小型天然气脱硫装置的应用.pdf

第 6期 付玄 等 小型天 然 气脱 硫装 置 的应用 2 1 小型天然气脱硫装置的应用 付 玄， 傅波， 罗 华 I t J I 大学制造科学与工程学院 ，l t J I 』成都 6 1 0 0 6 5 摘要 针对偏远天然气站场及周边无法直接使用含硫天然气， 常采用的脱硫厂集中净化后再铺设管道送回的方式 ， 费用昂 贵， 为此设计 一种小型天然气就地脱硫装置 ， 可以高效低成本地解决此难题 。 装置按照三级结构 进行设计 第一级为脱水器 ， 分 离出含硫天然气中多余水分 ； 第二级为脱硫装置 ， 采用氧化铁脱硫剂 ， 不仅硫容大且 可以利用空气再生 ； 第 三级为纤维膜脱碳 器 ， 排除燃气中过量 的二氧化碳 ； 最终使其达到民用天然气标准 。经试运行证 明， 该装 置可根据不 同使用情况直接调节脱硫剂 运行量 ， 可直 接 目视脱硫剂状态 ， 结构简单便于拆装 ， 能很好地 满足偏远天然气井站、 集气站场及周边等对天然气净化 的需求 。 关键词 天然气 ； 就地净化 ； 偏远地区 ； 脱硫 ； 脱水 ； 脱除二氧化碳 ； 氧化铁脱硫剂 中图分类号 T Q 2 1 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 ． 9 2 1 9 2 0 1 1 0 6 2 1 0 4 中国含硫 主要为 H 2 S 气田的天然气产量 占全 国的 6 0 ％以上 ，虽 目前各种脱硫技术广泛应用 ， 但 对于一部分位于偏远 山区的站场及其周边 ， 尚无法 就地对天然气进行脱硫以供其使用 ， 常用的脱硫厂 集 中净化后再铺设管道送 回的方式 ， 费用昂贵。为 此设计 了一种能够就地脱硫装置， 使处理后 的天然 气达到 H2 S含量2 0 m g ／ m 的民用标 ” ， 以满足站 场乃至周边居 民对脱硫天然气的日常需求。该装置 对于天然气这种清洁能源的有效合理利用具有重 要 意 义 。 时考虑的主要问题及解决方案如下 1 气井 区地 形复杂 ， 远离交通要道 ， 因此装置不使用 电源 ， 一次 安装后可长时间使用 ， 所 以采用干法脱硫 ， 且选择 可还原型脱硫剂 ； 2 各地天然气 中 H S含量并不 恒定 ， 且用户用气量时高时低 ， 因此脱硫装置应可 根据实际的使用情况变换运行量 ； 3 除站场工作 人员外 ， 普通居民也能使用 ， 因此结构不能复杂 ， 使 用拆装及维修容易 ； 4 天然气易燃 ， H 2 S剧毒且腐 蚀性强 ， 所以装 置应具有较高的安全性 ， 主要是管 件的密封性好和抗腐蚀能力强。 1 技术难点分析 2 设计方案 根据部分偏远天然气井站、 集气站场及周边等 的用气需求 调查 ，统计 出大部分用户的需求数据 为 天然气用量 1 5 0 0 mg ／ m ， C O 2 体积分数 5 ． 2 ％。 基于站场及周边居 民的用气特点 ， 装置在设计 收稿 日期 2 0 0 7 1 0 0 8 ； 作者简介付玄 ， 1 9 8 7年生 ，硕士 ； 2 0 1 0年毕业于 四川大学制造学院并获学士学位 ；主要研究 方向为机电产 品的多 目标优化 。地址 6 1 0 0 6 5 四川大学制 造 科 学 与 工 程 学 院 。 电 话 1 5 8 8 2 4 8 0 8 7 4 。 E m a i l f u x u a n 1 2 6 7 s i n a ． c o m 2 ． 1 脱硫剂及装置材料的选择 通过 比较几种常用干法脱硫剂的技术指标 ， 选 择氧化铁脱硫剂 ， 一种铁、 锰盐及其氧化物合成 的 条状脱硫剂 ，失效后颜色会 由红色变成深黑色 ， 反 应化学方程式如下 F e 2 0 3 H2 0 3 H z S F e z S 3 H 2 0 3 H 2 0 脱硫 F e H O 3 ／ 2 0 2 F e 2 0 3 H 2 0 3 S 再生 2 H z S O H 2 0 2 S 氧化铁相当于催化剂 由于 H S及其反应后生成物的高腐蚀性 ， 以及 对 防锈 、 加工等方面的考虑 ， 容器管道材料选择抗 酸性腐蚀能力强的 0 C r l 8 N i 9 T i 不锈钢 ， 整个装置的 支 架 和 箱 体 材 料 选 择 耐 磨 性 及 减 振 性 较 好 的 H ， I ’2 0 0灰铸铁 。 2 ． 2 基本结构和工作原理 2 _ 2 _ 1 进气管道部分 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 天然气化工 2 0 1 1 年 第 3 6卷 图 1为脱硫装置 ，原料天然气从下方进入 ， 因 H2 S密度大于 C H ， 因此可增加其通过时间 ， 使脱硫 反应充分。 另外 F e 0 遇水易粉化板结 ， 堵塞管 口造 成高压破裂 ，因此在装置进气 口处装有一个安全 阀， 量程为 1 MP a【 2 】 。 1 一 针形截止 阀 ； 2 一 安全 阀 3 一一片式 球阀 ； 4 一 带颈法兰 ； 5 一无缝钢管 ； 6 一 带颈视镜 ； 7 一 乙烯软管 ； 8 - 压力表 ； 9 一 管道固定件 ； 1 0 - 橡胶垫片 图 1 脱硫装置 F ． 