天然气净化处理技术措施优化

陈清涛

摘 要：天然气中所含杂质较多，在影响储运工作的同时还会损坏管道，因此当前净化处理已经成为了企业生产过程中不可或缺的一道工序，这样才能确保达到天然气外输的要求，以免导致产品质量无法达标并破坏环境。处理时的要点在于脱硫、脱水。可采用三甘醇等多种工艺，但为了进一步提高净化效率，还需要不断进行技术措施的优化处理，并研究新的技术，本文就对此问题进行了详细探讨。

关键词：天然气净化；技术优化；硫磺回收

引言：

为了达到天然气的净化指标，满足天然气用户的需求，脱除有害组分是十分必要的。在处理时需要配置分离器、过滤器等多种性能较好的设备，并了解各类处理方法的特点及操作流程，严格按照相关要求进行处理，确保各类工艺都能够充分发挥其作用，促使天然气的净化效果更好。本文就对此问题进行了具体分析。

一、概述

未经处理的天然气含有固体杂质及有害物质，包括砂、铁锈、硫化物等，砂和铁锈会磨损设备，积聚过量时还会影响输气。天然气中的水分会增加输气阻力，并形成水膜，遇酸后形成酸性水溶液，严重腐蚀管壁，进而破坏管道，并且会与其他组分生成雪状水合物。此外，天然气中硫含量较高，以硫化氢为主，味道刺鼻，会破坏人的呼吸系统，含量过高时会导致人体中毒[1]。此外，硫化氢和二氧化碳具有腐蚀作用，如果未经处理，直接作为化学原料则会影响催化剂的性能，产生有毒物质，影响生产活动及产品质量。但硫化氢、水分、二氧化碳等物质均有其各自可利用的途径，如制造化肥、干冰等，因此需要进行天然气的净化处理，去除有害组分，既可保护环境，也能实现资源的高效利用。

二、商品天然气质量要求

商品天然气质量要求较高，主要技术指标包括以下几个方面。第一是最小热值，确定该指标的目的是为了给天然气用户提供便利，帮助其选择合适的加热设备。处理的重点在于天然气中氮气和二氧化碳的含量不能过高，这些气体均属于不可燃类型。第二是含硫量，硫具有腐蚀性，会影响人的身体健康，严重时还会危及人的生命安全，因此必须将硫化氢的含量控制在6～24mg/Sm3。第三是烃露点，即规定压力下液烃的析出温度，与气体的组分有关。第四是水露点，指水蒸汽凝结出水的温度，需要根据具体的加工要求进行合理控制。

三、净化处理工艺技术

（一）脱硫单元

1.脱硫意义

天然气中所含的酸性物质包括硫化氢和二氧化碳，硫化氢遇水会腐蚀金属，散发臭鸡蛋味且毒性较强。二氧化碳不可燃，导致天然气的热值及管输效率受到影响。空气中硫化氢含量过高时会危及人的生命安全，并且会导致钢材氢脆，最终导致阀板脱落[2]。人体在有机硫中毒时轻则呕吐，重则心肌衰竭。因此对天然气进行脱硫处理是十分必要的，处理后可回收资源，加工成硫产品，用于农业及工业领域的生产活动中。分离出的二氧化碳可用于干冰的制备，对于提高原油采收率也具有一定的作用。

