經(jīng)活性炭脫硫裝置氧化，剩余的H2S被生物膜脫硫裝置氧化，氧化后的硫單質(zhì)掉落并被活性炭板吸附，到達(dá)選擇透過性膜脫硫裝置的H2S被阻止通過，使其充分與細(xì)菌反應(yīng)，凈化后的天然氣進(jìn)行外輸。

2 脫硫原理及特點(diǎn)

2.1 脫硫原理

該裝置主要采用了“三位一體”和撬裝設(shè)計(jì)原理，通過改性活性炭物理吸附和化學(xué)氧化、生物膜上微生物的氧化、選擇透過性膜過濾共同作用脫除H2S。脫硫過程主要在第一脫硫筒與第二脫硫筒中進(jìn)行。在第一脫硫筒的進(jìn)口和第二脫硫筒的出口分別采用了漸擴(kuò)和漸縮的設(shè)計(jì)，既能讓天然氣順利地通過脫硫部件，又能因管徑的變大，而使天然氣在裝置里的流速慢于在連接管道里的流速，使H2S有更充足的時(shí)間與改性活性炭及氧化亞鐵硫桿菌[12]發(fā)生反應(yīng)，同時(shí)使裝置中第一脫硫筒和第二脫硫筒脫硫效率有所提高。

第一脫硫筒為活性炭脫硫裝置，其利用K2MnO4浸漬活性炭，對活性炭進(jìn)行改性，顯著增強(qiáng)活性炭的催化活性和吸附性能，改善了反應(yīng)條件、活性炭表面官能團(tuán)種類、酸堿性等化學(xué)性質(zhì)和物理結(jié)構(gòu)，且K2MnO4是強(qiáng)氧化性物質(zhì)，在無氧條件下能將H2S氧化為單質(zhì)硫[11]，被氧化而成的硫單質(zhì)一部分被改性活性炭吸附，一部分由于重力作用掉落并被下方的第一活性炭板吸附。

第二脫硫筒包括生物膜脫硫裝置和選擇透過性膜脫硫裝置，生物膜為氧化亞鐵硫桿菌生物膜，為氧化亞鐵硫桿菌提供活動(dòng)場所，使氧化亞鐵硫桿菌在生物膜6上形成菌膜一體結(jié)構(gòu)，使反應(yīng)速率大幅度增加，且生物膜具有酸性親和性，對H2S具有一定的吸附能力，為氧化亞鐵硫桿菌與H2S的反應(yīng)提供充足的條件與時(shí)間。氧化亞鐵硫桿菌，能夠通過氧化酸性環(huán)境中的Fe2+獲得維持其生長的能量，其產(chǎn)生的Fe3+是活性較強(qiáng)的氧化劑，進(jìn)而可以參與到H2S的脫除中[12]。利用氧化亞鐵硫桿菌的Fe3+再生能力脫除H2S，使H2S和CO2轉(zhuǎn)化為碳水化合物和單質(zhì)硫。經(jīng)過改性活性炭層后，天然氣中剩余的H2S被附著在生物膜上的細(xì)菌氧化，氧化后的硫單質(zhì)由于重力作用掉落并被活性炭吸附，實(shí)現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)。此外，細(xì)菌將其氧化為硫單質(zhì)，避免中間轉(zhuǎn)化過程，實(shí)現(xiàn)資源二次利用，提高經(jīng)濟(jì)效益。而選擇透過性膜能夠阻斷H2S 繼續(xù)向后通過，為細(xì)菌的反應(yīng)提供充足的時(shí)間，使細(xì)菌與H2S最大限度發(fā)生反應(yīng)，達(dá)到最高的脫硫效率。

2.2 裝置特點(diǎn)

