天然氣凈化工藝原理及流程

天然氣凈化（處理）工藝原理及流程_、天然氣凈化工藝原理及流程XXX氣田的天然氣凈化廠主要生產(chǎn)單元包括脫硫單元、脫水單元和硫磺回收單元。（一）、脫硫單元1、 天然氣脫硫的原因和意義天然氣中含有的HeS、CO^和有機(jī)硫等酸性組分，在水存在的情況下會(huì)腐蝕金屬；含硫組分有難聞的臭味、劇毒、使催化劑中毒等缺點(diǎn)。COe為不可燃?xì)怏w，影響天然氣熱值的同時(shí)，也影響管輸效率。特別是，H：S是一種具有令人討厭的臭雞蛋味，有很大毒性的氣體?？諝庵凶鉙含量達(dá)到兒十mg/n?就會(huì)使人流淚、頭痛，高濃度的硫化氫對(duì)人有生命危險(xiǎn)；足S在有水及高溫（400°C以上）下對(duì)設(shè)備、管線腐蝕嚴(yán)重；還對(duì)某些鋼材產(chǎn)生氫脆，在天然氣凈化廠曾發(fā)生閥桿斷裂、澗板脫落現(xiàn)象。有機(jī)硫中毒會(huì)產(chǎn)生惡心、嘔吐等癥狀，嚴(yán)重時(shí)造成心臟衰竭、呼吸麻痹而死亡。因此天然氣脫硫有保護(hù)環(huán)境、保護(hù)設(shè)備、管線、儀表免受腐蝕及有利于下游用戶的使用等益處。同時(shí)還可以化害為利，回收資源。將天然氣中的硫化氫分離后經(jīng)克勞斯反應(yīng)制成硫（亮黃色，純度可達(dá)99.9）,可生產(chǎn)硫和含硫產(chǎn)品，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域都有著廣泛的用途。從高含量COi的天然氣中分離出來的高純度的COi可用于制備干冰，也可用于采油上回注地層以提高原油的采收率。2、 天然氣脫硫、脫碳的方法關(guān)于天然氣中酸性氣體的脫除，開發(fā)了許多處理方法，這些方法可分成濕法和干法兩大類。干法脫硫目前工業(yè)上己很少應(yīng)用，工業(yè)大型裝置以濕法為主。濕法脫硫按照溶液的吸收和再生方法，可分為化學(xué)吸收法、物理吸收法和氧化還原法三類。r醇胺法單乙醇胺法，改艮二乙醇胺法、甲基二乙醇胺法?r醇胺法，化學(xué)吸收法， ， 濕法脫硫、械牲鹽溶液親—4E.魚匝*溟.3$宜專￥濕法脫硫?物理吸收法—申磯胺法、新薩菲諾法.冷甲醇法、聚乙二醇二甲激＞氧化還原法改良A.D.A法.洛卡特法，j苦味酸法、拷膠法和PDS法＞氧化還原法2.1化學(xué)吸收法化學(xué)吸收法是以可逆的化學(xué)反應(yīng)為基礎(chǔ)，以弱堿性溶劑為吸收劑，溶劑與原料氣中的酸性組分（主要是H：S和CO：）反應(yīng)而生成某種化合物；吸收了酸氣的富液在升高溫度、降低壓力的條件下，該化合物乂能分解而放出酸氣。主要有代表醇胺法、改良熱鉀堿法、氨基酸鹽法。改良熱鉀堿法己成功地用于從氣體中脫除大量C02,也可用來脫除天然氣中的COe和足S酸性氣體?；驹頌椋篕2CO3+CO葉出0~2KHCO，K2CO3+H2S-2KHCO3+KHS改良熱鉀堿法適用于含酸氣量8%以上，CO2/H2S比高的氣體凈化。壓力對(duì)操作影響較大，吸收壓力不宜低于2MPa。美國(guó)和日本合成氨廠很多采用這種方法脫C02o美國(guó)裝置數(shù)超過100套，日本裝置數(shù)超過500套。2.2物理吸收法物理吸收法是基于有機(jī)溶劑對(duì)原料氣中酸性組分的物理吸收而將它們脫除,溶劑的酸氣負(fù)荷正比于氣相中酸性組分的分壓。富液壓力降低時(shí)，隨即放出所吸收的酸性組分。物理吸收一般在高壓和較低的溫度下進(jìn)行。