陳清濤

摘 要：天然氣中所含雜質(zhì)較多，在影響儲運工作的同時還會損壞管道，因此當前凈化處理已經(jīng)成為了企業(yè)生產(chǎn)過程中不可或缺的一道工序，這樣才能確保達到天然氣外輸?shù)囊?，以免導致產(chǎn)品質(zhì)量無法達標并破壞環(huán)境。處理時的要點在于脫硫、脫水。可采用三甘醇等多種工藝，但為了進一步提高凈化效率，還需要不斷進行技術措施的優(yōu)化處理，并研究新的技術，本文就對此問題進行了詳細探討。

關鍵詞：天然氣凈化；技術優(yōu)化；硫磺回收

引言：

為了達到天然氣的凈化指標，滿足天然氣用戶的需求，脫除有害組分是十分必要的。在處理時需要配置分離器、過濾器等多種性能較好的設備，并了解各類處理方法的特點及操作流程，嚴格按照相關要求進行處理，確保各類工藝都能夠充分發(fā)揮其作用，促使天然氣的凈化效果更好。本文就對此問題進行了具體分析。

一、概述

未經(jīng)處理的天然氣含有固體雜質(zhì)及有害物質(zhì)，包括砂、鐵銹、硫化物等，砂和鐵銹會磨損設備，積聚過量時還會影響輸氣。天然氣中的水分會增加輸氣阻力，并形成水膜，遇酸后形成酸性水溶液，嚴重腐蝕管壁，進而破壞管道，并且會與其他組分生成雪狀水合物。此外，天然氣中硫含量較高，以硫化氫為主，味道刺鼻，會破壞人的呼吸系統(tǒng)，含量過高時會導致人體中毒[1]。此外，硫化氫和二氧化碳具有腐蝕作用，如果未經(jīng)處理，直接作為化學原料則會影響催化劑的性能，產(chǎn)生有毒物質(zhì)，影響生產(chǎn)活動及產(chǎn)品質(zhì)量。但硫化氫、水分、二氧化碳等物質(zhì)均有其各自可利用的途徑，如制造化肥、干冰等，因此需要進行天然氣的凈化處理，去除有害組分，既可保護環(huán)境，也能實現(xiàn)資源的高效利用。

二、商品天然氣質(zhì)量要求

商品天然氣質(zhì)量要求較高，主要技術指標包括以下幾個方面。第一是最小熱值，確定該指標的目的是為了給天然氣用戶提供便利，幫助其選擇合適的加熱設備。處理的重點在于天然氣中氮氣和二氧化碳的含量不能過高，這些氣體均屬于不可燃類型。第二是含硫量，硫具有腐蝕性，會影響人的身體健康，嚴重時還會危及人的生命安全，因此必須將硫化氫的含量控制在6～24mg/Sm3。第三是烴露點，即規(guī)定壓力下液烴的析出溫度，與氣體的組分有關。第四是水露點，指水蒸汽凝結出水的溫度，需要根據(jù)具體的加工要求進行合理控制。

三、凈化處理工藝技術

（一）脫硫單元

1.脫硫意義

天然氣中所含的酸性物質(zhì)包括硫化氫和二氧化碳，硫化氫遇水會腐蝕金屬，散發(fā)臭雞蛋味且毒性較強。二氧化碳不可燃，導致天然氣的熱值及管輸效率受到影響?？諝庵辛蚧瘹浜窟^高時會危及人的生命安全，并且會導致鋼材氫脆，最終導致閥板脫落[2]。人體在有機硫中毒時輕則嘔吐，重則心肌衰竭。因此對天然氣進行脫硫處理是十分必要的，處理后可回收資源，加工成硫產(chǎn)品，用于農(nóng)業(yè)及工業(yè)領域的生產(chǎn)活動中。分離出的二氧化碳可用于干冰的制備，對于提高原油采收率也具有一定的作用。