1 Th e d u l f u dz a fio n s y s m 2 ． 2 ． 2 脱硫瓶部分 脱硫瓶采用无缝钢管焊接带颈法兰的结构 ， 不 仅便于加工 ，且 比起焊接端盖式更便 于装取脱硫 剂 。带颈视镜镜 片采用硼硅 玻璃[ 3 1 ， 其前端 面上翘 5 。 ， 以防止积水造成腐蚀 。视镜用于观察氧化铁状 态 ， 从而推断脱硫后气体是否合格 。脱硫瓶 内部上 下端均放置一层 8目- 1 0目的不锈钢丝 网，防止条 状氧化铁进入管道 ，下端再铺 2 0 mm厚 的焦炭粒 ， 作为缓冲层及吸收其他杂质气体。 2 ． 2 ． 3 瓶体与管道连接部分 脱硫瓶下端与进气分管采用带螺纹 的接头连 接 ， 并在下支撑板上配有橡胶垫片 ， 以抵消安装 中 的对接误差。脱硫瓶上端与出气分管采用带卡箍的 乙烯软管连接 ， 以调整安装中的高度误差 。整套装 置每个进气和出气的分管道上均装有一片式球阀， 且采用 四个脱硫单位并行运行模式。因此 ， 装置～ 方面可以根据实际用气量决定脱硫瓶运行数 ； 另一 方面可使部分脱硫瓶处于工作时 ， 部分脱硫瓶取下 还原内部氧化铁。 2 ． 2 ． 4 仪表及 固定件部分 进气和出气总管各连接有一只弹簧管压力表 ， 因测量动态压力时 ， 最大工作压力不超过量程的 2 ／ 3 ， 故量程选择为 0 - 1 ． 6 MP a 。在正常工作情况下 ， 扣 除脱 硫量 及 压 降 ，两 表存 在 的压 差 为 0 ． 2 MP a 一 0 ． 3 M P a 问 。位于装置后部的支撑板 ， 除安装有仪表管 道支架外 ， 还配有 4组管道固定件 ， 用 以限制脱 硫 瓶的水平位移 ， 并减小由于气体瞬时高速或含量不 均时引起的振动。 2 ． 2 ． 5 脱碳装置部分 图 2为脱碳装置 ， 位于脱硫装置的下一级。 因气 体中含有一定量的 C O ， 可导致燃烧时出现短火 ， 降 低热值 ， 所以在最后还需进行脱碳 ， 使燃气中 C 0 9 ≤3 ％t” 。 装置采用双瓶醋酸纤维束膜分离 C O ， 其利 用气体 中各组分在压力下通过分离膜的渗透系数 不同 C O 为 6 ， C H 4 为 0 ． 2 ， 使大部分烷烃气体得以 保留最终进入用户端 ，而 大部分 C O 被膜透过排 空。 经上一级脱硫后 ， 脱碳装置进 口压力为 0 ． 3 MP a 0 ． 6 M P a ， 满足分离膜工作压力 0 ． 2 M P a 0 ． 5 MP a ， 故 不需泵增压。 图 2 脱碳装置原理简图 Fi g ． 2 S c h e ma tica g r a m o f t h e d e c a r b o n i z a fio n s y s t e m 2 ． 2 ． 6 防腐和密封措施 装置主要应防止硫化物应力腐蚀开裂 S S C 和 氢诱发裂纹 H I C t Z 。所以在结构上 的主要措施有 1 开 口焊接处补强及焊后热处理 ； 2 连接处采用 带颈件避免截面积差过大； 3 使用机械伤痕较少 的无缝钢管 。三者均可减少残余应力和应力集 中， 因其为开裂的突破 口。在材料上 的主要措施有 1 因钢管壁厚 4 m m， 可不考虑腐蚀裕量 ， 但 内壁 喷 涂有混合 l 0 ％的 C 1 12 1 5缓蚀剂的铝加 环氧树脂 ； 2 灰铸铁刷涂改性高氯 乙烯漆圈； 3 停工 中用质 量分数为 1 ． 5 ％- 3 ％的 N a C O ， 溶液清洗容器及惰性 气体封闭。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6期 付玄等 小型天然气脱硫装置的应用 2 ． 3 主要数据计算 2 ． 3 ． 1 带视镜脱硫瓶 因原料气含硫量高 ， 脱硫精度要求高且操作压 力低 ， 故空速取低值 ， 为 4 0 0 h 。 因内压容器设计压力 为 1 ． 0 1 ． 1 倍的工作压力[6 1 ， 故 内压设计为 1 ． O MP a 。 1， 填充量计算 V R r 1 式 中 旷脱硫剂填充量／ m ； V 。 ． 原料气标态流量， m 3 ／ h ； V 脱硫剂空速／ } l ～ 。 圈 3 脱 硫 瓶 工 程 图 Fi g ．3 S t r u c t u r e d i a g r a m o f t h e d e s u l f u r i z a t i o n b o t t l e 脱硫瓶 如 图 3 填充 量 0 ． 0 0 2 5 m ，瓶体为 D N1 0 0无缝钢管 ， 视镜为 D N 5 0带颈视镜 ， 开 口焊 接处面积补强为 1 0 0 m m 。 2 ． 3 ． 2管道 管径计算 1 8 ． 8 o 2 式中 d ． 管道内直径／ m m； V 广 流体体积流量／ m ； 一 流体平均流速h r d s 。 PD 壁厚计算 3 式中 ． 管计算壁厚／ c m； P - 管线设计 内压力／ MP a ； D 一 管外径／ c m 设计系数 ，天然气取 O ． 