物理吸收法的主要代表有冷甲醇法、碳酸丙烯酯法、N-甲基毗咯烷酮法、聚乙二醇二甲醒法和磷酸三丁酯法。物理吸收法具有如下特點(diǎn)：1） 一般在高壓和較低的溫度下進(jìn)行；2） 溶劑酸氣負(fù)荷高，適宜于處理酸氣分壓高的原料氣;3）溶劑不易變質(zhì)，腐蝕性小，能脫除有機(jī)硫化物；但物理吸收法不宜用于重炷含量高的原料氣，且受溶劑再生程度的限制，凈化率較化學(xué)吸收法低。①冷甲醇法冷甲醇法是以甲醇為吸收劑，在低溫（低于-50°C）下吸收酸性氣體的物理吸收法。甲醇在高壓低溫下COi和H2S有很高的溶解度，適宜于酸氣分壓大于OMPa的原料氣，可選擇性地脫除H：S并可同時(shí)脫除有機(jī)硫化物。②聚乙二醇二甲醒法聚乙二醇二甲醒法（Selexol法）用聚乙二醇二甲醍作溶劑，旨在脫除氣體中的CO：和HeS。由于聚乙二醇二甲醍具有吸水性能，因而該法還能同時(shí)產(chǎn)生一定的脫水效果。3化學(xué)一物理吸收法化學(xué)一物理吸收法是一種將化學(xué)吸收劑與物理吸收劑聯(lián)合應(yīng)用的酸氣脫除法，目前以環(huán)丁硯法為常用。物理吸收溶劑是環(huán)丁碉，化學(xué)吸收溶劑可以用任何一種醇胺化合物，但常用的是二異丙醇胺（DIPA）和甲基二乙醇胺（MDEA）。2.4濕式氧化法這類方法的研究始于本世紀(jì)二十年代，至今己發(fā)展到百余種，其中有工業(yè)應(yīng)用價(jià)值的就有二十多種。主要濕式氧化法有改良的ADA法（蔥醍法）、螯合鐵法、PDS法。濕式氧化法具有以下特點(diǎn)：1） 脫硫效率高，可使凈化后的氣體含硫量低于5.0mg/m3；2） 可將&S轉(zhuǎn)化為單質(zhì)疏，無二次污染；3） 可在常溫和加壓狀態(tài)下操作；4） 大多數(shù)脫硫劑可以再生，運(yùn)行成本低。2.5干法脫除酸性氣體所謂干法，是應(yīng)用固體材料吸附、化學(xué)反應(yīng)、氣體分離等技術(shù)脫除天然氣中H或和CO或且分。干法主要包括氧化鐵法、活性炭法、分子篩、膜分離法等。干法脫除酸氣技術(shù)通常用于低含硫氣體處理，特別是用于氣體精細(xì)脫硫。大部分干法脫硫工藝由于需要更換脫硫劑而不能連續(xù)操作，還有一些干法如鎬礦法、氧化鋅法等，脫硫劑均不能再生，脫硫飽和后要廢棄，一方面會(huì)造成環(huán)境問題，另一方面會(huì)增加脫硫成本。氧化鐵法氧化鐵法是用氧化鐵（即人們熟知的海綿鐵）脫H’S,是一種古老而知名的氣體脫硫方法，迄今仍在許多特殊用途的領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。分子篩法分子篩對(duì)極性分子的吸附選擇性，對(duì)硫化物產(chǎn)生了高的容量。由于它對(duì)有機(jī)硫化物，同對(duì)硫化氫一樣具有很大的化學(xué)親合力，因此，分子篩不僅可以除去H：S,而且對(duì)CS?、硫醇等其它含硫化合物也有較好的去除效率，處理后氣體硫含量降至0.4ppm（0.53mg/m3）以下?，F(xiàn)在，美國(guó)己經(jīng)有多個(gè)工業(yè)分子篩裝置在運(yùn)轉(zhuǎn)。3、甲基二乙醇胺、二乙醇胺的脫硫、脫碳原理醇胺類化合物（MEA、DEA、MDEA等）中至少含有一個(gè)羥基（OH）和一個(gè)胺基（NHQ。羥基的作用是降低化合物的蒸汽壓，并增加在水中的溶解度；而胺基則為水溶液提供必要的堿度，促進(jìn)酸性組分的吸收。