2.脱硫、脱碳方法

去除天然气中酸性气体的方法较多，包括以下几种。第一是冷甲醇法，吸收剂为甲醇，操作时置于零下50摄氏度的低温环境中，原因在于低温环境下的甲醇能够高度溶解二氧化碳和硫化氢，脱除有机硫化物。第二是聚乙二醇二甲醚法。此类溶剂吸水性能及脱水效果较好，在去除二氧化碳和硫化氢的同时也能脱除天然气中的水分。第三是化学–物理输入法，即同时采用化学和物理两种类型的吸收剂。各自的代表性溶剂分别为二异丙醇胺和环丁砜。第四是湿式氧化法，具体的操作方法多达百余种。代表性方法包括整合铁法、PDS 法。此种方法的特点是脱硫效率高、无二次污染、操作时可置于常温状态下、脱硫剂可再生，所需成本较低。第五是干法，即通过固体材料脱除酸性组分，代表性方法为氧化铁、分子筛等。干法主要应用于精细脱硫中，脱硫剂的更换频率较高，并且采用锰矿法等方法的过程中脱硫饱和后必须直接废弃脱硫剂，不仅增加了脱硫成本，同时也会污染环境，因此应尽可能选择其他方法。干法中的分子筛法性能突出，对硫化氢具有化学亲和力，脱除硫化氢的同时也可去除硫化碳等含硫物质[3]，目前分子筛装置的应用范围在逐步扩大。

3.工艺流程

经重力和过滤两种类型的分离器处理后的天然气可分离出液体和固体杂质，然后进入脱硫塔底，与MDEA 贫液接触，在此过程中可脱除硫化氢和二氧化碳，从塔底排出的湿净化器分离出MDEA 液滴，而后进入脱水单元。

（二）脱水单元

1.脱水意义

第一，进输气管道中的天然气在冷却后会析出水和凝析液体，与天然气一起流动，聚集在管线位置相对较低的地方，导致阻力增大，达到一定程度时会因流动惯性损坏液体捕集器。第二，液体的存在会影响管线的输送能力。第三，水和其他液体成分会与酸性物质反应并生成腐浊液，进而腐蚀管道内壁，影响管道的使用性能，增大了爆管的可能性[4]。第四，管道中的水容易与其他物质形成水合物，严重堵塞管道，导致生产活动无法正常开展，因此对天然气进行脱水处理是十分必要的。

2.脱水方法

2.1三甘醇脱水法

2.1.1三甘醇脱水特点

三甘醇，相对分子量150.2，冰点-7.2℃，沸点285.5℃，理论热分解温度206.7℃，粘度47.8×10-3Pa？s。特点在于吸水性强、高温时易再生，可降低天然气中水分的含量，主要起脱水剂的作用。三甘醇吸水后变为富液，而后进入重沸器中，在高温环境的影响下蒸发水分，经干气汽提处理后获得浓度较高的贫液，可循环利用。此种脱水工艺主要具有以下几个方面的特点。第一，工艺流程十分简单、损失小，回报率高、热稳定性能突出。第二，泵口的贫液冷却后可改善循环泵的性能，并且有助于降低产品温度，可避免管输能力受到影响。第三，设置于管线上的過滤器能够清除污垢杂质并降解产物，促使溶液的清洁度达标，对于实现装置的长期运行具有重要作用。第四，无需为三甘醇专门配置中压蒸汽系统，可简化操作流程，降低脱水难度。

2.1.2脱水工艺流程

脱水时采用的主要设备包括脱水塔、过滤器及循环泵等。第一是天然气流程，湿净化气进入塔底并与三甘醇贫液接触，脱除水分，产品从塔顶排出后分离出三甘醇并进入配气区。第二是三甘醇循环流程。塔底留出的富液温度升高后通入闪蒸罐中并分离出烃类物质，过滤后流入换液罐中，温度达标后进入重沸器中，此时富液部分水分蒸发并离开系统。再生的甘醇贫液与富液换热，而后进入吸收塔中。

2.2冷却脱水

冷却脱水主要适用于大量水分的粗分离，脱水条件是温度增加、气温降低。天然气属于混合物，构成极其复杂，不同的成分液化温度差异较大，但相对来说，水具有易液化的特点，因此可通过降温并加压的方式加以处理，这样便能使水分冷凝析出，同时也能降低水的露点，避免因温度过低导致水分凝结或产生水合物。进口部位的气体压力较高，因此需要进行节流降压处理，直至达到管输气的压力要求，在降压的同时也会降低天然气的温度，在这种状况下如果水分含量过高，节流后便会有水析出[5]。如果天然气压力较低，脱水时可进行制冷处理，在具体操作的过程中需要压缩天然气，升高温度并增大压强，而后冷却并作节流处理，这样就能使温度降至露点以下，顺利吸出水分，达到脱水的目的。另外，重烃与水的处理条件类似，因此在脱除水分的同时也脱除部分重烃。

