趙軍友 劉崇寧 賀慶強(qiáng) 李天長(zhǎng) 趙路豪 畢曉東 田亞敏

中國(guó)石油大學(xué)(華東)

噴射引流法天然氣脫硫技術(shù)研究

趙軍友 劉崇寧 賀慶強(qiáng) 李天長(zhǎng) 趙路豪 畢曉東 田亞敏

中國(guó)石油大學(xué)(華東)

天然氣中的含硫酸性物質(zhì)會(huì)引起管道腐蝕、環(huán)境污染、催化劑中毒等問(wèn)題，對(duì)天然氣進(jìn)行脫硫不僅能避免上述問(wèn)題，還可以增大天然氣管道內(nèi)的傳輸體積。研究了一種噴射引流器裝置對(duì)天然氣進(jìn)行脫硫的技術(shù)，脫硫過(guò)程中選取碳酸鈉溶液作為脫硫劑。介紹了噴射引流器的原理，對(duì)噴射引流器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行過(guò)程推導(dǎo)和計(jì)算，然后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)噴射引流器的引射比，并計(jì)算了天然氣的脫硫率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，噴射引流器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，同時(shí)表明該技術(shù)可有效地對(duì)天然氣進(jìn)行脫硫處理。

天然氣脫硫 噴射引流器 引射比 脫硫率

在國(guó)內(nèi)天然氣氣田中，H2S體積分?jǐn)?shù)高于1%的天然氣儲(chǔ)量約占國(guó)內(nèi)天然氣總儲(chǔ)量的25%，對(duì)天然氣進(jìn)行脫硫處理是各含硫氣田的必然選擇。天然氣脫硫處理存在諸多益處，如：減緩輸氣管道的腐蝕、減少對(duì)大氣的污染、避免催化劑中毒等[1]。

目前，對(duì)天然氣進(jìn)行脫硫的工藝很多，總體上有濕法脫硫、干法脫硫、生物脫硫和膜分離4種方法[2-7]。本研究利用噴射引流器裝置，以碳酸鈉溶液作為脫硫劑進(jìn)行天然氣脫硫，屬于濕法脫硫[8]。噴射引流器裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝置內(nèi)天然氣中的硫化物與堿性溶液充分接觸發(fā)生反應(yīng)，可在降低天然氣脫硫裝置能耗的同時(shí)，提高天然氣脫硫的效率。

1 噴射引流法天然氣脫硫新工藝

堿性溶液經(jīng)過(guò)增壓后進(jìn)入噴射引流器，由于壓力能轉(zhuǎn)換成速度能，在噴射引流器的噴嘴周?chē)纬烧婵肇?fù)壓腔，將未脫硫的天然氣卷吸進(jìn)入噴射引流器中，天然氣中的硫化物與堿性物質(zhì)發(fā)生中和反應(yīng)進(jìn)行脫硫，混合后的流體進(jìn)入后處理裝置中。脫硫過(guò)程中使用采樣裝置1采集未脫硫的天然氣，使用采樣裝置2采集脫硫后天然氣，兩個(gè)采集樣本進(jìn)入分析器進(jìn)行分析，計(jì)算脫硫率。若脫硫率未達(dá)標(biāo)，及時(shí)自動(dòng)調(diào)整堿性溶液濃度，獲得更好的脫硫效果。其技術(shù)路線(xiàn)見(jiàn)圖1。

2 噴射引流器原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 噴射引流器原理

圖2為噴射引流器三維模型圖。噴射引流器通常由噴嘴、吸收室、喉管、擴(kuò)壓管4部分組成，見(jiàn)圖3[9]。進(jìn)入裝置以前，壓力較高的介質(zhì)為工作流體，以很高的速度從噴嘴出來(lái)，在噴嘴附近形成負(fù)壓，將另一入口處壓力較低的介質(zhì)吸入噴射引流器，共同經(jīng)過(guò)喉管、擴(kuò)壓管流出。其中，被吸入噴射引流器的流體叫做引射流體。

2.2 噴射引流器的設(shè)計(jì)計(jì)算

(1) 喉管面積與噴嘴出口面積之比最優(yōu)值m見(jiàn)式(1)。

(1)

式中:m為喉管面積與噴嘴出口面積之比最優(yōu)值，無(wú)量綱；p0為工作液體壓力，Pa；ps為引射氣體壓力，Pa。

(2) 引射流體體積流量與工作流體體積流量之比為引射比，其設(shè)計(jì)值見(jiàn)式(2)[10]。

(2)

