张硕琳 张培民
1中石化石油工程设计有限公司 山东 东营 2570001
摘要：现如今，天然气被广泛应用在人们日常生活中。天然气是产生于地表空隙层中的混合气体，其中包含有甲烷、乙烷、丙烷等气体，同时还有少量的二氧化碳、硫化氢等，在充分燃烧以后会产生二氧化碳和H2O，有着较高热量，且不会对自然环境产生较大污染，应用范围十分广泛。然而，其中含有的硫化物属于毒性物质，需要经过脱硫处理，才能够作为清洁能源使用。本文对高含硫天然气净化厂的设计特点与工艺进行详细分析，以期为今后开展的有关工作提供借鉴与参考。
关键词：含硫天然气；脱硫；净化装置；模块化设计
引言
十九大以来我国对节能降耗、绿色环保工作愈发重视，相关政策陆续发布。天然气作为一种清洁能源，在我国能源结构体系中所占比例逐年增加，成为我国新时期的安全高效的现代能源体系的重要战略资源。随着国内含硫天然气田大规模的开发，高含硫天然气净化装置在我国能源工业中占有越来越重要的位置，天然气净化装置的节能减排工作已逐步受到业界关注。由于天然气脱硫工序涉及到高温、高压、高毒等高危过程，且其具有高含硫、收率低、腐蚀性强、单位能耗高、危险级别高等特点，致使天然气净化装置运行能耗占整个天然气开发过程的很大比例。研究高含硫天然气净化装置能耗结构，确定降低净化过程能耗的技术和方法，对高含硫天然气净化的科学合理运行具有重要的科学意义和广阔的实际应用前景。
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天然气净化装置能耗结构分析
天然气净化厂主要使用一次能源和二次能源，一次能源有燃料气，二次能源有电力与蒸汽，其中蒸汽为厂内自产；耗能工质包括各类水、压缩空气、氮气等，其中新鲜水由外部供给，其他工质由厂内自产。某天然气净化厂2019年全厂综合能耗132991.6t标煤，净化气单位油气综合能耗为47.61kg/t，各能耗占比情况如图1所示。
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图1某净化装置能耗影响占比图
由图1可看出，净化装置的能耗主要以蒸汽、用电及燃料气消耗为主，采用先进的节能工艺、节能设备、合理调控工艺参数以降低蒸汽、用电及燃料气消耗，是净化装置节能减排的主要思路。
3高含硫天然气净化厂工艺分析
3.1物理-化学溶剂吸收法
物理-化学溶剂吸收法是将物理和化学溶剂配置成混合溶剂。砜胺法是目前应用最广泛的物理-化学溶剂法。砜胺法中所使用的化学溶剂是DIPA或者MDEA，所用的物理溶剂为环丁砜，其溶液组成一般为：40%～45%的环丁砜，10%～15%的水，其余为DIPA或者MDEA。砜胺法是目前天然气中酸性气体脱除的一种重要方法。结合了化学吸收法和物理吸收法的优点，砜胺法具有能耗低、可脱除有机硫、酸气负荷高、净化度高、腐蚀性低及不易发泡等优点。在工艺流程上，砜胺法与醇胺法基本一致。环丁砜对H2S吸收能力比水强很多，与醇胺溶液相比，砜胺法用环丁砜代替醇胺溶液中的一部分水，因此砜胺法相比于醇胺法有着更高的酸气负荷，特别适合应用在处理高酸气分压的场合。砜胺法的另一特点是，在脱除酸性气体的同时还可以将天然气中的有机硫随酸性气体一起脱除。
砜胺法主要存在以下几个亟待解决的问题：
(1)与物理溶剂吸收法类似，砜胺法也存在着重烃吸收能力强的问题。
(2)环丁砜是一种优良的溶剂，会溶解设备、管道上的密封材料。
(3)砜胺溶液的价格较高，一旦变质后再生需要复杂的工序。
3.2物理溶剂法
物理溶剂法是利用溶剂在不同的压力和温度状态下，对天然气中的含硫气体组分有不同的溶解度从而实现吸收和解吸的工艺方法。目前常用的物理溶剂包括环丁砜、分子量为250左右的聚乙二醇二甲醚、甲醇等。物理溶剂通常较为稳定，其针对气体中组分仅进行物理溶解，不发生化学反应，因此再生能耗通常较低。气体中的不同组分在溶剂中的溶解度都遵循亨利定律，许多物理溶剂都对对天然气中的有机硫具有较好的脱除效果。但物理溶剂法通常会造成天然气中的重烃组分损失，且其吸收效果受原料气压力影响较大，在低压工况下对硫化氢的吸收不易达到化学溶剂法的工艺净化度。物理溶剂法可适用于压力较高，含有一定的有机硫且C2以上重烃组分含量较少的气质工况。
3.3化学吸附法
（1）醇胺法
醇胺法是当前世界各国的大型油气田中最为常用的脱硫脱碳法，这种方法已经形成了一套比较完善的操作工艺体系，这种方法主要是利用了天然气中的硫化物和碳化物成酸性的化学性质，通过醇胺溶液的碱性化学性质来对酸性气体进行吸附。通常来说，常温条件下的硫化物和碳化物就能够和醇胺溶液发生反应，因此只要将发生反应的酸性气体剥离出来，就可以实现醇胺溶液的多次利用。在当前我国的天然气脱硫脱碳工艺当中，常用的醇胺溶液主要包括二甘醇胺（DGA）、甲基二乙醇胺（MDEA）、二乙醇胺（DEA）、以及二异丙醇胺（DIPA）集中，这些醇胺溶液都随着社会经济的不断发展而应用于天然气的脱硫脱碳工艺当中，而就目前的天然气脱硫脱碳工艺来看，甲基二乙醇胺的应用范围最广。
（2）直接转化法
直接转化法也是化学脱硫脱碳工艺的一种，这种方法主要是通过有氧载体的溶液进行的，通过这种有氧载体溶液将天然气中的硫化氢转化成元素硫，也就是俗称的硫磺，这种脱硫脱碳的方法也有很多的操作工艺，其中应用比较广泛的主要有Stretford、SulFerox、PDS以及Lo-Cat法等。
3.4分子筛法
分子筛广泛应用在天然气脱水领域中，根据物理吸附的原理达到脱水目的。分子筛上有高度局部集中的极电荷，这些极电荷使分子筛对H2S这种极性分子有着强大的吸附能力。即使在较低浓度时分子筛对于极性分子也有相当高的吸收能力。当分子筛处理湿天然气时，其同时担负着干燥和脱除酸性气体的双重任务。
结语
传统的脱硫技术相比，生物脱硫工艺通常具备适用范围广、H2S脱除率高、闭式循环无污染、资源化程度高等特点。硫化氢是硫磺的重要来源，对于硫磺资源的回收，是生物脱硫技术的一大亮点。合理开发利用含硫气藏事关中国能源安全，生物脱硫工艺应用于天然气生产领域，具有十分广阔的前景。
参考文献
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