2.3吸附脱水

吸附脱水法最大的优势在于能够提供低露点，并且不会腐蚀，也不会形成泡沫，其在少量气体的脱水处理中较为适用。此种方法最大的缺陷在于成本较高，并且吸附剂易中毒，再生热量需求大，因此在处理时只能针对小流量气体，在脱水高压气体时尽量选择三甘醇吸收法。

在吸附过程中能够将天然气中需要净化的组分吸附于固体表面，吸附能力取决于固体的表面力。在具体吸附的过程中可分为物理和化学两种不同类型的吸附方式。首先是物理吸附，分子间的吸引是由范德华力所造成的，此种方法的特点在于吸附速度较快。脱附指的是在升温或降压的过程中能够快速从固体表面释放出吸附气体，但又不会改变其性质[6]。因此物理处理法具有可逆性，在工业领域就可借助这一特点改变操作条件，促使吸附剂再生，实现循环利用。其次是化学吸附，其能够实现电子的转移及重新排布，可形成化合物，此种方法具有选择性，吸附速度较慢且不可逆，并且需要在高温状态下释放出吸附分子，此时气体已经发生化学反应，性质已经产生变化。此外，为了加快吸附速度，必须进行升温处理。

这两种方法可同时使用，即在低温和高温状态下分别选择物理和化学吸附法，但结合实际操作的情况来看，物理吸附法应用较多。

（三）硫磺回收单元

硫磺回收装置环保性能突出，可将酸气转化为硫磺，尾气焚烧后排入大气中。在处理过程中所用到的装置包括硫磺仓库及硫回收单元等，可选择林德公司的Clinsulf-D进行氧化处理。

1.Clinsulf-D工艺原理

林德公司是Clinsulf-D工艺的开发地，通过反应器，Clinsulf-D可将硫化氢转变为单质硫，在应用该工艺的过程中酸性气体的流量应高于每小时500立方米，低于每小时50000立方米，允许范围较广，并且工艺对硫化氢浓度的要求仅限于上限，因此整个操作过程灵活性较强且弹性较大。通常情况下硫化氢的浓度最低为1%，最高应不超过20%，这是普通的装置无法达到的要求。Clinsulf-D工艺可促使硫化氢与氧气发生反应，最终生成硫磺。反应原理如下所示。

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

S =====3/X + O

2.工艺流程

将空气和硫化氢的比例为0.42的酸气预热升温至200℃，在催化剂的作用下发生放热反应，转换为单质硫，反应场所为反应器。常温为292.1℃，该温度会随硫化氢的含量而发生变化。处理后的硫蒸气转化为液态硫并输送至固化冷凝器中，而后滴落在旋转钢带上，经冷却后固化为颗粒并储存在料斗中。颗粒状硫磺的包装采取自动化加工方式，最终的储存场所是硫磺仓库[7]。尾气经焚烧后可直接排放。

（四）酸气焚烧单元

酸气焚烧单元的作用在于将脱除的酸气以焚烧的方式处理地更加彻底，在具体操作的过程中可将硫化氢转化为二氧化硫。

1.工艺流程

经脱硫和硫磺处理后必然会产生尾气，进入焚烧单元后在焚烧炉内燃烧，在此过程中可氧化尾气中的硫化氢和硫，排出的气体包括二氧化硫和高温烟气，两者分别排至大气和烟囱中。为了确保整个操作过程中足够安全，必须在进口处安装阻火器。此外，通常情况下炉膛温度控制在600摄氏度最为合适，可采取间接控制的方式，即调节燃料压力[8]。

