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宁波化工 Ningbo Chemical Industry 2023年第3期 -8-8-宁波化工 【专论综述】【专论综述】浅谈工艺设计中天然气处理的分类 高敏英 上海智英化工技术有限公司天津分公司 天津 滨海新区 300457【摘【摘 要】要】天然气脱二氧化碳、脱硫化氢的工艺方法由于综合工艺流程、设备选型、占地面积、操作维护、总体投资、运行投资等多方面因素不同，采用不同的工艺处理方案，避免杂质腐蚀设备及在低温时冻结造成设备和管道堵塞，本文主要介绍天然气预处理多种方案的对比。【关键词【关键词】天然气加工；组分分离；工艺方案 中图分类号：中图分类号：TE645 文献标识码：文献标识码：A 1 天然气处理方法的分类天然气处理方法的分类 根据探井检测情况，某地区天然气具有二氧化碳含量高、含有硫化氢等特点。在开发利用该地区天然气时需要根据这些特点，结合海上开采的特殊性选择适宜的工艺方案。鉴于世界范围内对二氧化碳排放的限制，分离出的二氧化碳不能直接放空至大气，即在二氧化碳的回收上需要有可行的方案。目前天然气预处理脱硫与脱碳方法比较多，这些方法通常主要分为干法和湿法，大型天然气装置经常采用湿法工艺，一般可分为化学吸收法、物理吸收法、化学-物理吸收法等；干法脱硫是指采用颗粒或粉末状脱硫剂吸收天然气中酸气的方法，主要用于低含硫工况的气体，主要包括分子筛、活性炭法、氧化铁法、氧化锌法、膜分离法等。2 天然气处理方法的选择和对比天然气处理方法的选择和对比 2.1 醇胺法醇胺法 2.1.1 醇胺法工艺原理醇胺法工艺原理 醇胺法典型工艺流程图见下图（图 1）：图 1 醇胺法典型工艺流程图 化学吸收法利用可逆的化学反应为原理，采用碱性溶液作为吸收剂，吸收剂与原料天然气中浅谈工艺设计中天然气处理的分类 2023年第3期 宁波化工 -9-9-的酸性成分，其中酸性成分主要是 H2S、CO2，吸收反应产生相应的化合物，所以也称化学吸收法。吸收了酸性组分的碱性溶液称为富液，当条件改变，温度升高、压力降低进行再生时，又可使化合物被分解并释放出来 H2S、CO2。化学吸收法中最具代表性的是采用醇胺法。醇胺溶液主要有烷醇胺与水组成。通常常规醇胺法包括 DEA 法、MEA 法、DGA法，基本上能同时吸收气体中的CO2和H2S，选择性醇胺法包括 DIPA 法和 MDEA 法，其中MDEA 法是经典脱除 H2S 方法，在不同深度脱除 H2S 的工况下也能脱除部分 CO2。MDEA 可在中、高压下针对性脱除 H2S 以满足气体净化的质量参数或管输规定。醇胺法脱酸气的典型工艺流程（上图 1）主要分为四部分，即吸收过程、闪蒸过程、换热过程和再生过程，再生也称汽提。吸收过程是将天然气中的 H2S 和 CO2脱除至符合规定的要求；闪蒸过程是将吸收 H2S 和 CO2后的富液，同时又吸收的一部分烃类，通过闪蒸将烃类从富液除去；换热是将再生塔处理后的热贫液热量利用回收；再生是将富液解吸，脱除 H2S 和 CO2成为贫液，送回脱硫塔重新使用。2.1.2 醇胺法技术特点醇胺法技术特点 1）工艺流程复杂，各类设备，阀门，管道众多，占地面积大。2）胺循环量大，设备尺寸大，热负荷很大，对公用工程的要求多。3）操作复杂，设备较多，投资大。2.2 干法脱硫干法脱硫 2.2.1 干法脱硫工艺原理干法脱硫工艺原理 吸附法脱硫化氢利用吸附原理，即在两相的交界面上，天然气中的硫化氢在吸附剂表面被富集、反应，而天然气中的其他烃类组分基本不参与吸附，从而实现将硫化氢在天然气中脱除的目的。常用的天然气干法脱硫方法主要分为分子筛法、活性炭法和氧化锌法、氧化铁法。当前国内干法脱硫技术选取的固体脱硫剂的脱硫范围在 10002000mg/m3以内，并需要同时设置在线分析仪表，检测原料气中 H2S 含量，从而确认脱硫剂吸附能力，明确固体脱硫剂更换周期，使原料气中 H2S 含量符合要求。2.2.2 干法脱硫技术特点干法脱硫技术特点 表 1 各种脱硫剂的特点对比 种类 优点 缺点 分子筛 1 价格低廉 2 可以再生而连续使用 1 脱硫效果一般 2 再生过程一般需在高温下进行 3 再生出的硫化氢需要处理 氧化锌 1 脱硫效果优良 1 高温条件下操作,增加设备投资与运行成本 2 氧化锌脱硫剂价格较高 氧化铁 1 脱硫剂效果较好 2 常温脱硫剂，设备投资费用少、操作简便 正常工作压力低 活性炭 1 脱硫剂效果较好 2 价格相对低廉 3 常温脱硫剂，设备投资费用少、操作简便 1 活性炭脱硫剂需要有一定的氧气含量才能达到最佳效果 2 吸附过程放热量大 活性炭脱硫剂的脱除原理是在活性炭高效的表面活性点的催化作用下，气体中的硫化氢和一定比例的氧气发生反应，产生氧化还原反应：H2S+1/2 O2=H2 O+S，反应中产生的水通过气流被带走，生成的硫单质吸附在活性炭颗粒表面丰富的孔隙结构中，直至饱和后再生，在系统中需要补氧。