一种天然气脱硫撬装装置设计

杨伦，彭善碧，杨梓因，蓝秀芸，蒙攀，周俊岑，黄莉

（西南石油大学，四川 成都 610500）

H2S在天然气、焦炉煤气和半水煤气等工业气体中是一种有害杂质，它的存在不仅会引起设备和管路腐蚀、催化剂中毒，而且其毒性严重威胁人身安全，属于必须消除或控制的环境污染物之一，我国规定H2S的排放质量浓度不得大于0.01 mg·m-3，所以H2S的去除特别是低浓度的H2S的去除是急需解决的问题[1]。

目前，脱除H2S的方法有多种，主要分为干法和湿法。其在天然气发展过程中作出了很大贡献，但存在环境污染、初投资大，运行费用较高等缺点，使得在更广范围内普及使用变得困难。近年发展起来的微生物脱硫具有净化水平高、流程简单、污染少、能耗低等特点，能有效缓解硫排放引发的环境问题[2-4]，很容易适应未来脱硫技术的需要和环保要求。欧洲国家、美国、日本等发达国家纷纷开展了生物脱硫技术的研究，重点开发生物脱硫工艺技术与相关配套设备，积累了丰富的实验与现场工程应用经验，成立了完善的生物脱硫研发团体和应用推广公司，使生物脱硫技术得到了快速的发展[5-6]。但目前微生物脱硫工艺在油气生产领域还未形成大规模的应用，天然气微生物脱硫工艺也还存在一些亟待解决的问题，如生物脱硫反应速率低、硫酸盐累积、生物硫磺的后续处理等。在国内外大力提倡保护环境和日益严格环保排放要求的趋势下，天然气微生物脱硫作为一种新的燃气净化手段，其低能耗、无二次污染、减少污染物的排放等优势进一步凸显，具有广阔的发展空间和良好的应用前景[7-10]。

针对上述问题，本文提出一种新型天然气脱硫撬装装置，以脱除H2S为对象，通过高锰酸钾改性活性炭氧化和微生物脱硫的方法，满足更加高效的脱硫净化技术与工艺的需要及环保的要求。此外，本装置结合撬装设计理念，使装置结构紧凑，占地面积小，节约环境空间，便于安装与迁移，且可实现自动化控制，减少人力资源的浪费，降低人员成本。

1 装置结构及流程

1.1 装置结构

天然气脱硫撬装装置（见图1）。

图1 脱硫装置结构示意图

包括通过法兰连接的第一脱硫筒和第二脱硫筒，连接后的第一脱硫筒和第二脱硫筒筒内从左往右依次设有活性炭脱硫装置、生物膜脱硫装置和选择透过性膜脱硫装置；改性活性炭脱硫装置下方设有第一活性炭板，且第一活性炭板嵌在第一脱硫筒的内壁上，生物膜脱硫装置的下方设有第二活性炭板，且第二活性炭板嵌在第二脱硫筒的内壁上，第一脱硫筒和第二脱硫筒均放置在撬板上。

1.2 脱硫流程

脱硫流程示意图见图2。

图2 脱硫流程示意图

边缘气井天然气中，H2S经活性炭脱硫装置氧化，剩余的H2S被生物膜脱硫装置氧化，氧化后的硫单质掉落并被活性炭板吸附，到达选择透过性膜脱硫装置的H2S被阻止通过，使其充分与细菌反应，净化后的天然气进行外输。

2 脱硫原理及特点

2.1 脱硫原理

该装置主要采用了“三位一体”和撬装设计原理，通过改性活性炭物理吸附和化学氧化、生物膜上微生物的氧化、选择透过性膜过滤共同作用脱除H2S。脱硫过程主要在第一脱硫筒与第二脱硫筒中进行。在第一脱硫筒的进口和第二脱硫筒的出口分别采用了渐扩和渐缩的设计，既能让天然气顺利地通过脱硫部件，又能因管径的变大，而使天然气在装置里的流速慢于在连接管道里的流速，使H2S有更充足的时间与改性活性炭及氧化亚铁硫杆菌[12]发生反应，同时使装置中第一脱硫筒和第二脱硫筒脱硫效率有所提高。