(3) 與混合流體產(chǎn)生激波狀態(tài)時(shí)進(jìn)行比較，見(jiàn)式(3)。

(3)

式中：q為式(2)中的設(shè)計(jì)值，無(wú)量綱；pt為喉管處混合流體的壓力，Pa；p2為喉管出口斷面處混合流體壓力，Pa；g為重力加速度，m/s2；p1為噴嘴出口處工作液體的壓力，Pa；rs為引射氣體容重，N/m3；zs為引射氣體出口位置高度，m；r0為工作液體容重，N/m3；z0為噴嘴出口位置高度，m；vs為引射氣體出口處速度，m/s。

若q不滿(mǎn)足上述條件，則需調(diào)整參數(shù)重新進(jìn)行計(jì)算，直至滿(mǎn)足上述條件為止。

(4) 與吸入氣體產(chǎn)生激波狀態(tài)進(jìn)行比較，見(jiàn)式(4)。

(4)

式中：μt為喉管入口流量系數(shù)；μ1為噴嘴流量系數(shù)；k為氣體絕熱系數(shù)；R為摩爾氣體常量，J/(mol·K)；Tk為氣體絕對(duì)溫度，K；若q不滿(mǎn)足上述條件，則需調(diào)整參數(shù)重新進(jìn)行計(jì)算，直至滿(mǎn)足上述條件為止。

(5) 在得出適合的m、q后，根據(jù)已知的引射氣體體積流量Qs，可以求得工作液體的體積流量Q0，Q0=Qs/q，根據(jù)推導(dǎo)過(guò)程及經(jīng)驗(yàn)公式，進(jìn)而可以得出噴射器尺寸，見(jiàn)式(5)[11]。

(5)

式中：d1為噴嘴出口直徑，m。

根據(jù)所得噴嘴出口直徑d1可得出以下尺寸參數(shù)：

基于上述推導(dǎo)過(guò)程，按工作液體壓力1 MPa、引射氣體壓力0.1 MPa、引射氣體體積流量13 m3/h進(jìn)行噴射引流器設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)表1。

表1 噴射引流器結(jié)構(gòu)尺寸Table1 Structuresizeofspraydrainagedeviceq(設(shè)計(jì)值)md1/mmd0/mmL/mmδ/(°)dt/mmLk/mmα/(°)LD/mmdc/mm95412660954756590

3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及數(shù)據(jù)

3.1 引射比的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

圖4為實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)所用原料氣為甲烷與H2S混合氣，H2S質(zhì)量濃度為75 mg/m3，堿性溶液為物質(zhì)的量濃度1 mol/L的碳酸鈉溶液。實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖球?yàn)證噴射器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的引射比和檢測(cè)實(shí)驗(yàn)后原料氣含硫量[14]。實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程如下：使用液體流量計(jì)記錄碳酸鈉溶液的體積流量，離心泵對(duì)碳酸鈉溶液進(jìn)行增壓，高壓碳酸鈉溶液進(jìn)入噴射引流器前由壓力傳感器測(cè)量其壓力，噴射引流器引射流體一端接入混合原料氣，由于高壓碳酸鈉溶液進(jìn)入噴射引流器引起的負(fù)壓作用，原料氣被吸入裝置中與高壓碳酸鈉溶液充分混合，然后經(jīng)過(guò)連接管排入儲(chǔ)存裝置。實(shí)驗(yàn)時(shí)，使用調(diào)頻器改變離心泵工作狀態(tài)，使其將碳酸鈉溶液分別增壓至0.6 MPa、0.8 MPa、1.0 MPa，在這3個(gè)壓力條件下進(jìn)行3組實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)中，每間隔10 min記錄1次堿性溶液流量和氣體瞬時(shí)流量，同時(shí)對(duì)處理后的原料氣含硫量進(jìn)行檢測(cè)并記錄。

表2是具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，圖5是關(guān)于驗(yàn)證引射比的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與結(jié)果。從結(jié)果中可以看出，增壓后碳酸鈉溶液的壓力為設(shè)計(jì)值1.0 MPa時(shí)，引射比均值為8.67，與引射比設(shè)計(jì)值的誤差較小。隨著壓力值依次降低至0.8 MPa、0.6 MPa，引射比數(shù)值也隨之減小。

