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相應工作，為天然氣的凈化提供建設性意見。文章基于某真實工廠生產(chǎn)運行實際，在基于筆者多年工作經(jīng)驗前提下展開相關研究工作，為天然氣的凈化提供建設性意見。

關鍵詞：硫化氫;酸性氣體;脫硫工藝

中圖分類號：TQ113.26+4.1

文獻標識碼：A

文章編號：1001-5922（2019）08-0050-03

隨著社會的進步與一次能源需求的不斷增加。石油與天然氣的勘探、開發(fā)、加工與利用正在以產(chǎn)業(yè)鏈的形勢不斷完善。當前在天然氣板塊以頁巖氣、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)展而不斷的開發(fā)。天然氣在漫長的地質(zhì)歷史孕育發(fā)展過程中往往富含其他伴生氣體，具相關研究，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。如若開發(fā)過程中的防護和后續(xù)加工過程中的脫除不利會導致人員中毒、設備腐蝕等危害，嚴重影響生產(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算前提下根據(jù)工區(qū)現(xiàn)場部署位置實際情況大體上可以進行物理吸收法、化學吸收法和氧化法三種形式的工藝裝置選擇。根據(jù)相關文獻可知，所謂物理吸收脫除工藝通用是運用壓力容器在待壓環(huán)境下通過塔盤的分散噴淋將有機溶劑進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，然后通過再生裝置減壓釋放出富液中的有害氣體，放火炬做無害化處理后得到貧液，循環(huán)利用有機吸收劑，例如運用較為廣泛的熱砷堿法。氧化法工藝相對較為復雜，其主要機理為運用堿性溶液吸收劑配合一定比例的載氧體催化劑，進行可控化學氧化反應，將二氧化硫、硫化氫中的硫元素進行氧化析出生成單質(zhì)硫。該方法成本較高，已經(jīng)運用的有改良ADA法和栲膠法[2-3]。

天然氣的開發(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，以某氣田真實情況下天然氣脫硫情況為研究基礎，錄取相應工藝參數(shù)。以除硫劑研發(fā)為關鍵討論細節(jié)，在工藝結(jié)合脫硫載體的范疇下展開相應工作，為天然氣的凈化提供建設性意見。

1 工程簡介

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（設計規(guī)模1000萬方/天;375萬方/天）為研究對象。待凈化原料氣組分方面，現(xiàn)根據(jù)先期測試結(jié)果總結(jié)所研天然氣田酸性氣特征如下：①二氧化碳關鍵數(shù)據(jù)含量表征>6%，相應硫化氫含量<0.1%;②另外二氧化碳/硫化氫相對比例通常在80-160左右;③有機硫化物相對含量有限，且采出氣低溫梯度低，全年平均溫度為3-18℃。現(xiàn)以川渝氣組分為例做對比評測數(shù)據(jù)如表1所示。

在已有天然氣凈化廠現(xiàn)有工藝設備運行情況基礎上首先進行川渝氣針對性脫硫工藝特點匯總。長壽天然氣凈化廠因為井口氣二氧化硫含量較低，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的溶液脫除法。在前期可研和相關實驗環(huán)節(jié)，因為其二氧化碳/硫化氫比高至10.3所以在溶液配方優(yōu)選上適當提高預算，選擇了質(zhì)量較好的CT8-5、再者重慶的另外一家凈化廠因為原料氣硫化氫過高而優(yōu)選MDEA-環(huán)丁沨溶液進行循環(huán)工作。由此可見不同原料氣組分前提下的同種工藝，不同脫硫劑優(yōu)選和細則操作對脫除結(jié)果和系統(tǒng)運行效率的重要性。

所研氣田天然氣凈化廠當前運行平穩(wěn)，歷史上曾對吸收塔塔盤進行過改造，適當增加踏板數(shù)模，其他工藝細節(jié)與川渝氣長壽廠類似，相關MDEA溶液配比也變化不大。當前所研工廠存在設備老化動設備事故頻發(fā)問題，所以必須進行預先性思考，在脫硫劑環(huán)節(jié)進行微調(diào)并適應于當前流程工業(yè)整體運行工況。

2 調(diào)整復合型脫硫、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，工藝設備允許的前提下進行。當前較為通用的MDEA配方溶液能根據(jù)不同工況下的凈化程度進行調(diào)配并結(jié)合相應的過濾器和塔溫進行再生，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)的不同相應工藝能有效脫除硫化氫和二氧化碳甚至有機硫化物等雜質(zhì)。例如DOW化工的Gas/Spec工藝及其UnionCarbide公司推出的Ucarsol脫除工藝。國內(nèi)相關公司在吸取國外經(jīng)驗后也相繼推出了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。或者在二氧化碳，硫化氫比例較高的氣體混合物中脫除凈化二氧化碳氣體。②適應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行深度完全性二氧化碳脫除。

取所研工廠某生產(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%，在當前工藝前提下我們進行了不同配方的MEDA溶液循環(huán)測試，并得出相應數(shù)據(jù)，如表2所示。