第一脱硫筒为活性炭脱硫装置，其利用K2MnO4浸渍活性炭，对活性炭进行改性，显著增强活性炭的催化活性和吸附性能，改善了反应条件、活性炭表面官能团种类、酸碱性等化学性质和物理结构，且K2MnO4是强氧化性物质，在无氧条件下能将H2S氧化为单质硫[11]，被氧化而成的硫单质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。

第二脱硫筒包括生物膜脱硫装置和选择透过性膜脱硫装置，生物膜为氧化亚铁硫杆菌生物膜，为氧化亚铁硫杆菌提供活动场所，使氧化亚铁硫杆菌在生物膜6上形成菌膜一体结构，使反应速率大幅度增加，且生物膜具有酸性亲和性，对H2S具有一定的吸附能力，为氧化亚铁硫杆菌与H2S的反应提供充足的条件与时间。氧化亚铁硫杆菌，能够通过氧化酸性环境中的Fe2+获得维持其生长的能量，其产生的Fe3+是活性较强的氧化剂，进而可以参与到H2S的脱除中[12]。利用氧化亚铁硫杆菌的Fe3+再生能力脱除H2S，使H2S和CO2转化为碳水化合物和单质硫。经过改性活性炭层后，天然气中剩余的H2S被附着在生物膜上的细菌氧化，氧化后的硫单质由于重力作用掉落并被活性炭吸附，实现连续化生产。此外，细菌将其氧化为硫单质，避免中间转化过程，实现资源二次利用，提高经济效益。而选择透过性膜能够阻断H2S 继续向后通过，为细菌的反应提供充足的时间，使细菌与H2S最大限度发生反应，达到最高的脱硫效率。

2.2 装置特点

2.2.1 “三位一体”的运用细菌载体的创新

该装置利用“三位一体”的结合，“三位一体”即高锰酸钾改性活性炭、具有酸性亲和力的生物膜以及选择透过性膜，通过改性活性炭物理吸附和化学氧化、生物膜上微生物的氧化、选择透过性膜过滤的共同作用。选择透过性膜脱硫装置利用H2S与天然气分子直径的不同，阻止H2S气体的通过，为细菌与H2S的反应提供充足的时间，加强脱硫效果，促使得到高纯度的天然气，提高H2S 脱除率和天然气的利用率，降低了能源消耗。

2.2.2 细菌载体的创新

其次，该装置在脱硫工艺上将生物膜与细菌相结合，所采用的细菌为自养氧化亚铁硫杆菌[13-14]，不必额外提供养分，节约前期投资成本。此外，将生物膜作为氧化亚铁硫杆菌的一个活动场所，使细菌固化在生物膜上形成菌膜一体，大幅度提高氧化亚铁硫杆菌的反应速率，达到适应生产的需求。

2.2.3 撬装设计的结合

将撬装流程的设计概念运用其中，相比于传统净化工艺流程，此净化流程将各个净化部分有效结合，装置设计紧凑，占地面积小，提高了环境空间的利用率，且便于安装与迁移。

2.2.4 最大限度回收硫单质

活性炭脱硫装置和氧化亚铁硫杆菌均能将H2S直接氧化成单质硫，活性炭承接板位于活性炭脱硫装置和生物膜脱硫装置下方，用于承接被改性活性炭和细菌作用生成的硫单质，实现硫单质的回收利用，提高经济效益，促进循环再利用。

3 装置的安装及拆卸

3.1 活性炭脱硫装置的拆装

活性炭脱硫装置包括与第一脱硫筒内壁螺纹连接的筒体8、第一活性炭板1和改性活性炭盘2。

筒体8的外表面设有外螺纹，第一脱硫筒11上设有相匹配的内螺纹，筒体8通过螺纹与第一脱硫筒11连接，并嵌入在第一脱硫筒11的内壁上，筒体8的内壁与第一脱硫筒11的内壁表面齐平，这样可以有效减少H2S气体对连接处的腐蚀作用。

