天然气预脱硫工艺的优化

2022-05-11石瑞瑞

山西化工 2022年2期

石瑞瑞

（华新燃气集团有限公司，山西太原 030006）

引言

硫危害性较强，不管是开展机械、冶金等工作，还是在化工领域都要进行脱硫处理。通常情况下，化工企业会采用干法脱硫与湿法脱硫两种方法，不过因湿法脱硫能回收硫，所以该方法适用于硫的脱除量较多的情况，而干法脱硫无法回收硫，所以该方法在硫的脱除量少的情况常被应用。在天然气化工领域，如果天然气中仍含有硫，对于后续的工艺也会造成极大的影响，如在生产天然气制甲醇的过程中，天然气中存在硫会引发催化剂中毒，还会造成甲醇的含硫量超标，所以化工企业必须做好天然气的脱硫工作。在工艺实践中，因预脱硫装置脱除的硫量较小，而且硫的回收价值较低，所以净化厂可使用干法脱硫进行工作，而活性炭、氧化铁均为脱硫剂。

1 净化厂的典型工艺流程

如图1 所示，天然气在进入增湿塔系统前因进入空气会使其自身气体含有一定的氧气，经过增湿塔系统后，天气然会进入气液分离罐，之后还会经过预脱硫槽。预脱硫槽中设置有两种脱硫剂，即活性炭与氧化铁，经过这两种脱硫剂脱硫后，天然气中的含硫量会得到最大限度的降低，随后流入洗涤塔，洗去杂质后会进行分液，之后还会通过压缩以及燃料系统等环节。

图1 净化厂预脱硫工艺

如图2 所示，为典型的胺法天然气脱硫工艺，其中，数字1 代表的是重沸器；2 是胺液再生塔；3 是空冷器；4 和7 是分液罐；5 是尾气吸收塔；6 是二级主吸收塔；8 是中间胺液冷却器；9 是一级主吸收塔；10是闪蒸汽吸收塔；11 是闪蒸罐。

图2 典型胺法天然气脱硫工艺

2 具体工艺分析

2.1 工艺所需条件

为了更好的分析，设天然气预脱硫工艺的条件为进气压力在1.6 MPa，进气温度在23 ℃～26 ℃，气量可达86 000 m3/h，气体含硫量是165 mg/m3。其中，有机硫质量浓度是125 mg/m3，而硫化氢为47 mg/m3。

2.2 工艺补水环节

在使用氧化铁开展工艺的过程中，虽然原料需要气相水，但是液相水不得流入床层。在配气站中，因天然气水量低，在进行脱硫剂脱硫处理前需对其进行补水。不过对于补水的含量也要管控，如若补水过多，会使水蒸气对活性炭产生影响，这也会使活性炭吸附脱除有机硫的效率大幅度降低，如若天然气中的水蒸气浓度过多，活性炭所能吸附有机硫的量会很少。此外，因增湿塔无法调节气体饱和度，所以工作人员需采用灵活性强的调节措施。对于天然气水饱和状态下的含水量，主要是受温度和压力的影响，尤其是温度的影响程度较大。如在25 ℃下，水饱和气压为0.004 3 MPa，在38.2 ℃时其蒸气压达到了0.008 6 MPa，这就证明压力相同时，38.2 ℃温度下的天然气在饱和状态时需要的水量是25 ℃的2 倍。虽然天然气的压力有波动变化，但温度要稳定的多，所以天然气的补水量也相对稳定，这也意味着使用水蒸气来补水，其用量也是较为稳定的。在实际工作中只要确定天然气以及水蒸气的流量比例相匹，并利用温压进行校正便可。在此背景下，也可防止受水蒸气流量变化的影响而使工作人员无法选择出合适的调节阀型号，甚至在其管道也会出现凝结水现象。在工艺中补入水蒸气的量很小，依据此次天然气参数进行计算，饱和度在56%左右时水蒸气的补入量大概是75 kg/h，所以净化厂也可使用补入水蒸气来代替增湿塔。

