天然氣凈化工藝設(shè)計(jì)要點(diǎn)及優(yōu)化探討

董啟國(guó)

（四川科比科油氣工程有限公司 西南石油大學(xué) 四川成都 610041）

天然氣凈化工藝設(shè)計(jì)要點(diǎn)及優(yōu)化探討

董啟國(guó)

（四川科比科油氣工程有限公司 西南石油大學(xué) 四川成都 610041）

傳統(tǒng)的天然氣凈化工藝受限于工藝水平和設(shè)備技術(shù)要求，多采用的是胺法脫硫脫酸工藝，工藝操作相對(duì)簡(jiǎn)便，對(duì)設(shè)備要求不高，隨著天然氣走進(jìn)千家萬(wàn)戶，使用量的急劇提升，傳統(tǒng)工藝已難以跟上現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)展，運(yùn)用現(xiàn)代化技術(shù)，對(duì)天然氣凈化工藝設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化和改良，提高天然氣凈化效果，滿足社會(huì)發(fā)展需求，有著現(xiàn)實(shí)意義。

天然氣；凈化工藝設(shè)計(jì)要點(diǎn)；優(yōu)化探討

引言

天然氣凈化設(shè)計(jì)的方法隨著科技的進(jìn)步，有了長(zhǎng)足的發(fā)展，為了取得較好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，合理利用資源，提高資源利用率，立足于傳統(tǒng)天然氣凈化工藝，采用現(xiàn)代化的科學(xué)技術(shù)，對(duì)傳統(tǒng)工藝進(jìn)行合理改進(jìn)升級(jí)，引進(jìn)先進(jìn)設(shè)備工藝，可以解決日益凸顯的天然氣凈化效率不足，設(shè)備老化等問(wèn)題，使天然氣能夠滿足我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的需求，為我國(guó)社會(huì)發(fā)展提供積極有效的促進(jìn)作用。

1 天然氣凈化中常用脫硫工藝

1.1 天然氣凈化工藝的基本原理

天然氣脫硫以及脫碳是天然氣凈化的主要目的，通過(guò)物理化學(xué)方法去除天然氣中的二氧化硫、二氧化碳、硫化氫以及有機(jī)硫等物質(zhì)，避免燃燒過(guò)程中對(duì)環(huán)境造成污染和產(chǎn)生對(duì)使用者身體有害的物質(zhì)，是天然氣能夠得到有效的利用，為人們的社會(huì)生活提供充足的可用能源。天然氣凈化的工藝方法有多種，但是其基本原理大致相同，主要有以下幾種：

（1）化學(xué)溶劑法

由于天然氣中的雜質(zhì)氣體多是酸性氣體，采用堿性的化學(xué)溶劑可以與之反應(yīng)，利用不同反應(yīng)的機(jī)理產(chǎn)生不同的化學(xué)產(chǎn)物方便去除，主要是通過(guò)產(chǎn)生無(wú)害氣體或者易于溶解吸收的化合物起到凈化天然氣的作用，或是將產(chǎn)物進(jìn)行回收再利用。利用這種原理的主要方法有有機(jī)胺法，包括MEA法（一乙醇胺法）、DEA法（二乙醇胺法）、DIPA法（二異丙醇胺法）、DGA法（二甘醇胺法）；位阻胺法；同時(shí)活化熱碳酸堿法也得到了一定程度的應(yīng)用[1]。

（2）物理溶劑法

天然氣的主要成分是甲烷等有機(jī)烴類，雜質(zhì)氣體主要是無(wú)機(jī)酸性氣體，在不同的物理溶劑中它們的溶解度區(qū)別較大，通過(guò)控制溫度、壓力等條件，可以利用溶解度的差異進(jìn)行除雜，去除天然氣中的雜志氣體。利用這種原理較為常用的方法有Selexol法（乙二醇二甲醚法）、Fluor法（碳酸丙烯酷法）、Rectisol法（冷甲醇法）等。物理溶劑法的主要優(yōu)勢(shì)是操作工藝較為簡(jiǎn)便。