5 ； 一 管屈服极 限 ， MP a ； ． 焊缝系数 ， 元缝钢管取 1 ， 总管取 D N1 5 ， 壁厚 1 ． 6 m m， 分管取 D N 7 ， 壁厚 l m m。 2 ． 3 ． 3 使用寿命 0． 4v d1 0 使用寿命计算嘲 一 4 式中 ‘ 一 使用寿命／ d ； 4 0 ％一 脱硫剂累计硫容 ； t J 一 脱硫 剂装填体积， m ； 脱硫剂的堆密度／ g ／ r, a ； 1 0 一 工作时 间 1 0 h ／ d ； Q一 进脱硫瓶的气量 ， m ； c 一 进脱硫瓶 的 气中 H2 S含量／ g ／ m 。 单位脱硫瓶一次性理论使用寿命为 1 6 3 d ， 整套 装置一次性理论使用寿命为 6 5 0 d 。 3 结论与讨论 3 ． 1 运 行 的效果 1 装置试 运行 中 ， 对 H2 s的脱 除效果 表现 良 好 ， 出口H2 S含量 0 ． 5 mg ／ m3 - 7 mg ／ m3 ， 满足设计要求。 天然气处理量达 1 ． 5 2 m 3 ／ h 。装置 4个脱硫瓶满负荷 运行 ， 一次性使用周期超过 3 0 0 d 。 2 通过视镜可实时观察到脱硫剂状态 ， 氧化铁 失效后可明显观察到变黑。经 3次还原后的氧化铁 装瓶使用 ， 对天然气 的脱硫能力仍满足要求 。 3 装置运行平稳 ， 无明显振动。每 3个月对装 置进行泄漏检查 肥皂水涂于接 口和焊接处等容易 泄漏 的地方 ， 均未发现 冒泡 ， 故装置耐腐蚀性和密 封性 良好。 3 ． 2 存 在 的 问题 1 脱硫瓶视镜易受污染 ， 内侧附着 F e 2 0 ， 泥化 物及含硫酸性物质 ， 每次脱硫剂倒 出还 原后 ， 视镜 清洗困难。现主要采用“ L ” 型的自制棉刷 ， 对视镜进 行清洁。 2 脱碳装置醋酸纤维素膜分离 C O 时 ， 仍有 部分烷烃被透过排空 ， 损失量达 5 ％- 1 3 ％。现主要 采用分层多级布置醋酸纤 维素膜 ，以减少烷烃损 失 。 3 脱硫剂经 5次还原后 ， 脱硫效率降低明显 ， 氧化铁表面附着大量单质硫 ，阻碍了 F e 0 3 H 0和 H 2 s接触 ， 致使硫容下降。 现主要采取对还原 5次的 氧化铁 ， 作废 旧原料送回制造单位进行再加工。 参考文献 【 1 1 G B 1 7 8 2 0 --1 9 9 9 ． 天然气【 s 】 ． 【 2 】 魏顺安． 天然气化工 工艺学[ M】 ． 北京 化学工业 出版 社 ， 2 0 0 9 ． 【 3 _I 金国淼艚 玻璃容器[ MI ． 北京 化学工业出版社， 2 0 0 9 ． 【 4 ] 杨帮文． 新 型仪 器仪表实用手册[ s 】 ． 北京 电子工业出版 社 ， 2 0 0 7 ． [ 5 】 何业东． 材料腐蚀与防护概论[ MI ． 北京 机械工业出版 社 ， 2 0 0 5 ． 【 6 】 董大勤． 压力容器与化工设备实用手册[ S 】 ， 北京 化学工 业 出版社 ， 2 0 0 0 ． 【 7 ] 陈祝年． 焊接工程师手册[ S ] ． 北京 机械工业出版社 ， 2 0 0 4 1 6 3 ． 1 8 5 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 天然气化工 2 0 I i 年第 3 6卷 Us e o f s ma l l e q u i p me n t f o r d e s uif u r i z a t i o n o f n a t u r a l g a s FUXu a n， F U B o ． LU O Hu a S c h o o l o f Ma n u f a c t u ri n g S c i e n c e a n d E n g i n e e ri n g ， S i c h u a n U n i v e r s i t y ， C h e n g d u 6 1 0 0 6 5 ， C h i n a Ab s t r a c t S o u r n a t u r a l g a s c o u l d n’ t b e d i r e c t l y u s e d i n r e mo t e n a t u r a l g a s y a r d s a n d t h e i r n e a r b y a r e a s ， a n d o fte n wa s t r a n s p o r t e d b y p i p e t o t h e c e n t r a l i z e d p u ri fi c a t i o n p l a n t s t o p u ri i t the n r e t u r n e d b a c k f o r u s e ， w h i c h c o s t t o o m u c h ． A c o s t ． e ffic i e n t s m a l l e q u i p m e n t fo r l o c a l d e s u l f u r i z