第一活性炭板1、第二活性炭板4均由活性炭固化而成，并分别嵌在筒体8内壁和第二脱硫筒12筒内壁上，筒体8内壁和第二脱硫筒12内壁上设有第一活性炭板1、第二活性炭板4嵌入的凹槽，这样可以有效减少析出的硫单质对筒壁的腐蚀作用。改性活性炭盘2是利用K2MnO4浸渍活性炭并进行改性固化制成圆盘，沿筒体8径向设置并位于第一活性炭板1上，改性活性炭盘2的外侧嵌在筒体8的内壁上,筒体8的内壁上径向设有凹槽或者螺纹（改性活性炭盘2的外侧设置相匹配的螺纹）。改性活性炭盘2可根据处理H2S的量设置1至4个，为防止到达生物膜6的H2S气体浓度过高导致生物膜6上氧化亚铁硫杆菌的死亡，改性活性炭盘2脱除大部分H2S气体，降低了其浓度。

图3 活性炭脱硫装置的结构示意图

3.2 生物膜脱硫装置的拆装

生物膜脱硫装置包括生物膜6和椭圆环形的生物膜安装盘9，所述生物膜安装盘9沿轴向倾斜地安装在第二脱硫筒12的内壁上，生物膜6铺设在生物膜安装盘9一端的端面上。生物膜安装盘9与第二活性炭板4之间的夹角范围为30°至60°，优选为45°，这样可以最大限度地增加H2S气体与生物膜6的接触面积。

生物膜安装盘9的右端与第二活性炭板4的右端齐平，这样可以保证生物膜6上生成的硫单质不会滴落到第二脱硫筒12的内壁上。此外，生物膜安装盘9上设有螺栓孔13，通过螺栓将生物膜安装盘9固定在第二脱硫筒12内，所述生物膜6铺设在生物膜安装盘9一端的端面上，铺设的方式可以是粘贴、夹设等固定方式，根据H2S气体的流速而定。

图4 生物膜安装盘的结构示意图

3.3 选择透过性膜脱硫装置的拆装

选择透过性膜脱硫装置包括选择透过性膜7和圆环形的选择透过性膜安装盘10，选择透过性膜脱硫装置的作用在于阻断H2S气体继续向后通过，为生物膜6上的氧化亚铁硫杆菌脱除H2S提供充足的时间，使氧化亚铁硫杆菌最大限度地与H2S气体反应，达到最大的脱硫效率。

选择透过性膜安装盘10径向设置在第二脱硫筒12的内壁上，选择透过性膜7铺设在选择透过性膜安装盘10一端的端面上，铺设方式与生物膜6铺设方式相同。选择透过性膜安装盘10卡设在第二脱硫筒12的内壁上（第二脱硫筒12的内壁上径向设置凹槽，选择透过性膜安装盘10卡在凹槽内）或者与第二脱硫筒12的内壁螺纹连接（选择透过性膜安装盘10外表面设置外螺纹，第二脱硫筒12的内壁设置相匹配的内螺纹）。

图5 选择透过性膜安装盘的结构示意图

3.4 装置组装

第一脱硫筒8及第二脱硫筒12分别安装完成后，将其两部分利用法兰进行连接，再整体置于撬板上，完成装置的安装。

此外，上文所述上、下、左、右等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

4 结束语

该新型脱硫装置可通过改性活性炭物理吸附和化学氧化、生物膜上微生物的氧化、选择透过性膜过滤的共同作用，高效脱除H2S 并直接回收硫单质，实现了资源二次利用，提高经济效益。

此装置虽解决了目前天然气生物脱硫领域的一些难题，但也存在一些急需解决的问题。其一，本装置在运用于井口脱硫时，井口的天然气高压与较大的流速会破坏生物膜、使装置脱硫中止；其二，本装置利用了高锰酸钾改性活性炭，未完全杜绝环境污染。因此，为了更好地解决问题与完善本装置，一方面将应用基因工程方法改进生物膜，使固化后的细菌更易于存活，同时提高脱硫菌种耐盐抗压性，使装置可运用于更广泛的条件中；另一方面，利于计算机进行3D辅助设计，优化装置结构、探索更优改性活性炭，达到既可保护环境、又可高效除硫的效果，真正实现零污染、零排放。