一種天然氣脫硫撬裝裝置設計

楊倫，彭善碧，楊梓因，藍秀蕓，蒙攀，周俊岑，黃莉

（西南石油大學，四川 成都 610500）

H2S在天然氣、焦爐煤氣和半水煤氣等工業氣體中是一種有害雜質，它的存在不僅會引起設備和管路腐蝕、催化劑中毒，而且其毒性嚴重威脅人身安全，屬于必須消除或控制的環境污染物之一，我國規定H2S的排放質量濃度不得大于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。其在天然氣發展過程中作出了很大貢獻，但存在環境污染、初投資大，運行費用較高等缺點，使得在更廣范圍內普及使用變得困難。近年發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，能有效緩解硫排放引發的環境問題[2-4]，很容易適應未來脫硫技術的需要和環保要求。歐洲國家、美國、日本等發達國家紛紛開展了生物脫硫技術的研究，重點開發生物脫硫工藝技術與相關配套設備，積累了豐富的實驗與現場工程應用經驗，成立了完善的生物脫硫研發團體和應用推廣公司，使生物脫硫技術得到了快速的發展[5-6]。但目前微生物脫硫工藝在油氣生產領域還未形成大規模的應用，天然氣微生物脫硫工藝也還存在一些亟待解決的問題，如生物脫硫反應速率低、硫酸鹽累積、生物硫磺的后續處理等。在國內外大力提倡保護環境和日益嚴格環保排放要求的趨勢下，天然氣微生物脫硫作為一種新的燃氣凈化手段，其低能耗、無二次污染、減少污染物的排放等優勢進一步凸顯，具有廣闊的發展空間和良好的應用前景[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與工藝的需要及環保的要求。此外，本裝置結合撬裝設計理念，使裝置結構緊湊，占地面積小，節約環境空間，便于安裝與遷移，且可實現自動化控制，減少人力資源的浪費，降低人員成本。

1 裝置結構及流程

1.1 裝置結構

天然氣脫硫撬裝裝置（見圖1）。

圖1 脫硫裝置結構示意圖

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從左往右依次設有活性炭脫硫裝置、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有第一活性炭板，且第一活性炭板嵌在第一脫硫筒的內壁上，生物膜脫硫裝置的下方設有第二活性炭板，且第二活性炭板嵌在第二脫硫筒的內壁上，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，氧化后的硫單質掉落并被活性炭板吸附，到達選擇透過性膜脫硫裝置的H2S被阻止通過，使其充分與細菌反應，凈化后的天然氣進行外輸。

2 脫硫原理及特點

2.1 脫硫原理

該裝置主要采用了“三位一體”和撬裝設計原理，通過改性活性炭物理吸附和化學氧化、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行。在第一脫硫筒的進口和第二脫硫筒的出口分別采用了漸擴和漸縮的設計，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有更充足的時間與改性活性炭及氧化亞鐵硫桿菌[12]發生反應，同時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，對活性炭進行改性，顯著增強活性炭的催化活性和吸附性能，改善了反應條件、活性炭表面官能團種類、酸堿性等化學性質和物理結構，且K2MnO4是強氧化性物質，在無氧條件下能將H2S氧化為單質硫[11]，被氧化而成的硫單質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場所，使氧化亞鐵硫桿菌在生物膜6上形成菌膜一體結構，使反應速率大幅度增加，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的反應提供充足的條件與時間。氧化亞鐵硫桿菌，能夠通過氧化酸性環境中的Fe2+獲得維持其生長的能量，其產生的Fe3+是活性較強的氧化劑，進而可以參與到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轉化為碳水化合物和單質硫。經過改性活性炭層后，天然氣中剩余的H2S被附著在生物膜上的細菌氧化，氧化后的硫單質由于重力作用掉落并被活性炭吸附，實現連續化生產。此外，細菌將其氧化為硫單質，避免中間轉化過程，實現資源二次利用，提高經濟效益。而選擇透過性膜能夠阻斷H2S 繼續向后通過，為細菌的反應提供充足的時間，使細菌與H2S最大限度發生反應，達到最高的脫硫效率。

2.2 裝置特點

2.2.1 “三位一體”的運用細菌載體的創新

該裝置利用“三位一體”的結合，“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，為細菌與H2S的反應提供充足的時間，加強脫硫效果，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 細菌載體的創新

其次，該裝置在脫硫工藝上將生物膜與細菌相結合，所采用的細菌為自養氧化亞鐵硫桿菌[13-14]，不必額外提供養分，節約前期投資成本。此外，將生物膜作為氧化亞鐵硫桿菌的一個活動場所，使細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速率，達到適應生產的需求。

2.2.3 撬裝設計的結合

將撬裝流程的設計概念運用其中，相比于傳統凈化工藝流程，此凈化流程將各個凈化部分有效結合，裝置設計緊湊，占地面積小，提高了環境空間的利用率，且便于安裝與遷移。

2.2.4 最大限度回收硫單質

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菌作用生成的硫單質，實現硫單質的回收利用，提高經濟效益，促進循環再利用。

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的外表面設有外螺紋，第一脫硫筒11上設有相匹配的內螺紋，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的內壁上，筒體8的內壁與第一脫硫筒11的內壁表面齊平，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內壁和第二脫硫筒12筒內壁上，筒體8內壁和第二脫硫筒12內壁上設有第一活性炭板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浸漬活性炭并進行改性固化制成圓盤，沿筒體8徑向設置并位于第一活性炭板1上，改性活性炭盤2的外側嵌在筒體8的內壁上,筒體8的內壁上徑向設有凹槽或者螺紋（改性活性炭盤2的外側設置相匹配的螺紋）。改性活性炭盤2可根據處理H2S的量設置1至4個，為防止到達生物膜6的H2S氣體濃度過高導致生物膜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構示意圖

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的內壁上，生物膜6鋪設在生物膜安裝盤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上生成的硫單質不會滴落到第二脫硫筒12的內壁上。此外，生物膜安裝盤9上設有螺栓孔13，通過螺栓將生物膜安裝盤9固定在第二脫硫筒12內，所述生物膜6鋪設在生物膜安裝盤9一端的端面上，鋪設的方式可以是粘貼、夾設等固定方式，根據H2S氣體的流速而定。

圖4 生物膜安裝盤的結構示意圖

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提供充足的時間，使氧化亞鐵硫桿菌最大限度地與H2S氣體反應，達到最大的脫硫效率。

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

圖5 選擇透過性膜安裝盤的結構示意圖

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系，當被描述對象的絕對位置改變后，則該相對位置關系也可能相應地改變。

4 結束語

該新型脫硫裝置可通過改性活性炭物理吸附和化學氧化、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，實現了資源二次利用，提高經濟效益。

此裝置雖解決了目前天然氣生物脫硫領域的一些難題，但也存在一些急需解決的問題。其一，本裝置在運用于井口脫硫時，井口的天然氣高壓與較大的流速會破壞生物膜、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，一方面將應用基因工程方法改進生物膜，使固化后的細菌更易于存活，同時提高脫硫菌種耐鹽抗壓性，使裝置可運用于更廣泛的條件中；另一方面，利于計算機進行3D輔助設計，優化裝置結構、探索更優改性活性炭，達到既可保護環境、又可高效除硫的效果，真正實現零污染、零排放。