（3）物理化學(xué)溶劑結(jié)合法

將化學(xué)溶劑和物理溶劑進(jìn)行組合，充分利用化學(xué)溶劑法和物理溶劑法各自的優(yōu)勢(shì)，可以更加有針對(duì)性的去除天然氣中的雜質(zhì)氣體，這種方法因?yàn)榫邆涠喾矫娴膬?yōu)勢(shì)，目前得到了極為廣闊的應(yīng)用，出現(xiàn)了許多典型的天然氣凈化方法。代表是砜胺法（Sulfolane法）、DIPA-砜胺Ⅱ法（Sulfmol-D法）、MDEA-砜胺Ⅲ法（Sulfmol-M法）。此外，還有Amisol、Selefining、Optisol以及混合SE法等[2]。

（4）天然氣除雜其它類型方法。

氧化還原法，通過(guò)具備強(qiáng)大氧化能力液相載體將雜質(zhì)氣體中的硫轉(zhuǎn)化為硫元素，然后在其它環(huán)境中使之進(jìn)行重新組合。又稱為直接轉(zhuǎn)化法或者濕式氧化法，主要有絡(luò)合鐵EDTA法、Lo-Cat法等。此外，還有分子篩、膜分離、生物化學(xué)法等新技術(shù)[3]。

1.2 天然氣脫硫常用的幾種方法

（1）砜胺法（Sulfinol-MEA）

砜胺法的發(fā)展過(guò)程，主要是加強(qiáng)其脫硫選擇性。最初的砜胺法（Sulfinol-MEA）法沒(méi)有脫硫選擇性，到了DIPA-砜胺Ⅱ法（Sulfmol-D法）就具有一定的脫硫選擇性，而MDEA-砜胺Ⅲ法（Sulfmol-MDEA法）進(jìn)一步加強(qiáng)了其脫硫選擇性。

砜胺法（Sulfinol-MEA）的優(yōu)勢(shì)在于可以有效的脫出硫化氫等無(wú)機(jī)含硫組分以及有機(jī)硫成分，對(duì)酸性雜質(zhì)氣體含量高的天然氣具備很好的適用性能，同時(shí)如果天然氣中含有長(zhǎng)鏈烴的話，不易發(fā)泡，去除過(guò)程中溶液降解損失量少。整體而言，脫硫性能好，消耗的能量較低，缺點(diǎn)是溶液成本較高，同時(shí)容易被有機(jī)硫污染，對(duì)設(shè)備腐蝕較大。

（2）DEA法

DEA是一種仲胺，它的堿性比MEA要弱，沒(méi)有脫硫選擇性，相對(duì)來(lái)說(shuō)，因?yàn)槿芤喝苡谒臐舛容^小，溶液脫硫能力稍弱，對(duì)酸性氣體含量較高的脫硫能力有所不足，但是仍舊可以達(dá)到天然氣凈化標(biāo)準(zhǔn)。法國(guó)曾經(jīng)在50年代對(duì)其溶液進(jìn)行改良，形成濃度較高的SNPA-DEA工藝[4]。DEA法的優(yōu)勢(shì)在于能耗相對(duì)更低，溶液蒸發(fā)損失較少，在有機(jī)硫存在的條件下不易變質(zhì)，缺點(diǎn)在于沒(méi)有脫硫選擇性，對(duì)高酸性天然氣處理能力較弱，而改良后的工藝產(chǎn)生的酸氣質(zhì)量不足，對(duì)后續(xù)克勞斯反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生不利影響。

（3）MDEA-砜胺Ⅲ法（Sulfmol-M法）

MDEA是一種叔醇胺，它和天然氣中的主要雜質(zhì)氣體硫化氫的反應(yīng)能力偏弱，但是在H2S和CO2氣體同時(shí)存在的條件下，具備很好的脫硫選擇性，因此得到廣泛使用。MDEA法具備較多的優(yōu)點(diǎn)，它適用于CO2/H2S比率較高的天然氣，對(duì)酸性氣體有著較高的負(fù)荷能力，可以有效降低能耗，同時(shí)可以提升酸氣的質(zhì)量，進(jìn)而有利于后續(xù)工藝對(duì)硫的回收利用。此外，它還可以用于Scot法[5]尾氣處理，代替DIPA溶液，有效提升工藝處理的整體效率。通過(guò)添加活化劑，MDEA溶劑還可以達(dá)到加速吸收CO2的目的，具備很強(qiáng)的應(yīng)用靈活性。