天然氣脫酸性氣體常用的醇胺有一乙醇胺（MEA）、二乙醇胺（DEA）、二甘醇胺（DGA）、二異丙醇胺（DIPA）、甲基二乙醇胺（MDEA）等。3.1一乙醇胺（MEA）MEA是工業(yè)用醇胺中的堿性最強(qiáng)的，它與酸性組分迅速反應(yīng)，能容易地使原料氣中H或含量降到Snig/S以下。它既可脫足S,也可脫C0>一般情況下對(duì)兩者無選擇性。MEA在醇胺中相對(duì)摩爾質(zhì)量最小，因而以單位重量或體積計(jì)具有最大的酸氣負(fù)荷。2二乙醇胺（DEA）DEA和MEA的主要區(qū)別是它與COS及C0：的反應(yīng)速度較慢，因而DEA與有機(jī)化合物反應(yīng)而造成的溶劑損失量少。對(duì)有機(jī)硫化物含量較高的原料氣，用DEA脫硫較有利。DEA對(duì)COe對(duì)ItS也沒有選擇性。3.3甲基二乙醇胺（MDEA）MDEA是用于天然氣脫硫的烷醇胺類化合物中受到普遍關(guān)注的一種溶劑。該法在五十年代初就巳通過工業(yè)放大試驗(yàn)，被證實(shí)具有對(duì)&S優(yōu)良的選擇脫除能力和抗降解性強(qiáng)、反應(yīng)熱較低、腐蝕傾向小、蒸氣壓較低等優(yōu)點(diǎn)。XXX氣田目前使用的脫硫溶劑主要有甲基二乙醇胺（MDEA）和二乙醇胺（DEA）O這兩種溶液在工業(yè)上廣泛使用。主要的物理化學(xué)性質(zhì)見下表：表2.1 幾種常用醇胺的物理和化學(xué)性質(zhì)MEADEAMDEA備注相對(duì)摩爾質(zhì)量61.9105.14119.17相對(duì)密度（20°C）1.017(20%)1.0919(30%)1.0418(20%)沸點(diǎn)，*c101.3kpa170.4268.4230.66.67kpa100.0187.2164.01.33kpa68.9150.0128.0蒸汽壓(20),pa28.0<1.33<1.33凝固點(diǎn),°C10.228-14.6水中溶解度（20°C）100%96.40%100%黏度（mpa.?s）24.1(20°C)380(30°C)101(203C)3.4甲基二乙醇胺和二乙醇胺脫硫、脫碳原理甲基二乙醇胺的化學(xué)分子式：/CH.CH.0Hy…、CH2CH2OH主反應(yīng)：H2s+R3N===R3NH++HS一（瞬間反應(yīng)）CO2+R3N （不反應(yīng)）副反應(yīng)：C02+H20===H++HCO3一 （極慢反應(yīng)）R3N+H+ ===R3NH+（瞬間反應(yīng)）R3N+也0===R3NH++0H-（慢反應(yīng)）二乙醇胺的化學(xué)分子式：CH2CH2OHNHCH2CH2OH主反應(yīng)：2R2NH+H2S===（R：NH）：S（瞬間反應(yīng)）2R:NH+H2O+CO:===（KNHD2C03副反應(yīng)：（R2NH2）2C03+H20+C02==2R2NH2HCO32R:NH+C02===R:NC00NH2R2（R：NH）2S+H2S===2R2NHHSMDEA和CO?的反應(yīng)速率較慢，對(duì)H：S有較好的選擇吸收性，單一的MDEA溶液較難深度脫除天然氣中的CO：,加入DEA可加快溶液與CO：的反應(yīng)速率，達(dá)到深度脫除g的目的，使凈化氣中滿足CO?含量V3%的要求。二乙醇胺（DEA）為仲胺，堿性較強(qiáng)，經(jīng)過試驗(yàn)篩選，靖邊氣田凈化廠的復(fù)合溶液中甲基二乙醇胺溶液一般濃度為40%,二乙醇胺溶液的濃度控制在5%左右4、工藝流程和設(shè)備典型的醇胺法工藝流程如圖2.1所示，對(duì)不同的醇溶劑流程是基本相同的。