氧化铁脱硫的原理是Fe?O?H?O?3H?S?Fe?S?4H?O，生成硫化物被氧化物吸附，直至饱和。结上所述，氧化铁脱硫技术应用相对广泛。宁波化工 Ningbo Chemical Industry 2023年第3期 -10-10-宁波化工 2.3 膜分离法膜分离法 2.3.1 膜分离法工艺原理膜分离法工艺原理 膜分离法是指多种气体混合物通过生物半透膜时，由于每种气体在半透膜中的电位差、压力差和溶解度不同，进而影响气体在生物半透膜中的相对渗透速率各不相同。在生物半透膜两侧压力差作用下，气体混合物中渗透速率较高的气体，比如 CO2、水蒸气等将会优先富集在半透膜的一侧，而渗透速率相对较慢的 CO 和烃类等气体则滞留在半透膜的另一侧，实现分开富集，从而达到将混合气体有选择性的脱离。膜分离器包括芯部部分和金属壳体部分。膜分离器的壳程为原料天然气，管程为渗透气。膜分离将生物半透膜两侧气体的分压差做为驱动力基本原理，通过四个步骤：溶解过程、渗透过程、扩散过程、解析过程，应用特殊的聚合物中空纤维膜对不同气体的选择透过性差异，从而达到有选择性脱离。根据相关实验数据显示，CO2在半透膜表面的渗透速率明显高于其他气体，甚至是其他气体的数十倍。CO2气体通过膜分离器内的中空纤维管、充分汇集后再排出管程的渗透气出口。膜分离器尾气排出其他未渗透的气体。膜法天然气脱碳的基本原理是利用了膜对CO2 的优先透过性的特点，在一定的压差推动下，让原料气中的 CO2经选择性透过膜渗透，然后在非渗透侧富集含 CO2低的产品气。高分子膜上各种气体的渗透速率对比见下图 2、膜分离法工艺流程见下图 3：图 2 高分子膜上各种气体的渗透速率对比图 图 3 膜分离法工艺流程简图 2.3.2 膜分离法技术特点膜分离法技术特点 1）设备简单、运行费用低、利于放大及与其它流程步骤耦合和集成。2）操作安全、可靠、简便。3）设备占地面积小、重量轻、便于安装和运输。4）无二次污染、节能环保、运行费用低 5）可在脱碳的同时脱水、脱硫化氢。浅谈工艺设计中天然气处理的分类 2023年第3期 宁波化工 -11-11-3 天然气处理方案对比天然气处理方案对比 不同工艺方案的工艺特性对比见下表（表 2）：表 2 不同工艺方案对比表 工艺方法 对比项 膜分离 醇胺法 氧化铁法 工艺特点 可脱除 H2O，CO2至达标；部分 H2S 被脱除，后续需脱硫化氢单元 可脱除 CO2，H2S 至达标 后续需要脱水单元 可脱除 H2S 至达标 后续需脱碳单元 工艺可行性 高 高 中 工艺可靠性 高 高 高 运行稳定性 高 中 高 公用工程需求 压缩空气（仪表用）电、蒸汽、脱盐水、压缩空气、密封氮气 压缩空气（仪表用）化学品消耗 无 胺液、消泡剂、润滑油等 脱硫剂 操作及检修 日常操作检修简单，膜柱整体更换 日常操作复杂，检修工作量大 日常操作检修简单，脱硫剂更换 4 结束语结束语 醇胺法湿法脱碳脱硫技术成熟，能耗较大，日常操作复杂，可用于较大型气田天然气装置CO2，H2S 脱除；干法氧化铁法适用于低含硫工况，需要及时更换脱硫剂，换料周期短，会产生大量的废弃脱硫剂等问题；膜分离法流程简单、设备少，无运动部件，可实现远程无人操作，运行费用低，便于与流程步骤耦合和集成，原料气压降小、耗电低，维修方便，可在脱碳的同时脱水、脱硫化氢。经过对醇胺法、膜分离法、干法脱硫研究，综合工艺流程、设备选型、占地面积、操作维护、总体投资、运行投资等多方面因素，推荐选用膜分离脱水脱碳脱硫工艺方案。参考文献参考文献：1天然气处理原理与工艺M.北京：中国石化出版社,2007.2江玉同.天然气中 CO2 脱除技术J.油气田地面工程.2008，27（3）.（上接第13页）干法制酸预处理单元尾气系统改造的探讨 周刚 程义安 宁波中科远东催化工程技术有限公司 宁波 315040 参考文献参考文献 1吴恒奎,李金凤.浅析以氨为碱源 PDS 焦炉气脱硫废液及硫膏制硫酸工艺J.冶金与材料,2021,41(6):47-50.2李俊玲,陈淼,郑瑞龙.脱硫废液干法制酸在新兴铸管的 应用J.硫酸工业，2021(10):19-21.3李玉朝,王磊,刘健等.鑫盛煤化工脱硫废液及硫泡沫制酸系统运行实践J.硫酸工业,2021(10):38-41.