天然氣凈化工藝設計要點及優化探討

董啟國

（四川科比科油氣工程有限公司 西南石油大學 四川成都 610041）

天然氣凈化工藝設計要點及優化探討

董啟國

（四川科比科油氣工程有限公司 西南石油大學 四川成都 610041）

傳統的天然氣凈化工藝受限于工藝水平和設備技術要求，多采用的是胺法脫硫脫酸工藝，工藝操作相對簡便，對設備要求不高，隨著天然氣走進千家萬戶，使用量的急劇提升，傳統工藝已難以跟上現代化建設的發展，運用現代化技術，對天然氣凈化工藝設計進行優化和改良，提高天然氣凈化效果，滿足社會發展需求，有著現實意義。

天然氣；凈化工藝設計要點；優化探討

引言

天然氣凈化設計的方法隨著科技的進步，有了長足的發展，為了取得較好的社會經濟效益，合理利用資源，提高資源利用率，立足于傳統天然氣凈化工藝，采用現代化的科學技術，對傳統工藝進行合理改進升級，引進先進設備工藝，可以解決日益凸顯的天然氣凈化效率不足，設備老化等問題，使天然氣能夠滿足我國經濟高速發展的需求，為我國社會發展提供積極有效的促進作用。

1 天然氣凈化中常用脫硫工藝

1.1 天然氣凈化工藝的基本原理

天然氣脫硫以及脫碳是天然氣凈化的主要目的，通過物理化學方法去除天然氣中的二氧化硫、二氧化碳、硫化氫以及有機硫等物質，避免燃燒過程中對環境造成污染和產生對使用者身體有害的物質，是天然氣能夠得到有效的利用，為人們的社會生活提供充足的可用能源。天然氣凈化的工藝方法有多種，但是其基本原理大致相同，主要有以下幾種：

（1）化學溶劑法

由于天然氣中的雜質氣體多是酸性氣體，采用堿性的化學溶劑可以與之反應，利用不同反應的機理產生不同的化學產物方便去除，主要是通過產生無害氣體或者易于溶解吸收的化合物起到凈化天然氣的作用，或是將產物進行回收再利用。利用這種原理的主要方法有有機胺法，包括MEA法（一乙醇胺法）、DEA法（二乙醇胺法）、DIPA法（二異丙醇胺法）、DGA法（二甘醇胺法）；位阻胺法；同時活化熱碳酸堿法也得到了一定程度的應用[1]。

（2）物理溶劑法

天然氣的主要成分是甲烷等有機烴類，雜質氣體主要是無機酸性氣體，在不同的物理溶劑中它們的溶解度區別較大，通過控制溫度、壓力等條件，可以利用溶解度的差異進行除雜，去除天然氣中的雜志氣體。利用這種原理較為常用的方法有Selexol法（乙二醇二甲醚法）、Fluor法（碳酸丙烯酷法）、Rectisol法（冷甲醇法）等。物理溶劑法的主要優勢是操作工藝較為簡便。

（3）物理化學溶劑結合法

將化學溶劑和物理溶劑進行組合，充分利用化學溶劑法和物理溶劑法各自的優勢，可以更加有針對性的去除天然氣中的雜質氣體，這種方法因為具備多方面的優勢，目前得到了極為廣闊的應用，出現了許多典型的天然氣凈化方法。代表是砜胺法（Sulfolane法）、DIPA-砜胺Ⅱ法（Sulfmol-D法）、MDEA-砜胺Ⅲ法（Sulfmol-M法）。此外，還有Amisol、Selefining、Optisol以及混合SE法等[2]。

（4）天然氣除雜其它類型方法。

氧化還原法，通過具備強大氧化能力液相載體將雜質氣體中的硫轉化為硫元素，然后在其它環境中使之進行重新組合。又稱為直接轉化法或者濕式氧化法，主要有絡合鐵EDTA法、Lo-Cat法等。此外，還有分子篩、膜分離、生物化學法等新技術[3]。