從圖中可見，所涉及的主要設(shè)備是吸收塔、汽提塔、換熱和分離設(shè)備。靖邊氣田的天然氣凈化廠采用復(fù)配甲基二乙醇胺溶液（40%MDEA、5%DEA）脫硫、脫碳，能在高壓低溫條件下通過氣液逆流接觸將天然氣中的酸性組份吸收,然后在低壓高條件下，將吸收的酸氣組份解析出來。復(fù)配溶液有較好的經(jīng)濟(jì)技術(shù)性，與純甲基二乙醇胺水溶液（45%）相比，可節(jié)約能耗25%左右。但在運(yùn)行中復(fù)配溶液表現(xiàn)出濕凈化氣溫度升高、系統(tǒng)污染加重等趨勢(shì)，需加強(qiáng)脫水運(yùn)行監(jiān)測(cè)和溶液過濾系統(tǒng)的清洗。圖2.1典型的醇胺法工藝原理示意圖我們將以第一凈化廠為例，講述天然氣凈化廠的主要工藝流程。4.1天然氣的總流程各集氣站來的原料天然氣經(jīng)過清管區(qū)、集氣區(qū)、脫硫、脫水單元后回到集配氣總站的配氣區(qū)，經(jīng)過計(jì)量后輸往各下游用戶。圖2.2各凈化廠內(nèi)天然氣流程示意圖1） 清管區(qū)設(shè)有清管接收筒，除匯集各集氣干線的含硫天然氣外，還定期對(duì)各集氣干線進(jìn)行清管收球作業(yè)。2） 集氣區(qū)設(shè)有導(dǎo)葉式多管干式除塵器、計(jì)量裝置，對(duì)清管區(qū)來氣分別進(jìn)行分離，計(jì)量后輸往凈化裝置。正常輸氣時(shí)，除塵器并聯(lián)運(yùn)行。清管作業(yè)時(shí)，2臺(tái)除塵器串聯(lián),對(duì)高含雜質(zhì)氣流進(jìn)行二次分離。3） 脫硫單元利用重力沉降、過濾分離的方法除去含硫天然氣中的游離水及固體雜質(zhì)，然后采用化學(xué)吸收方法，脫除原料氣中的硫化氫及部分二氧化碳。脫水單元進(jìn)料氣為脫硫單元來的濕凈化天然氣。采用99.6%(W)三甘醇(TEG)作脫水劑，脫除濕凈化天然氣中的飽和水，脫水后天然氣外輸至集配氣單元。配氣區(qū)匯集來自凈化裝置的凈化天然氣，通過不同的計(jì)量管段經(jīng)計(jì)量后分別輸往下游用戶及自用配氣站。在計(jì)量管段設(shè)置了流量計(jì)和調(diào)節(jié)閥，可以自動(dòng)控制外輸流量。2脫硫單元的主要工藝流程天然氣流程從集氣區(qū)來的原料天然氣經(jīng)過重力分離器和過濾分離器分離出液體和固體雜質(zhì)后進(jìn)入脫硫塔底，天然氣從下向上與從上而下的MDEA貧液逆流接觸，其中的H2S和部分CO：被脫除，從塔底出來的濕凈化氣在濕凈化氣分離器中分離出攜帶的MDEA液滴后進(jìn)入脫水單元。詳細(xì)的流程示意圖見圖2.3o圖2.3脫硫單元內(nèi)天然氣流程示意圖甲基二乙醇胺溶液流程貧甲基二乙醇胺溶液從吸收塔頂自上而下與原料天然氣進(jìn)行逆向接觸，吸收玲S和COe后變成富液從塔底流出，進(jìn)入閃蒸塔內(nèi)降壓閃蒸，閃蒸出溶液中的炷類氣體和少量的H或和CO/后，經(jīng)過濾布過濾器和活性炭過濾器二級(jí)過濾后，經(jīng)過貧富液換熱器換熱至85°C左右后進(jìn)入再生塔頂，經(jīng)加熱、降壓再生，解析出其中的酸性氣體后變成貧液。經(jīng)貧富液換熱器、水冷器換熱后，經(jīng)循環(huán)泵加壓后循環(huán)使用。再生用熱源由蒸汽或熱媒提供，重沸器的溫度一般控制在110°C?115°C。