2.2.1 “三位一體”的運(yùn)用細(xì)菌載體的創(chuàng)新

該裝置利用“三位一體”的結(jié)合，“三位一體”即高錳酸鉀改性活性炭、具有酸性親和力的生物膜以及選擇透過性膜，通過改性活性炭物理吸附和化學(xué)氧化、生物膜上微生物的氧化、選擇透過性膜過濾的共同作用。選擇透過性膜脫硫裝置利用H2S與天然氣分子直徑的不同，阻止H2S氣體的通過，為細(xì)菌與H2S的反應(yīng)提供充足的時(shí)間，加強(qiáng)脫硫效果，促使得到高純度的天然氣，提高H2S 脫除率和天然氣的利用率，降低了能源消耗。

2.2.2 細(xì)菌載體的創(chuàng)新

其次，該裝置在脫硫工藝上將生物膜與細(xì)菌相結(jié)合，所采用的細(xì)菌為自養(yǎng)氧化亞鐵硫桿菌[13-14]，不必額外提供養(yǎng)分，節(jié)約前期投資成本。此外，將生物膜作為氧化亞鐵硫桿菌的一個(gè)活動(dòng)場所，使細(xì)菌固化在生物膜上形成菌膜一體，大幅度提高氧化亞鐵硫桿菌的反應(yīng)速率，達(dá)到適應(yīng)生產(chǎn)的需求。

2.2.3 撬裝設(shè)計(jì)的結(jié)合

將撬裝流程的設(shè)計(jì)概念運(yùn)用其中，相比于傳統(tǒng)凈化工藝流程，此凈化流程將各個(gè)凈化部分有效結(jié)合，裝置設(shè)計(jì)緊湊，占地面積小，提高了環(huán)境空間的利用率，且便于安裝與遷移。

2.2.4 最大限度回收硫單質(zhì)

活性炭脫硫裝置和氧化亞鐵硫桿菌均能將H2S直接氧化成單質(zhì)硫，活性炭承接板位于活性炭脫硫裝置和生物膜脫硫裝置下方，用于承接被改性活性炭和細(xì)菌作用生成的硫單質(zhì)，實(shí)現(xiàn)硫單質(zhì)的回收利用，提高經(jīng)濟(jì)效益，促進(jìn)循環(huán)再利用。

3 裝置的安裝及拆卸

3.1 活性炭脫硫裝置的拆裝

活性炭脫硫裝置包括與第一脫硫筒內(nèi)壁螺紋連接的筒體8、第一活性炭板1和改性活性炭盤2。

筒體8的外表面設(shè)有外螺紋，第一脫硫筒11上設(shè)有相匹配的內(nèi)螺紋，筒體8通過螺紋與第一脫硫筒11連接，并嵌入在第一脫硫筒11的內(nèi)壁上，筒體8的內(nèi)壁與第一脫硫筒11的內(nèi)壁表面齊平，這樣可以有效減少H2S氣體對連接處的腐蝕作用。

第一活性炭板1、第二活性炭板4均由活性炭固化而成，并分別嵌在筒體8內(nèi)壁和第二脫硫筒12筒內(nèi)壁上，筒體8內(nèi)壁和第二脫硫筒12內(nèi)壁上設(shè)有第一活性炭板1、第二活性炭板4嵌入的凹槽，這樣可以有效減少析出的硫單質(zhì)對筒壁的腐蝕作用。改性活性炭盤2是利用K2MnO4浸漬活性炭并進(jìn)行改性固化制成圓盤，沿筒體8徑向設(shè)置并位于第一活性炭板1上，改性活性炭盤2的外側(cè)嵌在筒體8的內(nèi)壁上,筒體8的內(nèi)壁上徑向設(shè)有凹槽或者螺紋（改性活性炭盤2的外側(cè)設(shè)置相匹配的螺紋）。改性活性炭盤2可根據(jù)處理H2S的量設(shè)置1至4個(gè)，為防止到達(dá)生物膜6的H2S氣體濃度過高導(dǎo)致生物膜6上氧化亞鐵硫桿菌的死亡，改性活性炭盤2脫除大部分H2S氣體，降低了其濃度。