2 天然氣凈化工藝的設(shè)計(jì)要點(diǎn)及其優(yōu)化

天然氣凈化工藝設(shè)計(jì)的要點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：天然氣中對(duì)H2S和CO2含量有著較高要求時(shí)，可進(jìn)行同時(shí)脫硫脫碳，采用MEA、DEA等不具備選擇性的方法，起到節(jié)省能源、成本較低、操作相對(duì)容易的效果；在天然氣凈化過(guò)程中，CO2/H2S比率較高，對(duì)CO2的脫除要求較低的情況下，采用具備較高脫硫選擇性的MDEA法，可以有效節(jié)約成本，提高硫磺回收率；醇胺法對(duì)有機(jī)硫的脫除能力較低，溶液易污染，含有較高有機(jī)硫的天然氣，采取砜胺法進(jìn)行脫硫，以達(dá)到較好的有機(jī)硫脫除效果，保證天然氣質(zhì)量和溶液純度；天然氣中的雜質(zhì)氣體以CO2為主的情況下，選擇活化MDEA法，或者采用膜分離法，可以達(dá)到較好的去除效果。具體操作工藝有以下幾種：

（1）天然氣中含有較高含量的有機(jī)硫，采用Sulfmol-M法進(jìn)行脫硫，應(yīng)用TEG法進(jìn)行脫水，同時(shí)采用二級(jí)克勞斯（Claus）工藝進(jìn)行硫磺回收，克勞斯工藝的級(jí)數(shù)并不是越高越好，受化學(xué)平衡所限，通常采用二級(jí)克勞斯工藝配合其他工藝才能達(dá)到較好的硫磺回收率；使用標(biāo)準(zhǔn)斯科特（Scot）工藝進(jìn)行尾氣處理，尾氣處理溶液采用MDEA水溶液。工藝流程如圖1所示。

圖1 有機(jī)硫含量較高時(shí)的脫硫工藝

（2）天然氣中以無(wú)機(jī)硫?yàn)橹鳎袡C(jī)硫含量較低時(shí)，采用MDEA法進(jìn)行脫硫，應(yīng)用TEG法進(jìn)行脫水，同時(shí)采用二級(jí)克勞斯（Claus）工藝進(jìn)行硫磺回收，使用串級(jí)斯科特（Scot）工藝進(jìn)行尾氣處理。因?yàn)榇?jí)斯科特（Scot）工藝尾氣處理溶液為MDEA水溶液，與脫硫使用的脫硫溶劑相同，可以優(yōu)化工藝，節(jié)約能耗，減少裝置數(shù)量，降低工程投資。工藝設(shè)計(jì)略圖如圖2。

圖2 脫硫裝置不需要脫除有機(jī)硫時(shí)的工藝技術(shù)路線

（3）天然氣中含有較高的有機(jī)硫，同時(shí)無(wú)機(jī)硫含量也較高的時(shí)候，采用分步脫除的方法，可以有效降低凈化裝置中的溶液循環(huán)量，節(jié)約成本。利用斯科特（Scot）尾氣處理裝置中的MDEA富液作為一級(jí)脫硫裝置中的貧液部分脫除天然氣中的有機(jī)硫和無(wú)機(jī)硫，形成MDEA法進(jìn)行脫硫，使得進(jìn)入二級(jí)脫硫裝置中的硫大量降低，二級(jí)脫硫裝置采用Sulfinol-M，進(jìn)行剩余的硫的脫除工作，技術(shù)工藝如圖3所示。

天然氣凈化的主體技術(shù)路線都是由脫水裝置、脫硫裝置、硫磺回收裝置以及尾氣處理裝置四個(gè)主要部分組成，對(duì)各類天然氣都有著普適性，依據(jù)以上要點(diǎn)，根據(jù)具體情況選擇合適的天然氣凈化工藝并進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化，可以有效的提升天然氣凈化的效率。