2.3 工艺脱硫槽配备

为了保证脱硫剂的脱硫效果，工作人员需将氧化铁、活性炭的高径比控制在2～3、3～5 范围内，对气体介质速度也要规范在0.03 m/s～0.14 m/s 之间。在开展工艺操作前，依据这些参数工作人员可合理确定脱硫槽的结构参数，即脱硫槽直径需结合活性炭高径比明确，在设备直径明确后，要想保证氧化铁能达到高径比要求，还要提升床层高度，这就需要多装氧化铁[1]。在经过一年的时间，活性炭脱硫剂需要更换，而氧化铁还能接着使用。因为脱硫槽中氧化铁与活性炭是混合安装的，再加上氧化铁脱硫剂在槽上方，要想更换活性炭脱硫剂，工作人员就要将氧化铁卸除，而使用后的氧化铁在遇到空气时会与氧气发生反应，并出现放热、自燃的现象，因此要想将槽内的氧化铁安全取出，工作人员可先对其进行洒水处理，不过这一过程会使取出后的氧化铁不能再装回槽内进行再用，这就会导致氧化铁脱硫剂的大量浪费。而为了避免浪费问题出现并便于工作人员管理，净化厂也可将氧化铁与活性炭分开安装，即在二槽放置氧化铁，实现一开一备，这便不会影响脱硫剂的更换过程，而活性炭也需使用二槽进行放置。通常情况下，每年都需更换脱硫剂，对脱硫槽的规格也要重新计算。如果使用脱硫剂的混装，那么脱硫槽的数量需控制在6 个，至于规格一样的脱硫槽的直径也要控制4.6 m，工作人员需将两层氧化铁放置在槽上方，三层活性炭安装在下方，脱硫槽的高度要在28 m。如若使用分开安装，前两个槽的直径要在4.6 m，需安装三层氧化铁，槽的高度要在17 m左右。后两个槽的直径要在6 m，安装四层活性炭，槽高要控制在33 m，通过这一操作可发现分开安装脱硫剂具有很大的优势。

2.4 工艺水洗除尘系统设置

在实施工艺的过程中，要想保证催化剂中的杂质不会进入下游单元，在原工艺中便借助水洗手段清除气体粉尘。在调整除尘系统时，可直接运用过滤器进行除尘，该方式具备很多优点，如使用的设备少、占地面积小，而且工艺流程较为简单[2]。不过因气量太大，对过滤精度也有要求，就会致使过滤器尺寸过大，花费的价格也会相对较高。

3 经济性分析

结合原工艺可梳理出新流程并进行成本对比。在原工艺中需经过增湿塔、气液分离罐、脱硫槽、洗涤塔、气液分离罐、下游装置这一过程，通过调整可采用水蒸气补水、分开安装脱硫剂并用过滤器进行除尘，而调整后的工艺流程是脱硫槽、烧结金属过滤器、下游装置。由于预脱硫工艺是辅助工艺系统，并未直接生产产品，所以无法对其收益进行计算。不过从其他角度可间接进行经济对比。如根据设备的购置成本进行计算。在原工艺流程中，所以设备的成本费用可达2416 万元，而调整后的设备购置费用总共是1962 万元。通过上述分析可知，经过调整的设备购置费要比原工艺流程少454 万元，其经济性较高。不过对比前后两个流程的详细费用发现，调整后的除尘系统价格不占优势。在原工艺流程中水洗除尘系统的购置费用在154 万元左右，而调整后的除尘系统因尺寸较大，购置费用高达495 万元，要比原工艺流程成本高出341 万元，所以从除尘系统的经济性上看，还是使用原除尘系统较为划算。

4 确定优化方案

经由分析可知，调整之后的工艺流程较为简洁，不论是从工艺角度还是操作、管理角度，都具有极大的优势[3]。不过从成本角度分析，调整后的工艺流程并不是最佳的选择，净化厂应根据原流程的优势综合确定最佳方案。所以考虑到经济性与工艺流程，净化厂可在原工艺流程基础上删除增湿塔系统，优化脱硫槽设置并延用水洗除尘系统。通过这一调整，所有设备的购置费用大概在1785 万元，设备成本要比原工艺流程少631 万元，而这一优化的工艺流程不管是在工艺上还是经济上，都具有较大的优势。