高含硫天然气净化厂设计特点

兰 海

（中国石油工程设计有限公司西南分公司，四川成都 610000）

随着时代的快速发展，节能环保已经成为时代的重要主题，而我国在2009年的哥本哈根会议中郑重承诺了节能减排的目标，截止到2020年，已经将二氧化碳排放量降低到2005年的40%～45%，而天然气消费量有所提升，逐渐成为人们日常生活中的重要能源。尽管天然气属于清洁型能源，但其中仍然蕴含一定硫化物，需要在经过脱硫处理以后输送使用，这也就要求高含硫天然气净化厂必须要保证脱硫工艺质量，保证天然气脱硫效果。通过对高含硫天然气净化厂的设计特点与工艺进行详细分析，有助于充分了解其工艺原理，为其优化完善提供参考，具有重要的现实意义。

1 高含硫天然气净化厂的基本特性

与低含硫天然气净化厂相比，高含硫天然气净化厂明显具有以下几方面特性：第一，高低含硫的判断依据是硫化氢含量，高含硫天然气中，硫化氢含量较高，处理难度较大，无法适用于低含硫天然气净化厂；第二，溶液循环量较大，需要处理装置具有较大功率，装置能耗较高；第三，由于硫化氢属于剧毒物质，尤其是高含量的天然气，净化设备必须要具有精度高、材质好、运行稳定且安全的特点，避免在净化期间出现气体泄漏的情况，危害工作人员生命健康安全；第四，酸气含量高，事故放空环境危害性较大；第五，高含量的硫化氢与CO2具有腐蚀性，很有可能会导致高含硫介质设备材质的化学失重腐蚀、硫化物应力开裂（SSC）和氢诱发裂纹（HIC）等；第六，与低含硫天然气相比，高含硫天然气净化难度更高，危险性更大，对设备要求更高；第七，硫黄回收的尾气中，含有大量的硫化物质，因此净化工艺必须要带有尾气处理装置，整体的工艺时间较长。

2 高含硫天然气净化厂设计特点

虽然在国外，有关高含硫天然气净化的研究时间较为久远，但是国内接触这一门科学的时间较短，各项研究均是借鉴国外的研究成果，在保证天然气净化与处理效果的同时，还要注意节能性，减少净化所需要消耗的成本。就目前国内高含硫天然气净化厂的设计情况来看，大致具有以下特点。

2.1 设备质量要求高

在高含硫介质的腐蚀性作用下，所有设备制造、质量都应该达到具体标准以后才能参与工作。在设备制造的过程中，焊接、焊后热处理工作是较为主要的部分，必须要加以控制。首先，焊接完成后，所有焊缝都要通过焊接工艺评定，包括各种焊接类型，以满足强度要求为基础，选择相对较低强度的焊接材料，因焊接产生的点位凸起，也要按照规定要求磨平、打磨，进行着色检查，保证焊接质量。其次，焊后热处理环节，应保证流程规范，先对承压设备、管道焊缝进行热处理，而后开展SSC、HIC试验，通过试验的产品再进行整体性的热处理工作，尤其是焊缝、母材等区域，作为核心硬度控制检测区间，保证设备质量完全达到预期要求。

2.2 安全系统可靠性高

天然气本身就具有易燃易爆性，再加上硫化物自身的毒性，一旦发现气体泄漏事故，就很有可能引发保障事故。因此，高含硫天然气净化厂，除了必备的净化设施，还会配有安全系统用于保护，与各部分装置都有着密切联系，各个部分也会在连锁保护系统的状态下，呈现出安全状态，提升了净化厂设备的安全等级。由于高含硫天然气净化本身危险性较大，危险等级较高，安全系统必须处于正常运行状态，只有这样才能够最大限度上保证工程设备安全。另外，重要事故信号源会经过多重设置，避免无处引发联动，若是情况达到连锁保护系统启动标准，还会实现发出预警警报，使得净化厂的工作人员能够更为及时地掌握危险信息，并采取应急措施，最大限度上降低安全事故发生的可能性。

2.3 厂址选择靠近气田

受到天然气自身特殊性的影响，往往具有运输困难、危险性高等特点，若是厂址距离气田较远，不仅会增加成本，危险性也有所增长。因此，高含硫天然气净化厂必须要选择与天然气田近距离的位置，缩短集输管道。与此同时，为了保证净化厂的安全性，现如今技术已经实现了自动化，能够针对各项装置进行自动化控制，保证了溶液、天然气等的各项精度，硫黄回收部分也装置了主燃烧炉、空气/酸气最佳比率控制（ABC系统），实现了对所有产生废气的最优设计，提高脱硫效率。