a t i o n o f n a t u r a l g a s w a s d e s i g n e d t o s o l v e the p r o b l e m． I t w a s c o mp o s e d o f thr e e s y s t e ms 1 d e h y d r a t i o n s y s t e m fo r remo v a l o f w a t e r i n n a t u r a l g a s ； 2 d e s u ff u fi z a t i o n s y s t e m w i th t h e h ilg h c a p a c i ty g e n e r a b l e i r o n o x i d e d e s u u ri z e r ， a n d 3 m e m b r a n e s y s t e m fo r r e mo v al o f c a r b o n d i o x i d e ， a n d the n a t u r a l g a s t r e a t e d b y i t c o u l d me e t d o m e s t i c n a t u r a l g a s q u a l i t y s p e c i fi c a t i o n ． T h e fi e l d t e s t r u n p r o v e d t h a t the o p e r a t i n g l o a d o f d e s u l f u r i z e r c o u l d b e a d j u s t e d d i r e c tl y a s d e m a n d e d a n d the s t a t e o f d e s u l f u r i z e r c o u l d b e v i s u all y o b s e r v e d ． Th e e q u i p me n t wa s s i mp l e i n s t r u c t u r e a n d e a s y t o u n p a c k ， a n d c o u l d we l l me e t the d e ma n d for i n s i t u p u ri fi c a t i o n o f n a t u r a l g a s i n r e mo t e g a s y a r d s a n d t h e i r n e arb y a l i a s ． Ke y wo r d s n a t u r a l g a s ；i n s i t u p u ri fi c a t i o n ；r e mo t e a r e a ；d e s u l f u r i z a t i o n ；d e h y d r a t i o n ；c a r b o n d i o x i d e r e mo v al；i ron o x i d e d e s u l r i z e r 上接第 1 0页 3 5 ％降低到 2 ％以下， 满足沼气净化 的要求 ，可以用于沼气净化制备车用燃气。此外 ， MA溶液对 C O z 的吸收速率快 ， 稳定性好 ， 使用寿命 长 ， 有望用于更多的脱碳领域。 参考文献 【 1 】 施耀 ， 项菲 ， 李伟 ， 等． 混合有机胺吸收烟道气 中 C O 2 的交 互作用机理田． 中国环境科学 ， 2 0 0 3 ， 2 3 2 2 0 1 - 2 0 5 ． 【 2 】 A ／ p e r E ．R e a c t i o n m e c h a n i s m a n d k i n e t i c s o f a q u e o u s s o l u t i o n s o f 2 - a mi n o -- 2 - -me t h y l -- 1 - p r o p a n o l a n d c a r b o n d i o x i d e [ J ] ． I n d E n g C h e m R e s ， 1 9 9 0 ， 2 9 8 1 7 2 5 1 7 2 8 ． 【 3 】 A ro o n w i l a s A ， T o n t i w a c h w u t h i k u l P ． Hi g h e ffic i e n c y s t r u c t u r e d p a c k i n g for C 02 s e p ara t i o n u s i n g 2 - a mi n o 2 -- m e t h y l 一 1 一 p rop a n o l A M P [ J ] ． S e p P u r i f T e c h n o l ，1 9 9 7 ， 1 2 【 4 】 【 5 】 8 】 【 9 】 1 6 7 7 9 ． 陈赓 良． 醇胺法脱 硫脱碳工艺 的回顾 与展望 f J 】 ． 