2.正常操作参数

酸气进气时的温度和压强分别为45摄氏度和0.03MPa ，炉膛和炉头的温度应介于550～600摄氏度之间，而不能偏离这一范围，如果温度过高则会损坏耐火层，过低时则会导致硫化氢无法充分燃烧。炉膛操作过程中必须确保其呈负微压状态，烟道温度控制在450～500摄氏度之间最为合适，目的在于促使单质硫能够继续燃烧，否则就会导致烟道被堵塞。为了确保灼烧温度符合处理要求，必须观察酸气量的变化特点，进而以此为依据确定如何调整燃料气量。在炉膛温度高于规定值时可加入适量空气，具体操作方式是调节装置尾部的蝶阀，这样便能使温度回到正常状态。

四、技术优化

在处理天然气时还应考虑成本和效益，简化工艺流程，提高处理效率。具体来说，需要在以下几个方面进行技术优化。首先是液氨吸收技术，、必须合理设计塔板间距，避免液氨冒出气泡[9]；科学计算浮阀数量，有效保障处理质量；可设计多个贫液进口，促使硫化氢的净化量能够进一步得到提升；选择性能较好的浮阀塔，并在底部铺设填料，这样就能确保塔底不会出现漩涡。其次是吸收塔和再生塔，需要合理设计这两种装置的结构，提高其运行效率，并根据天然气各组分的含量选择相适应的控制量。再生塔底部应安装压力平衡系统，这样能够避免产生真空，确保净化工艺的处理质量。为了保护塔底的塔盘，必须安装调节阀，这样也可降低净化成本。最后，为了使净化效率能够持续得到提升，研究新的技术措施是十分必要的。具体来说，主要包括以下几个方面。第一，通过非平衡法脱除碳和硫，需要优化设备结构，实现设备的安全运行。第二，边远井的处理难度较高，因此可选择固体、单井、氧化还原脱硫技术加以处理，这样可控制净化成本。第三，持续研究膜分离技术，优化膜元件及材料，进而通过膜界面的渗透性实现天然气组分的分离，其优势在于无腐蚀，无需存储溶液，可降低分离成本。第四是微生物脱硫技术，此种方法的优势在于微生物获取难度低，废弃物排放量少，净化效果十分显著[10]。第五是分子筛技术，即根据天然气中水的具体含量选择合适的技术，并且需要重点研究抗酸性技术，这样能够在脱硫前实现脱水处理。

五、结语

总而言之，通过技术优化能够实现天然气有害组分的高效处理，由于目前信息技术较为发达，因此在优化时可安装数字化管理系统，对整个处理过程进行监督与管理，提高净化指标，节约成本，促使酸气及水分等物质的脱除更加彻底，获得用户需要的成分，并且处理后的天然气不具有腐蚀作用，可延长设备的使用期限，进而帮助企业获得更高的经济效益。

参考文献：

[1]张昆，王娜，贾腾，黄雪萍.天然气处理厂天然气净化工艺技术优化[J].化学工程与装备，2017，（2）：102-103.

[2]田涛，王北星.能量系统优化技术在高含硫天然气净化中的应用研究[J].中外能源，2015，20（4）：96-101.

[3]冀承坤.天然气净化工艺能耗评价及节能研究[D].东北石油大学，2017.

[4]张守鑫.普光天然气净化厂工艺及能流分配优化研究[D].中国石油大学（华东），2015.

[5]胡景梅.高含硫天然气净化厂低负荷节能技术研究[D].西南石油大学，2017.

[6]何金龙，熊钢.川渝气田天然气净化技术的进步与发展方向[J].石油与天然气化工，2014，（11）：112-120.

[7]张晓刚.普光气田高含硫天然气净化装置能耗分析与优化[D].北京化工大学，2015.

[8]朱远星.高含硫天然气净化厂气体检测仪优化设置方法研究[D].西南石油大学，2015.

[9]宋文中.重慶天然气净化厂检修管理优化研究[D].中国石油大学，2014.

[10]杨成章，羊林，常有青.天然气净化工艺设计要点及优化分析[J].云南化工，2018，45（3）：117-119.