1.2 天然氣脫硫常用的幾種方法

（1）砜胺法（Sulfinol-MEA）

砜胺法的發展過程，主要是加強其脫硫選擇性。最初的砜胺法（Sulfinol-MEA）法沒有脫硫選擇性，到了DIPA-砜胺Ⅱ法（Sulfmol-D法）就具有一定的脫硫選擇性，而MDEA-砜胺Ⅲ法（Sulfmol-MDEA法）進一步加強了其脫硫選擇性。

砜胺法（Sulfinol-MEA）的優勢在于可以有效的脫出硫化氫等無機含硫組分以及有機硫成分，對酸性雜質氣體含量高的天然氣具備很好的適用性能，同時如果天然氣中含有長鏈烴的話，不易發泡，去除過程中溶液降解損失量少。整體而言，脫硫性能好，消耗的能量較低，缺點是溶液成本較高，同時容易被有機硫污染，對設備腐蝕較大。

（2）DEA法

DEA是一種仲胺，它的堿性比MEA要弱，沒有脫硫選擇性，相對來說，因為溶液溶于水的濃度較小，溶液脫硫能力稍弱，對酸性氣體含量較高的脫硫能力有所不足，但是仍舊可以達到天然氣凈化標準。法國曾經在50年代對其溶液進行改良，形成濃度較高的SNPA-DEA工藝[4]。DEA法的優勢在于能耗相對更低，溶液蒸發損失較少，在有機硫存在的條件下不易變質，缺點在于沒有脫硫選擇性，對高酸性天然氣處理能力較弱，而改良后的工藝產生的酸氣質量不足，對后續克勞斯反應會產生不利影響。

（3）MDEA-砜胺Ⅲ法（Sulfmol-M法）

MDEA是一種叔醇胺，它和天然氣中的主要雜質氣體硫化氫的反應能力偏弱，但是在H2S和CO2氣體同時存在的條件下，具備很好的脫硫選擇性，因此得到廣泛使用。MDEA法具備較多的優點，它適用于CO2/H2S比率較高的天然氣，對酸性氣體有著較高的負荷能力，可以有效降低能耗，同時可以提升酸氣的質量，進而有利于后續工藝對硫的回收利用。此外，它還可以用于Scot法[5]尾氣處理，代替DIPA溶液，有效提升工藝處理的整體效率。通過添加活化劑，MDEA溶劑還可以達到加速吸收CO2的目的，具備很強的應用靈活性。

2 天然氣凈化工藝的設計要點及其優化

天然氣凈化工藝設計的要點有以下幾點：天然氣中對H2S和CO2含量有著較高要求時，可進行同時脫硫脫碳，采用MEA、DEA等不具備選擇性的方法，起到節省能源、成本較低、操作相對容易的效果；在天然氣凈化過程中，CO2/H2S比率較高，對CO2的脫除要求較低的情況下，采用具備較高脫硫選擇性的MDEA法，可以有效節約成本，提高硫磺回收率；醇胺法對有機硫的脫除能力較低，溶液易污染，含有較高有機硫的天然氣，采取砜胺法進行脫硫，以達到較好的有機硫脫除效果，保證天然氣質量和溶液純度；天然氣中的雜質氣體以CO2為主的情況下，選擇活化MDEA法，或者采用膜分離法，可以達到較好的去除效果。具體操作工藝有以下幾種：

（1）天然氣中含有較高含量的有機硫，采用Sulfmol-M法進行脫硫，應用TEG法進行脫水，同時采用二級克勞斯（Claus）工藝進行硫磺回收，克勞斯工藝的級數并不是越高越好，受化學平衡所限，通常采用二級克勞斯工藝配合其他工藝才能達到較好的硫磺回收率；使用標準斯科特（Scot）工藝進行尾氣處理，尾氣處理溶液采用MDEA水溶液。工藝流程如圖1所示。

圖1 有機硫含量較高時的脫硫工藝

（2）天然氣中以無機硫為主，有機硫含量較低時，采用MDEA法進行脫硫，應用TEG法進行脫水，同時采用二級克勞斯（Claus）工藝進行硫磺回收，使用串級斯科特（Scot）工藝進行尾氣處理。因為串級斯科特（Scot）工藝尾氣處理溶液為MDEA水溶液，與脫硫使用的脫硫溶劑相同，可以優化工藝，節約能耗，減少裝置數量，降低工程投資。工藝設計略圖如圖2。