解析出的酸性氣體經(jīng)空冷器和水冷器冷卻后進(jìn)入酸氣分離器，酸氣進(jìn)入硫磺回收裝置或酸氣焚燒系統(tǒng)，酸液打回流，以控制再生塔頂溫度。93.5X2O.OEMPj回流泵后冷器0氣分福93.5X2O.OEMPj回流泵后冷器0氣分福圖2.4脫硫單元胺液循環(huán)流程（二）、脫水單元1、 天然氣脫水的意義1） 天然氣在進(jìn)輸氣管道中將逐漸冷卻，天然氣中的飽和水蒸汽逐漸析出形成水和凝析液體。該液體伴隨天然氣流動(dòng)，并在管線較低處蓄積起來，造成阻力增大。當(dāng)液體蓄積到形成段塞時(shí)，其流動(dòng)具有巨大的慣性，將造成管線末端分離器的液體捕集器損壞。2） 管道中有液體存在，會(huì)降低管線的輸送能力。3） 水和其它液體在管道中和天然氣中的硫化氫、二氧化碳形成腐蝕液，造成管道內(nèi)腐蝕，縮短管道的使用壽命，同時(shí)增大了爆管的頻率。4） 水在管道中容易形成水合物，堵塞管道，影響正常生產(chǎn)。為了保護(hù)天然氣的長(zhǎng)輸管道，提高管線輸送效率，天然氣進(jìn)入輸氣管道之前，必須進(jìn)行脫水處理。2、 天然氣脫水的方法及特點(diǎn)天然氣脫水的方法很多，按其原理可以分為冷凍分離法、固體干燥吸附和溶劑吸收三大類，XXX天然氣凈化廠采用的三甘醇（TEG）脫水工藝。三甘醇（TEG）學(xué)名三乙二醇醍，分子式為HO（CH2）2。?（CH2）2。?（CH2）2OH,主要物理特性見表2.2。三甘醇具有強(qiáng)吸水性、高溫條件下容易再生等特點(diǎn)，利用這種特點(diǎn)可作為脫水劑來降低天然氣中的含水量。三甘醇脫水過程是一個(gè)物理過程，利用三甘醇的強(qiáng)吸水性將天然氣中水分吸收，吸收了水分的三甘醇稱為富液；富液進(jìn)入重沸器后，在常壓、高溫情況下將水分蒸發(fā)出去，再加上干氣汽提,可得到濃度大于99%的三甘醇貧液，貧液循環(huán)再利用。該工藝具有以下特點(diǎn)：1） 工藝流程簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟，露點(diǎn)降大（30?60°C）、熱穩(wěn)定性好、易于再生、損失小、投資和操作費(fèi)用省等優(yōu)點(diǎn)。2） 將貧液冷卻設(shè)在循環(huán)泵入口前，既改善了循環(huán)泵的操作條件，乂可降低產(chǎn)品氣的溫度，減小了對(duì)長(zhǎng)輸管道管輸能力的影響。3） 在富液管線上設(shè)置過濾器，以除去溶液系統(tǒng)中攜帶的機(jī)械雜質(zhì)和降解產(chǎn)物，保持溶液清潔，有利于裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行。4） 可以避免專為三甘醇再生而設(shè)置中壓蒸汽系統(tǒng)。表2.2 三甘醇的物理特性相對(duì)分子量冰點(diǎn)C密度(20C)沸點(diǎn)?C理論熱分解溫度。C再生溫度笆粘度Pa?s(20*0150.2-7.21.1254285.5206.7176.7?20447.8X1033、脫水工藝流程和設(shè)備脫水單元主要的工藝設(shè)備有脫水塔（泡罩塔盤）、過濾器、重沸器、循環(huán)泵等。工藝原理流程示意圖如圖2.5所示：向壓政收 gFK沖生圖2.5三甘醇脫水工藝原理流程圖3.1脫水單元的天然氣流程從脫硫單元來的濕凈化天然氣進(jìn)入脫水塔底，從下向上與從上而下的TEG貧液逆流接觸，其中的&0被脫除。