2.脫硫、脫碳方法

去除天然氣中酸性氣體的方法較多，包括以下幾種。第一是冷甲醇法，吸收劑為甲醇，操作時置于零下50攝氏度的低溫環(huán)境中，原因在于低溫環(huán)境下的甲醇能夠高度溶解二氧化碳和硫化氫，脫除有機硫化物。第二是聚乙二醇二甲醚法。此類溶劑吸水性能及脫水效果較好，在去除二氧化碳和硫化氫的同時也能脫除天然氣中的水分。第三是化學–物理輸入法，即同時采用化學和物理兩種類型的吸收劑。各自的代表性溶劑分別為二異丙醇胺和環(huán)丁砜。第四是濕式氧化法，具體的操作方法多達百余種。代表性方法包括整合鐵法、PDS 法。此種方法的特點是脫硫效率高、無二次污染、操作時可置于常溫狀態(tài)下、脫硫劑可再生，所需成本較低。第五是干法，即通過固體材料脫除酸性組分，代表性方法為氧化鐵、分子篩等。干法主要應用于精細脫硫中，脫硫劑的更換頻率較高，并且采用錳礦法等方法的過程中脫硫飽和后必須直接廢棄脫硫劑，不僅增加了脫硫成本，同時也會污染環(huán)境，因此應盡可能選擇其他方法。干法中的分子篩法性能突出，對硫化氫具有化學親和力，脫除硫化氫的同時也可去除硫化碳等含硫物質(zhì)[3]，目前分子篩裝置的應用范圍在逐步擴大。

3.工藝流程

經(jīng)重力和過濾兩種類型的分離器處理后的天然氣可分離出液體和固體雜質(zhì)，然后進入脫硫塔底，與MDEA 貧液接觸，在此過程中可脫除硫化氫和二氧化碳，從塔底排出的濕凈化器分離出MDEA 液滴，而后進入脫水單元。

（二）脫水單元

1.脫水意義

第一，進輸氣管道中的天然氣在冷卻后會析出水和凝析液體，與天然氣一起流動，聚集在管線位置相對較低的地方，導致阻力增大，達到一定程度時會因流動慣性損壞液體捕集器。第二，液體的存在會影響管線的輸送能力。第三，水和其他液體成分會與酸性物質(zhì)反應并生成腐濁液，進而腐蝕管道內(nèi)壁，影響管道的使用性能，增大了爆管的可能性[4]。第四，管道中的水容易與其他物質(zhì)形成水合物，嚴重堵塞管道，導致生產(chǎn)活動無法正常開展，因此對天然氣進行脫水處理是十分必要的。

2.脫水方法

2.1三甘醇脫水法

2.1.1三甘醇脫水特點

三甘醇，相對分子量150.2，冰點-7.2℃，沸點285.5℃，理論熱分解溫度206.7℃，粘度47.8×10-3Pa？s。特點在于吸水性強、高溫時易再生，可降低天然氣中水分的含量，主要起脫水劑的作用。三甘醇吸水后變?yōu)楦灰?，而后進入重沸器中，在高溫環(huán)境的影響下蒸發(fā)水分，經(jīng)干氣汽提處理后獲得濃度較高的貧液，可循環(huán)利用。此種脫水工藝主要具有以下幾個方面的特點。第一，工藝流程十分簡單、損失小，回報率高、熱穩(wěn)定性能突出。第二，泵口的貧液冷卻后可改善循環(huán)泵的性能，并且有助于降低產(chǎn)品溫度，可避免管輸能力受到影響。第三，設置于管線上的過濾器能夠清除污垢雜質(zhì)并降解產(chǎn)物，促使溶液的清潔度達標，對于實現(xiàn)裝置的長期運行具有重要作用。第四，無需為三甘醇專門配置中壓蒸汽系統(tǒng)，可簡化操作流程，降低脫水難度。

2.1.2脫水工藝流程

脫水時采用的主要設備包括脫水塔、過濾器及循環(huán)泵等。第一是天然氣流程，濕凈化氣進入塔底并與三甘醇貧液接觸，脫除水分，產(chǎn)品從塔頂排出后分離出三甘醇并進入配氣區(qū)。第二是三甘醇循環(huán)流程。塔底留出的富液溫度升高后通入閃蒸罐中并分離出烴類物質(zhì)，過濾后流入換液罐中，溫度達標后進入重沸器中，此時富液部分水分蒸發(fā)并離開系統(tǒng)。再生的甘醇貧液與富液換熱，而后進入吸收塔中。