圖3 活性炭脫硫裝置的結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 生物膜脫硫裝置的拆裝

生物膜脫硫裝置包括生物膜6和橢圓環(huán)形的生物膜安裝盤9，所述生物膜安裝盤9沿軸向傾斜地安裝在第二脫硫筒12的內(nèi)壁上，生物膜6鋪設(shè)在生物膜安裝盤9一端的端面上。生物膜安裝盤9與第二活性炭板4之間的夾角范圍為30°至60°，優(yōu)選為45°，這樣可以最大限度地增加H2S氣體與生物膜6的接觸面積。

生物膜安裝盤9的右端與第二活性炭板4的右端齊平，這樣可以保證生物膜6上生成的硫單質(zhì)不會(huì)滴落到第二脫硫筒12的內(nèi)壁上。此外，生物膜安裝盤9上設(shè)有螺栓孔13，通過螺栓將生物膜安裝盤9固定在第二脫硫筒12內(nèi)，所述生物膜6鋪設(shè)在生物膜安裝盤9一端的端面上，鋪設(shè)的方式可以是粘貼、夾設(shè)等固定方式，根據(jù)H2S氣體的流速而定。

圖4 生物膜安裝盤的結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 選擇透過性膜脫硫裝置的拆裝

選擇透過性膜脫硫裝置包括選擇透過性膜7和圓環(huán)形的選擇透過性膜安裝盤10，選擇透過性膜脫硫裝置的作用在于阻斷H2S氣體繼續(xù)向后通過，為生物膜6上的氧化亞鐵硫桿菌脫除H2S提供充足的時(shí)間，使氧化亞鐵硫桿菌最大限度地與H2S氣體反應(yīng)，達(dá)到最大的脫硫效率。

選擇透過性膜安裝盤10徑向設(shè)置在第二脫硫筒12的內(nèi)壁上，選擇透過性膜7鋪設(shè)在選擇透過性膜安裝盤10一端的端面上，鋪設(shè)方式與生物膜6鋪設(shè)方式相同。選擇透過性膜安裝盤10卡設(shè)在第二脫硫筒12的內(nèi)壁上（第二脫硫筒12的內(nèi)壁上徑向設(shè)置凹槽，選擇透過性膜安裝盤10卡在凹槽內(nèi)）或者與第二脫硫筒12的內(nèi)壁螺紋連接（選擇透過性膜安裝盤10外表面設(shè)置外螺紋，第二脫硫筒12的內(nèi)壁設(shè)置相匹配的內(nèi)螺紋）。

圖5 選擇透過性膜安裝盤的結(jié)構(gòu)示意圖

3.4 裝置組裝

第一脫硫筒8及第二脫硫筒12分別安裝完成后，將其兩部分利用法蘭進(jìn)行連接，再整體置于撬板上，完成裝置的安裝。

此外，上文所述上、下、左、右等僅用于表示相對位置關(guān)系，當(dāng)被描述對象的絕對位置改變后，則該相對位置關(guān)系也可能相應(yīng)地改變。

4 結(jié)束語

該新型脫硫裝置可通過改性活性炭物理吸附和化學(xué)氧化、生物膜上微生物的氧化、選擇透過性膜過濾的共同作用，高效脫除H2S 并直接回收硫單質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了資源二次利用，提高經(jīng)濟(jì)效益。

此裝置雖解決了目前天然氣生物脫硫領(lǐng)域的一些難題，但也存在一些急需解決的問題。其一，本裝置在運(yùn)用于井口脫硫時(shí)，井口的天然氣高壓與較大的流速會(huì)破壞生物膜、使裝置脫硫中止；其二，本裝置利用了高錳酸鉀改性活性炭，未完全杜絕環(huán)境污染。因此，為了更好地解決問題與完善本裝置，一方面將應(yīng)用基因工程方法改進(jìn)生物膜，使固化后的細(xì)菌更易于存活，同時(shí)提高脫硫菌種耐鹽抗壓性，使裝置可運(yùn)用于更廣泛的條件中；另一方面，利于計(jì)算機(jī)進(jìn)行3D輔助設(shè)計(jì)，優(yōu)化裝置結(jié)構(gòu)、探索更優(yōu)改性活性炭，達(dá)到既可保護(hù)環(huán)境、又可高效除硫的效果，真正實(shí)現(xiàn)零污染、零排放。