從脫水塔頂出來的產(chǎn)品氣在干凈化氣分離器中分離出攜帶的三甘醇溶液后進(jìn)入集配氣總站配氣區(qū)。3.2三甘醇循環(huán)流程從吸收塔底部流出的三甘醇富液經(jīng)換熱器升溫后進(jìn)入閃蒸罐，盡可能閃蒸出其中所溶的炷類，閃蒸氣用作燃料氣，閃蒸后的富液經(jīng)過濾器過濾后流入貧一富液換熱罐，甘醇富液被預(yù)熱到一定溫度后進(jìn)入重沸器，在重沸器中，富液中部分水分變成蒸汽，由重沸器精爆柱塔頂離開系統(tǒng)；再生后的甘醇貧液在換熱罐內(nèi)與甘醇富液換熱后，再泵送至吸收塔循環(huán)使用。（三）硫磺回收單元硫磺回收裝置是脫硫單元配套環(huán)保工程，主要是將脫硫單元脫除的酸氣轉(zhuǎn)化成硫磺，尾氣進(jìn)酸氣焚燒單元焚燒后經(jīng)煙囪排入大氣。核心單元（反應(yīng)單元）為系列連續(xù)化生產(chǎn)，輔助單元（硫成型單元）為間歇生產(chǎn)。主要生產(chǎn)裝置有：硫回收單元、硫磺成型和包裝、硫磺倉(cāng)庫(kù)第一凈化廠硫磺回收裝置處理酸氣能力10—27X10擇/d,其中H2S含量為1.3—3.4%（mol）o第二凈化廠硫磺回收裝置處理酸氣能力12-30XlO'k/d,其中旺含量為1.55-3.59%（mol）o兩套裝置均采用德國(guó)林德公司的Clinsulf-DO直接氧化法工藝。1、Clinsulf-DO工藝原理Clinsulf-DO工藝由德國(guó)Linde公司開發(fā)，采用該公司獨(dú)特的內(nèi)冷式Clinsulf反應(yīng)器將H：S直接氧化為單質(zhì)硫。該工藝允許酸性氣體流量范圍為500?50000n?/h之間，且對(duì)原料氣中H：S的濃度無下限要求，操作彈性很大,H￡允許濃度約為1?20%,這是常規(guī)Claus裝置所不能作到的。Clinsulf-Do工藝是一種選擇性催化氧化工藝。H：S與6在內(nèi)冷式催化劑床層內(nèi)反應(yīng)直接生成硫磺，而不發(fā)生足、C0及低級(jí)飽和烷的氧化反應(yīng)。反應(yīng)原理如下：H:S+3/202=====S02+H202H:S+S02=====3/xS:c+2H202、工藝流程簡(jiǎn)述空氣和脫硫單元來的酸氣按照一定的比例（理想配比的空氣數(shù)量是由一分子0」和1/2計(jì)算出來的，空氣和H2S的比例一般為0.42）經(jīng)過中壓蒸汽預(yù)熱至200°C后，進(jìn)入反應(yīng)器中，在催化劑的作用下酸氣中的硫化氫和氧氣發(fā)生放熱反應(yīng)生成單質(zhì)硫，反應(yīng)器的正常溫度為292.1°C（這個(gè)溫度隨著H2S含量的變化而變化,控制依據(jù)見下表），自反應(yīng)器出來的硫蒸氣經(jīng)過硫冷凝器、硫分離器后，液態(tài)硫進(jìn)入液硫儲(chǔ)槽后，由液硫泵將液體硫磺輸送到硫固化冷凝器，通過布料器均勻滴落于旋轉(zhuǎn)鋼帶上，在冷卻水的作用下，液體硫磺在鋼帶上固化成半球狀顆粒,收集于包裝料斗中。半球狀顆粒硫磺從包裝料斗中自由落下，由產(chǎn)品包裝稱自動(dòng)包裝，采用義車送入硫磺倉(cāng)庫(kù)儲(chǔ)存。尾氣進(jìn)入酸氣焚燒單元焚燒后排放。詳細(xì)的工藝流程見圖2.6。表2.2反應(yīng)器床層溫度（TI-1506A.TIT506B、TIT507A、TI-1507B）控制依據(jù)序號(hào)H：S含量（%）反應(yīng)器