2.2冷卻脫水

冷卻脫水主要適用于大量水分的粗分離，脫水條件是溫度增加、氣溫降低。天然氣屬于混合物，構成極其復雜，不同的成分液化溫度差異較大，但相對來說，水具有易液化的特點，因此可通過降溫并加壓的方式加以處理，這樣便能使水分冷凝析出，同時也能降低水的露點，避免因溫度過低導致水分凝結或產(chǎn)生水合物。進口部位的氣體壓力較高，因此需要進行節(jié)流降壓處理，直至達到管輸氣的壓力要求，在降壓的同時也會降低天然氣的溫度，在這種狀況下如果水分含量過高，節(jié)流后便會有水析出[5]。如果天然氣壓力較低，脫水時可進行制冷處理，在具體操作的過程中需要壓縮天然氣，升高溫度并增大壓強，而后冷卻并作節(jié)流處理，這樣就能使溫度降至露點以下，順利吸出水分，達到脫水的目的。另外，重烴與水的處理條件類似，因此在脫除水分的同時也脫除部分重烴。

2.3吸附脫水

吸附脫水法最大的優(yōu)勢在于能夠提供低露點，并且不會腐蝕，也不會形成泡沫，其在少量氣體的脫水處理中較為適用。此種方法最大的缺陷在于成本較高，并且吸附劑易中毒，再生熱量需求大，因此在處理時只能針對小流量氣體，在脫水高壓氣體時盡量選擇三甘醇吸收法。

在吸附過程中能夠?qū)⑻烊粴庵行枰獌艋慕M分吸附于固體表面，吸附能力取決于固體的表面力。在具體吸附的過程中可分為物理和化學兩種不同類型的吸附方式。首先是物理吸附，分子間的吸引是由范德華力所造成的，此種方法的特點在于吸附速度較快。脫附指的是在升溫或降壓的過程中能夠快速從固體表面釋放出吸附氣體，但又不會改變其性質(zhì)[6]。因此物理處理法具有可逆性，在工業(yè)領域就可借助這一特點改變操作條件，促使吸附劑再生，實現(xiàn)循環(huán)利用。其次是化學吸附，其能夠?qū)崿F(xiàn)電子的轉(zhuǎn)移及重新排布，可形成化合物，此種方法具有選擇性，吸附速度較慢且不可逆，并且需要在高溫狀態(tài)下釋放出吸附分子，此時氣體已經(jīng)發(fā)生化學反應，性質(zhì)已經(jīng)產(chǎn)生變化。此外，為了加快吸附速度，必須進行升溫處理。

這兩種方法可同時使用，即在低溫和高溫狀態(tài)下分別選擇物理和化學吸附法，但結合實際操作的情況來看，物理吸附法應用較多。

（三）硫磺回收單元

硫磺回收裝置環(huán)保性能突出，可將酸氣轉(zhuǎn)化為硫磺，尾氣焚燒后排入大氣中。在處理過程中所用到的裝置包括硫磺倉庫及硫回收單元等，可選擇林德公司的Clinsulf-D進行氧化處理。

1.Clinsulf-D工藝原理

林德公司是Clinsulf-D工藝的開發(fā)地，通過反應器，Clinsulf-D可將硫化氫轉(zhuǎn)變?yōu)閱钨|(zhì)硫，在應用該工藝的過程中酸性氣體的流量應高于每小時500立方米，低于每小時50000立方米，允許范圍較廣，并且工藝對硫化氫濃度的要求僅限于上限，因此整個操作過程靈活性較強且彈性較大。通常情況下硫化氫的濃度最低為1%，最高應不超過20%，這是普通的裝置無法達到的要求。Clinsulf-D工藝可促使硫化氫與氧氣發(fā)生反應，最終生成硫磺。反應原理如下所示。

S+3/2 ===== + O

S =====3/X + O

2.工藝流程

將空氣和硫化氫的比例為0.42的酸氣預熱升溫至200℃，在催化劑的作用下發(fā)生放熱反應，轉(zhuǎn)換為單質(zhì)硫，反應場所為反應器。常溫為292.1℃，該溫度會隨硫化氫的含量而發(fā)生變化。處理后的硫蒸氣轉(zhuǎn)化為液態(tài)硫并輸送至固化冷凝器中，而后滴落在旋轉(zhuǎn)鋼帶上，經(jīng)冷卻后固化為顆粒并儲存在料斗中。顆粒狀硫磺的包裝采取自動化加工方式，最終的儲存場所是硫磺倉庫[7]。尾氣經(jīng)焚燒后可直接排放。