圖3

3 硫磺回收工藝技術(shù)要點(diǎn)及其優(yōu)化

硫磺回收的主要技術(shù)是克勞斯（Claus）硫磺回收技術(shù)，它對(duì)含硫酸氣的處理工藝已經(jīng)十分成熟，但是由于化學(xué)平衡的條件限制，即使是Ⅲ級(jí)的Claus反應(yīng)，其回收率也只能達(dá)到97%，結(jié)合尾氣處理工藝，進(jìn)行工藝優(yōu)化，提高硫的回收率，得到了廣泛研究。

3.1 富氧Claus硫磺回收技術(shù)

通過(guò)改造硫磺回收裝置，使用富氧空氣，可以降低硫磺回收過(guò)程氣量，對(duì)于惰性氣體的使用效率得到提升，降低了惰性氣體的加入冷卻次數(shù)，起到很好的節(jié)能效果，同時(shí)減少了硫元素?fù)p失，提高了硫元素回收率，提高量在0.5～1.0%左右，美國(guó)80年代采用MDEA脫硫技術(shù)，富氧Claus技術(shù)，標(biāo)準(zhǔn)Scot尾氣處理設(shè)計(jì)的一套硫磺回收裝置，硫收率達(dá)到

99.7 %。[6]應(yīng)用該技術(shù)除了富氧投資和制氧成本之外，無(wú)需進(jìn)行其他投入，可以取得顯著的節(jié)約資金效果以及節(jié)省能耗作用。

3.2 采用Ⅱ級(jí)Claus硫磺回收，配合串級(jí)Scot尾氣處理裝置，提高硫收率

Ⅱ級(jí)Claus工藝硫收率在93.3～94.6%，Ⅲ級(jí)的Claus工藝硫收率最高不超過(guò)97%，采用Ⅲ級(jí)的Claus工藝會(huì)增加裝置數(shù)量以及能耗，投資增加。視具體情況，采用Ⅱ級(jí)Claus工藝，雖然會(huì)增加Scot尾氣處理裝置的的酸氣負(fù)荷，但是同樣的循環(huán)量下，過(guò)程氣量變化可控，不影響尾氣裝置的設(shè)備，因而不會(huì)增加投資，而同時(shí)選用串級(jí)Scot作為尾氣處理工藝，可與脫硫系統(tǒng)共用MDEA，可以有效節(jié)省能耗。

4 結(jié)束語(yǔ)

立足于傳統(tǒng)天然氣凈化設(shè)備工藝，綜合考慮多方面因素，依據(jù)具體情況，引入先進(jìn)天然氣凈化設(shè)備，采用先進(jìn)工藝，運(yùn)用新的技術(shù)，對(duì)原有工藝進(jìn)行升級(jí)優(yōu)化，可以有效提升天然氣凈化的效率。

[1]蒲遠(yuǎn)洋，羅紹春，閔剛，李文豐，黃文峰，韓國(guó)強(qiáng).天然氣凈化工藝設(shè)計(jì)要點(diǎn)及優(yōu)化[J].天然氣與石油，2012，01：36～40+101.

[2]李奎.大型高含硫天然氣凈化工程設(shè)計(jì)淺析[J].現(xiàn)代化工，2007，10：54～57.

[3]鄭蓉.高碳硫比天然氣凈化及酸氣處理工藝研究[D].西南石油大學(xué)，2014.

[4]劉健，張述偉，孫道青.低溫甲醇法凈化天然氣工藝流程的研究[J].天然氣化工（C1化學(xué)與化工），2007，05：47～50.

[5]邢海燕.酸性氣回收工藝過(guò)程研究[D].青島科技大學(xué)，2012.

[6]朱遠(yuǎn)星.高含硫天然氣凈化廠氣體檢測(cè)儀優(yōu)化設(shè)置方法研究[D].西南石油大學(xué)，2015.

TE646

A

1004-7344（2016）05-0244-02

2016-1-28

董啟國(guó)（1976-），男，工程師，本科，主要從事天然氣凈化工作。