2.4 工厂运行具有节能性

由于工厂设备始终处于高效率运行状态，往往会消耗大量能源，这与天然气脱硫处理的本质、发展清洁型能源的目的存在一定矛盾。因此，为了在最大程度上节约能源消耗，净化厂必须要考虑到应用节能措施，减少资源消耗，实现经济价值与生态价值的同步提升。一方面，脱硫装置溶液循环泵，可以借助能量回收透平驱动回收能量，使所有能量都能够重复、有效利用，换热器则是尽可能选择高效率的板式换热器，从机器设备使用方面着手减少能源消耗；另一方面，则是根据净化厂整体平衡、设备负荷等情况，确认高低位热能，充分利用蒸汽驱动其他设备，提高资源有效利用率。

2.5 介质设备材质控制严格

由于高含硫天然气的特性，整个脱硫过程处于高酸、高湿性环境下进行，这也就要求介质设备必须要具有较强的抗腐蚀性，且稳定性较强，尤其是原材料中P、S的含量，都需要经过严格控制，严格按照抗硫化物应力试验、抗氢致开裂试验完成测验，只有在通过以后，才能够将其作为介质设备材料。在此基础上，管线、设备原材料还应该经过超声波的检测，确定所有材料都能够达到规定标准，存在白点、裂纹、气孔等的管线、材料等，应及时更换，禁止使用，避免引起安全事故。

3 高含硫天然气净化厂工艺分析

基于上述分析，高含硫天然气在净化的过程中具有较高的危险性，对装置要求相对较高，这也就要求高含硫天然气净化厂工艺必须成熟，才能够保证净化的安全性。

3.1 MDEA选择性吸收工艺

MDEA是叔碳化合物中的一个重要类型，在遇到硫化氢的瞬间，发生剧烈反应，吸收性能较高。这种物理吸收性能，还能够与CO2产生反应，降低碳反应速度。在高含硫天然气净化中，MDEA应用具有腐蚀性小、能耗低、溶剂不易变质等诸多优势，目前在净化厂内已经得到广泛应用，具有极高的推广价值。就具体装置而言，MDEA装置构成部分包括吸收塔、再生塔、重沸炉、闪蒸炉、换热器、冷凝器等，以及循环泵、分离器和过滤器等。在脱硫工艺流程中，不仅包括了主体设备，同时还有辅助设备参与，共六个部分。其中辅助设施中还安装了闭环排泄系统，包括排液罐和泵，借助这一装置对使用过的溶液加以回收，提高溶液的重复利用率，降低成本支出。

3.2 位阻胺工艺

空间位阻胺中含有的氨分子上，同时还富有氢原子，通常会被数个体积较大的非直链烷基或者其他基团所取代，能够产生空间位置阻隔效应，然后引入氨分子，就可以产生较好的脱硫效果。一般情况下，位阻胺有两种形式，其中吸收效果较好的是加强选吸型，能够脱除较多的硫化氢，CO2脱除相对较少，具有硫化物吸收率高、能耗成本低等诸多优势，净化厂可根据天然气中的具体成分，合理选择工艺形式。

3.3 Morphysorb工艺

Morphysorb工艺的原理，主要是生物吸收作用，属于新型脱硫处理工艺类型，与高含硫天然气净化相适应。在实际应用期间，Morphysorb能够对硫化氢产生较好的吸收作用，具有蒸气压低、热稳定性强、腐蚀性小、脱硫效率高等诸多应用优势，且不会产生过多的能源消耗，溶剂损失也在可控范围内，实现与水同时脱除。一般情况下，该试剂由N-NFM（甲酰吗啉）和N-NAM（乙酰吗啉）配成。

3.4 Sulfinol工艺

这一工艺所使用的溶液Sulfinol，主要是醇胺化学溶剂、环丁砜和水按照一定比例配合而成，性能相对较高，能够满足不同有机酸脱除，应用相对广泛。这种工艺方式具有较强的处理能力，在脱出有机酸以后，不会出现腐蚀、降解的情况，溶液循环量较小，能耗低，最为主要的是不会产生过多成本，具有高经济效益的特点。若是更为细致的划分，这种工艺类型还可以分为Sulfinol-D和Sulfinol-M两种，前者在高含硫天然气净化中较为适用，有助于装置节能。

4 结语

综上所述，随着近几年我国天然气开采量不断增加，高含硫天然气净化工作也受到了较大的重视，为了保证天然气在燃烧以后不会产生硫化物，使用前的脱硫处理是十分必要的。就目前高含硫天然气净化厂的设计来看，主要具有设备质量要求高、安全系统可靠性高、厂址选择靠近气田、工厂运行具有节能性、介质设备材质控制严格等特点，提高了净化厂整体的安全系数。若是从高含硫天然气净化厂工艺进行分析，则常规工艺类型大致包括MDEA选择性吸收工艺、位阻胺工艺、Morphysorb工艺、Sulfinol工艺，通过科学控制来提高净化效果，为社会生产输送无硫天然气，减少空气污染。