石油与 天然气化工， 2 0 0 3 ， 3 2 3 1 3 4 ． 1 3 8 ． 项菲 ， 施 耀 ， 李伟． 混合有机胺 吸收烟道气 中 C O 的实验 研究【 J 】 ． 环境污染 与防治， 2 0 0 3 ， 2 5 4 2 0 6 2 0 8 、 2 2 5 ． 薛全 民， 周亚平． 甲基二 乙醇胺水溶液吸收 C O 的研究 【 J 1 ． 化学工程， 2 0 0 9 ， 3 7 9 l _ 4 ． 邢银全 ， 刘有智． 超重力法脱除合成氨原料气 中二氧化 碳的实验研究[ J 】 _ 天然气化工， 2 0 0 7 ， 3 3 1 2 9 3 3 ． 彭修军， 何金龙， 岑兆 海， 等． 活化 MD E A脱碳 溶剂 C T 8 ． 2 3的研究【 J 】 ． 石油与天然气化工， 2 0 1 0 ， 3 9 5 4 0 2 - 4 0 5 ． 毛松柏． N C MA法脱碳新技术及应用[ J 】 ． 化学工业与工 程技术． 2 0 o 7 ， 2 8 3 1 - 3 S t ud y o n a b s or pt i on o f c a r b on d i o x i de i n M A a qu e o us s ol ut i o n G A0 S h e n g , L 1 UXo e -j u n , WA N G G u a n g - q u a n ， L I Y u - mi n , A I N i n g , WUJ i e ， J I J i a n b i n g C o l l e g e o f C h e m i c a l E n g i n e e ri n g a n d Ma t e r i a l s S c i e n c e ， Z h e j i a n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， H a n g z h o u 3 1 0 0 1 4 ， C h i n a Abs t r a c t Ab s o r p t i o n o f c arb o n d i o x i d e i u MA a mi x t u r e o f MDE A a n d t h e h i n d e r e d a mi n e 1 a q u e o u s s o l u t i o n w a s s t u d i e d i u a p a c k e d c o l u mn fi l l e d wi th t ria n g u l a r s p i r al p a c k i n g ． nl e i n f l u e n c e s o f e x p e ri me n t a l c o n d i t i o n s i n c l u d i n g MA c o n c e n t r a t i o n ． a b s o rp t i o n t e mp e r a t u r e a n d fl o w r a t e s o f a bs o r b e n t a n d f e e d g a s o n ab s o r p t i o n r a t e o f c a r b o n d i o x i d e w e r e i n v e s t i g a t e d ． T h e r e s u l t s s h o we d t h a t the a b s o rpt i o n r a t e o f c arb o n d i o x i d e r e a c h e d 0 ． 0 1 0 2 8 mo 1 ． m。 s ’ u n d e r the c o n d i t i o n s o f MA ma s s fra c t i o n o f 4 0 ％ i n a b s o r b e n t s o l u t i o n ，ab s o r p t i o n t e mp e r a t u r e o f 4 0 ，a b s o r b e n t s o l u t i o n fl o w r a t e o f 1 0 I a n d f e e d g a s fl o w r a t e o f 8 0 Uh 。a n d t h e v o l u me fr a c t i o n o f c a r b o n d i o x i d e i n f e e d g a s d e c r e a s e d t o 0 ． 1 ％ f r o m 3 5 ％ ． Ke y wo r ds MA； MDEA； c a r b o n d i o x i d e r e mo v a l ； b i o g a s p u ri fi c a t i o n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m