（四）酸氣焚燒單元

酸氣焚燒單元的作用在于將脫除的酸氣以焚燒的方式處理地更加徹底，在具體操作的過程中可將硫化氫轉(zhuǎn)化為二氧化硫。

1.工藝流程

經(jīng)脫硫和硫磺處理后必然會產(chǎn)生尾氣，進入焚燒單元后在焚燒爐內(nèi)燃燒，在此過程中可氧化尾氣中的硫化氫和硫，排出的氣體包括二氧化硫和高溫煙氣，兩者分別排至大氣和煙囪中。為了確保整個操作過程中足夠安全，必須在進口處安裝阻火器。此外，通常情況下爐膛溫度控制在600攝氏度最為合適，可采取間接控制的方式，即調(diào)節(jié)燃料壓力[8]。

2.正常操作參數(shù)

酸氣進氣時的溫度和壓強分別為45攝氏度和0.03MPa ，爐膛和爐頭的溫度應介于550～600攝氏度之間，而不能偏離這一范圍，如果溫度過高則會損壞耐火層，過低時則會導致硫化氫無法充分燃燒。爐膛操作過程中必須確保其呈負微壓狀態(tài)，煙道溫度控制在450～500攝氏度之間最為合適，目的在于促使單質(zhì)硫能夠繼續(xù)燃燒，否則就會導致煙道被堵塞。為了確保灼燒溫度符合處理要求，必須觀察酸氣量的變化特點，進而以此為依據(jù)確定如何調(diào)整燃料氣量。在爐膛溫度高于規(guī)定值時可加入適量空氣，具體操作方式是調(diào)節(jié)裝置尾部的蝶閥，這樣便能使溫度回到正常狀態(tài)。

四、技術優(yōu)化

在處理天然氣時還應考慮成本和效益，簡化工藝流程，提高處理效率。具體來說，需要在以下幾個方面進行技術優(yōu)化。首先是液氨吸收技術，、必須合理設計塔板間距，避免液氨冒出氣泡[9]；科學計算浮閥數(shù)量，有效保障處理質(zhì)量；可設計多個貧液進口，促使硫化氫的凈化量能夠進一步得到提升；選擇性能較好的浮閥塔，并在底部鋪設填料，這樣就能確保塔底不會出現(xiàn)漩渦。其次是吸收塔和再生塔，需要合理設計這兩種裝置的結構，提高其運行效率，并根據(jù)天然氣各組分的含量選擇相適應的控制量。再生塔底部應安裝壓力平衡系統(tǒng)，這樣能夠避免產(chǎn)生真空，確保凈化工藝的處理質(zhì)量。為了保護塔底的塔盤，必須安裝調(diào)節(jié)閥，這樣也可降低凈化成本。最后，為了使凈化效率能夠持續(xù)得到提升，研究新的技術措施是十分必要的。具體來說，主要包括以下幾個方面。第一，通過非平衡法脫除碳和硫，需要優(yōu)化設備結構，實現(xiàn)設備的安全運行。第二，邊遠井的處理難度較高，因此可選擇固體、單井、氧化還原脫硫技術加以處理，這樣可控制凈化成本。第三，持續(xù)研究膜分離技術，優(yōu)化膜元件及材料，進而通過膜界面的滲透性實現(xiàn)天然氣組分的分離，其優(yōu)勢在于無腐蝕，無需存儲溶液，可降低分離成本。第四是微生物脫硫技術，此種方法的優(yōu)勢在于微生物獲取難度低，廢棄物排放量少，凈化效果十分顯著[10]。第五是分子篩技術，即根據(jù)天然氣中水的具體含量選擇合適的技術，并且需要重點研究抗酸性技術，這樣能夠在脫硫前實現(xiàn)脫水處理。

五、結語

總而言之，通過技術優(yōu)化能夠?qū)崿F(xiàn)天然氣有害組分的高效處理，由于目前信息技術較為發(fā)達，因此在優(yōu)化時可安裝數(shù)字化管理系統(tǒng)，對整個處理過程進行監(jiān)督與管理，提高凈化指標，節(jié)約成本，促使酸氣及水分等物質(zhì)的脫除更加徹底，獲得用戶需要的成分，并且處理后的天然氣不具有腐蝕作用，可延長設備的使用期限，進而幫助企業(yè)獲得更高的經(jīng)濟效益。

參考文獻：

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