由以上實驗可知，運用活化后的MDEA溶液進行相關凈化工藝生產(chǎn)能得到更好效果。相比采用改良配方的MDEA溶液溶液優(yōu)勢率達10%。所以在當前裝置工藝負荷下進行溶液配方的保持而進行工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)會對整體脫硫工藝產(chǎn)生較好的影響。

3 強化系統(tǒng)溫度監(jiān)控與調(diào)整

根據(jù)先期實驗可知，MDEA溶液的凈化反應為放熱。會帶動系統(tǒng)溫度升高。而隨著塔內(nèi)不同溫度點的分布情況可知，不同含量的硫化氫和二氧化碳凈化環(huán)境下的進塔介質(zhì)溫度和流率控制不當會誘發(fā)流程工業(yè)系統(tǒng)事故。所以需要進行相應的溫度測點密集監(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的相對大小比值。其中代號表述為：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)過程中如若吸收塔頂?shù)腇_LC_p，L大于F_vC_p，V相應氣體介質(zhì)的熱量會向液體傳遞。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行。但是在塔底相關的溫度會因為液體溫度加熱度過低而照成熱量散失性回塔。導致不同測點溫度不均衡。

根據(jù)所研工廠實際，當前MDEA溶液循環(huán)量為135m3/h，根據(jù)相關模擬核算其F_LC_p，L比F_vC_p，V為1.4，在根據(jù)現(xiàn)場化驗結(jié)果可知，相關的MEDA脫除反應速度中，硫化氫遠快于二氧化碳。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點往往會顯示在塔底位置，如若出現(xiàn)相反位置就會出現(xiàn)在塔頂位置。當工藝條件穩(wěn)定時塔內(nèi)溫度測點最高值會隨著工藝條件的變化而相應的上移。所以密集而適度的溫度測點監(jiān)控能及時反應當前工藝條件下的反應激烈程度，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)控數(shù)據(jù)綜合表征可知，運用MDEA法進行脫硫凈化時相應的酸性氣體凈化反應速率需要適當控制。在液體洗滌氣體的同時保持一定的接觸時間和反應實際并在能耗最優(yōu)的前提下綜合脫除硫化氫、二氧化碳。基于動力選擇性原則和相應化學反應機理，所研工廠的生產(chǎn)調(diào)控需要進行MDEA溶液吸收凈化效率的提升。在此所研工廠進行了吸收塔塔板的改造，以充分散化吸收液，增加吸收液泄流時間以達到與天然氣充分接觸的時間，并提高二氧化碳吸收效率，在者進行一定程度的反應溫度提升是保證吸收程度最優(yōu)的前提條件之一。

4 升級循環(huán)系統(tǒng)強化腐蝕監(jiān)護

根據(jù)通用操作及工藝設置原理可知，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5MPa而再生塔通常在常壓下進行工作，所以工藝系統(tǒng)的聯(lián)鎖裝置不能出絲毫差錯，嚴格防范高壓串低壓等惡性事故的發(fā)生。在此相應的工藝循環(huán)裝置設置有一級或多級增壓泵裝置。運用相應提升裝置能充分將熱貧液中的熱量進行換熱器流道循環(huán)并達到熱交換目的，在強制換熱的機理想通過相應的總傳熱系數(shù)進行貧/富液熱流調(diào)校，在節(jié)能減排的基礎上充分運用溶液的兩極串聯(lián)加壓流程以達到換熱、冷卻、分流和在循環(huán)利用的流程工業(yè)目的。但相對與撬裝設備，需要實現(xiàn)泵體科學性選型。在保持溶液粘度一定的同時合理進行揚程設置，在保證循環(huán)量和調(diào)控范圍上達到節(jié)能和節(jié)約一次投資問題。在此根據(jù)所研工程實際，在此升級循環(huán)系統(tǒng)，將原有電機升級為lOkV高壓電機，并配備變頻系統(tǒng)進行節(jié)能處理。在操作和維護方面進行綜合考量。保持穩(wěn)定性。

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

5 結(jié)語

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在充分核算酸氣負荷和溶液濃度后進行動態(tài)調(diào)整。并定期進行腐蝕、脫除凈化效果的評估與檢測全面確保工藝設備的正常投用、穩(wěn)定生產(chǎn)和后續(xù)安全維護。根據(jù)所研工廠可知，當前工廠以運行數(shù)十年，存在設備設施“低、老、壞”問題。所以后續(xù)需要定期做好溶液匹配性驗證，在調(diào)整復合型脫硫、脫碳劑、強化系統(tǒng)溫度監(jiān)控與調(diào)整和升級循環(huán)系統(tǒng)強化腐蝕監(jiān)護等多方面系統(tǒng)性進行工藝調(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

[1]何玲，高含硫天然氣脫硫脫碳技術(shù)研究進展[J].化學工程師，2018，32（04）：62-66+61.

[2]張賢曉，某含硫氣井MDEA脫硫工藝參數(shù)優(yōu)化分析[J].新疆石油天然氣，2017，13（03）：77-80+5-6.

[3]呂卓強，含硫天然氣脫硫工藝的選擇[J].齊魯石油化工，2015，43（04）：329-332.

[4]李勁，雷萌，唐浠，對中低含硫天然氣脫硫技術(shù)的認識[J].石油與天然氣化工，2013，42（03）：227-233.