表2 引射比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table2 Experimentaldataofinjectionratio實(shí)驗(yàn)壓力/MPa10．80．6實(shí)驗(yàn)次數(shù)/次123412341234原料氣流量/(m3·h-1)12．53612．25212．36612．47011．23010．6899．7309．5248．4988．7438．7818．203液體流量/(m3·h-1)1．4341．4281．441．4221．3441．2421．2961．3021．1821．1881．1881．176引射比8．748．588．598．778．368．607．477．317．197．347．396．97

3.2 脫硫率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)所用原料氣為CH4與H2S的混合氣，H2S質(zhì)量濃度為75 mg/m3，堿性溶液采用物質(zhì)的量濃度為1 mol/L的碳酸鈉溶液。其中脫硫率的計(jì)算公式見(jiàn)式(6)[15]。

(6)

式中：η為脫硫率；Ci為原料氣中H2S質(zhì)量濃度，mg/m3；C0為處理后氣體中H2S質(zhì)量濃度，mg/m3。

表3是處理后的原料氣中H2S含量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，圖6是對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果的整理。從中可以看出，脫硫率在96.2%到97.5%之間，但當(dāng)壓力低于1 MPa時(shí)，脫硫率有所提高。究其原因，一是壓力低于1 MPa時(shí)，氣體與液體流量比的降低導(dǎo)致原料氣中的H2S與堿性溶液反應(yīng)更加充分，因而脫硫率有所提高；二是壓力降低時(shí)，流體流速降低，堿性物質(zhì)與H2S反應(yīng)時(shí)間更加充分[16]。基于這種情況，要對(duì)能耗及脫硫率的要求進(jìn)行綜合考慮，選擇合適的工作壓力條件[17]。

表3 脫硫后實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table3 Experimentaldataafterdesulfurization實(shí)驗(yàn)壓力/MPa10．80．6實(shí)驗(yàn)次數(shù)/次123412341234脫硫后ρ(H2S)/(mg·m-3)2．5152．7352．7852．6102．3052．2452．0802．1602．0202．0352．9401．905脫硫率/%96．696．496．396．596．99797．297．297．397．397．497．5

4 結(jié) 論

本研究利用噴射引流裝置作為天然氣主要處理裝置，采用碳酸鈉溶液作為天然氣脫硫劑，研究了噴射引流器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程和引射比的計(jì)算，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了噴射引流裝置設(shè)計(jì)的合理性，計(jì)算了天然氣脫硫率，得出以下結(jié)論：

(1) 引射比的設(shè)計(jì)值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差較小，證明噴射引流器的理論計(jì)算是正確的。

(2) 實(shí)驗(yàn)表明，引射比的大小與外界工作條件，尤其是工作流體壓力和引射流體壓力大小關(guān)系緊密，當(dāng)工作流體壓力低于設(shè)計(jì)值時(shí)，引射比會(huì)隨著壓力的降低而降低。

(3) 對(duì)能源利用及脫硫效果進(jìn)行綜合考慮，通過(guò)計(jì)算，認(rèn)為0.8 MPa、1 mol/L分別為本實(shí)驗(yàn)最佳工作壓力和最佳碳酸鈉溶液物質(zhì)的量濃度。

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Study on natural gas desulfurization technology byinjection and drainage method

Zhao Junyou, Liu Chongning, He Qingqiang, Li Tianchang, Zhao Luhao, Bi Xiaodong, Tian Yamin

ChinaUniversityofPetroleum(HuaDong),Qingdao,Shandong,China

Sour gas containing hydrogen sulfide will cause the pipeline corrosion, environmental pollution, catalyst poisoning and other problems. Desulfurization of natural gas can not only avoid the above problems, but also increase the transmission volume of natural gas pipeline. A kind of injection drainage device for natural gas desulfurization was studied, and the sodium carbonate solution was chosen as the desulfurization agent in the process of desulfurization. The principle of injection drainage device was introduced. The process of structure design for spray drainage device was derived and calculated. Then the injection ratio was proved through experiment, and the rate of natural gas desulfurization was calculated. The experimental results showed that the structure of the spray drainage device was reasonable, and the technology could be applied to natural gas desulfurization effectively.

natural gas desulfurization, spray drainage device, injection ratio, desulfurization rate

山東省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目“超聲波輔助噴射引流除塵”(2014GSF117033)。

趙軍友(1963-)，男，中國(guó)石油大學(xué)(華東)機(jī)電工程學(xué)院副教授，主要從事石油機(jī)械教學(xué)及科研工作。

E-mail：zhaojy@upc.edu.cn

TE644

A

10.3969/j.issn.1007-3426.2017.04.001

2016-12-05；編輯：溫冬云