圖2 脫硫裝置不需要脫除有機硫時的工藝技術路線

（3）天然氣中含有較高的有機硫，同時無機硫含量也較高的時候，采用分步脫除的方法，可以有效降低凈化裝置中的溶液循環量，節約成本。利用斯科特（Scot）尾氣處理裝置中的MDEA富液作為一級脫硫裝置中的貧液部分脫除天然氣中的有機硫和無機硫，形成MDEA法進行脫硫，使得進入二級脫硫裝置中的硫大量降低，二級脫硫裝置采用Sulfinol-M，進行剩余的硫的脫除工作，技術工藝如圖3所示。

天然氣凈化的主體技術路線都是由脫水裝置、脫硫裝置、硫磺回收裝置以及尾氣處理裝置四個主要部分組成，對各類天然氣都有著普適性，依據以上要點，根據具體情況選擇合適的天然氣凈化工藝并進行相應的優化，可以有效的提升天然氣凈化的效率。

圖3

3 硫磺回收工藝技術要點及其優化

硫磺回收的主要技術是克勞斯（Claus）硫磺回收技術，它對含硫酸氣的處理工藝已經十分成熟，但是由于化學平衡的條件限制，即使是Ⅲ級的Claus反應，其回收率也只能達到97%，結合尾氣處理工藝，進行工藝優化，提高硫的回收率，得到了廣泛研究。

3.1 富氧Claus硫磺回收技術

通過改造硫磺回收裝置，使用富氧空氣，可以降低硫磺回收過程氣量，對于惰性氣體的使用效率得到提升，降低了惰性氣體的加入冷卻次數，起到很好的節能效果，同時減少了硫元素損失，提高了硫元素回收率，提高量在0.5～1.0%左右，美國80年代采用MDEA脫硫技術，富氧Claus技術，標準Scot尾氣處理設計的一套硫磺回收裝置，硫收率達到

99.7 %。[6]應用該技術除了富氧投資和制氧成本之外，無需進行其他投入，可以取得顯著的節約資金效果以及節省能耗作用。

3.2 采用Ⅱ級Claus硫磺回收，配合串級Scot尾氣處理裝置，提高硫收率

Ⅱ級Claus工藝硫收率在93.3～94.6%，Ⅲ級的Claus工藝硫收率最高不超過97%，采用Ⅲ級的Claus工藝會增加裝置數量以及能耗，投資增加。視具體情況，采用Ⅱ級Claus工藝，雖然會增加Scot尾氣處理裝置的的酸氣負荷，但是同樣的循環量下，過程氣量變化可控，不影響尾氣裝置的設備，因而不會增加投資，而同時選用串級Scot作為尾氣處理工藝，可與脫硫系統共用MDEA，可以有效節省能耗。

4 結束語

立足于傳統天然氣凈化設備工藝，綜合考慮多方面因素，依據具體情況，引入先進天然氣凈化設備，采用先進工藝，運用新的技術，對原有工藝進行升級優化，可以有效提升天然氣凈化的效率。

[1]蒲遠洋，羅紹春，閔剛，李文豐，黃文峰，韓國強.天然氣凈化工藝設計要點及優化[J].天然氣與石油，2012，01：36～40+101.

[2]李奎.大型高含硫天然氣凈化工程設計淺析[J].現代化工，2007，10：54～57.

[3]鄭蓉.高碳硫比天然氣凈化及酸氣處理工藝研究[D].西南石油大學，2014.

[4]劉健，張述偉，孫道青.低溫甲醇法凈化天然氣工藝流程的研究[J].天然氣化工（C1化學與化工），2007，05：47～50.

[5]邢海燕.酸性氣回收工藝過程研究[D].青島科技大學，2012.

[6]朱遠星.高含硫天然氣凈化廠氣體檢測儀優化設置方法研究[D].西南石油大學，2015.

TE646

A

1004-7344（2016）05-0244-02

2016-1-28

董啟國（1976-），男，工程師，本科，主要從事天然氣凈化工作。