高含硫天然气处理工艺在川东北高含硫气田工程的应用.DOC

1、高含硫天然气处理工艺在川东北高含硫气田工程的应用周璇 1 刘棋 1 魏志强 1 袁唯唯 1 谌天兵 1（1. 中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司中国石油工程设计有限责任公司西南分公司，四川 成都 610041）摘要：目前， 在我国已探明的 天然 气田气田中， 含硫天然气气田约 占 31.7%，而高含硫的天然气 净化难度大，对 于国内天然气的净化和使用就成 为一个重要课题。本文介 绍了川 东北高含硫气田工程宣汉天然气处理厂中所使用的天然气处理工艺，包括脱硫单元的 Sulfinol-M 工艺 ，脱水单元的 TEG 吸收法，硫磺回收单元的二级常规克劳斯（Claus）工艺以及尾气处理单元的串级

2、 SCOT 工艺等，为以后的高含硫天然气处理工艺设计提供参考。关键词：高含硫，天然气，处理， Sulfinol-M 工艺文献标识码：B中图分类号：TE64Application of High Sour Gas Treatment Process On Chuandongbei High Sour Gas Field ProjectZhou Xuan1, Liu Qi1, Wei Zhiqiang1, Yuan Weiwei1, Chen Tianbin1(1. China Petroleum Engineering Co., Ltd Southwest Company, SiChuan, C

3、hengDu, 610041)Abstract: So far 31.7 percent of all our countrys proven reserves is in the sour gas field reservoir. Its difficult to treat the high sour natural gas, natural gas purification and utilization in China has become an important topic. There is the pertinence high sour gas treatment proc

4、ess according to Chuandongbei high sour gas field project Xuanhan natural gas treatment plant Iin this article, which was including the sulfur removal unit by sulfinol-M processing, the dehydration unit TEG absorbing, the sulfur recovery unit by 2rd conventional Claus and the tail gas treatment unit

5、 by cascade SCOT processing. This article gives reference for the future design of high sour gas purification process.作者简介：周璇（1986.6-），女，四川广元人，助理工程师，硕士，从事油气加工专业的科研和工程设计工作基金项目：中国石油天然气集团公司（工程建设分公司）重点科研资助项目（2012GJTC-0402)Keywords: High Sour; Natural Gas; Treatment; Sulfinol-M Processing1 0 前言随着人口的逐步增多，

6、经济的迅猛发展，以及石油、煤炭等能源的逐步枯竭，人们对天然气需求日益增大，而在我国探明的天然气资源中，以四川东北部高含硫天然气为代表的含硫天然气约占 31.7%。因此高含硫天然气的开采和处理就显得日益重要。四川东北部罗家寨气田和滚子坪气田等大规模天然气气田中硫化氢含量约为 10.08%，川东北高含硫气田宣汉开县区块气田工程宣汉天然气处理厂处理这两个高含硫气田的天然气。原料天然气干基组成如下表 1 所示。原料气在标况下进厂表压约为力 7.3MPa.g 左右，温度在 10 到35之间。表 1 原料天然气干基组成组分 组成（% mol）CH4 81.38C2H8 0.07C3H12 0.02N2 0

7、.7H2 0.23H2S 10.08CO2 7.5He 0.02总计 100注：1、罗家寨气田 H2S 含量变化范围为：8.28%10.41% ，滚子坪气田 H2S 含量变化范围为：13.74%14.25%；2、CO 2 含量变化范围为：7%8%；3、含硫原料气还含有有机硫（COS）：264mg/m 3，总的有机硫含量为308mg/m3。天然气处理的目的是脱除气田开采出的含硫天然气中的 H2S 以及 H2O，并部分脱出CO2，使得天然气达到用于生产生活的要求。同时将脱出的含有 H2S 的酸性气体尽量转化为有用的化工原料（通常用于生产硫黄硫磺）宣汉天然气处理厂设计总处理量达 900104 m3/

8、d，根据设计，该项目建成后产品气量将达到 741.2104m3/d，硫黄硫磺产量将达到 1208.7t/d（40.810 4t/a） 。其产品和有关参数如表 2。表 2 产品气有关参数参数 含量产品气量 741.2104m3/dH2S 含量 20mg/m3总硫含量 200mg/m3CO2 含量 3%（mol%）水露点 -10烃露点 -10川东北高含硫气田工程共分为三期，总处理量高达 2100104 m3/d。目前川东北高含硫气田工程的 ODP1 宣汉天然气处理厂正处于施工阶段。如此大处理量的高含硫气田工程项目，其设计以及施工可借鉴的工艺技术非常有限。因此，本文简要介绍川东北高含硫气田的天然气处

9、理工艺，为以后的高含硫天然气处理工艺提供借鉴。21 总工艺流程宣汉天然气厂现建 3 列装置，每列处理量达 300104 m3/d。总体流程如图 1 所示。图 1 宣汉天然净化厂总体流程图含硫的原料气自集气末站进入脱硫装置，脱除天然气中的硫化氢和部分 CO2（净化气中 H2S20mg/m3，CO 2 含量3% （mol% ） 。湿净化气进入脱水装置进行脱水处理，脱水后的干净天然气即产品天然气的水露点10（出厂压力下），以满足天然气外输所需的露点要求。产品气经商业计量后外输。自脱硫装置出来的酸气进入硫黄硫磺回收装置，回收酸气中的硫黄硫磺，其硫黄硫磺回收率约为 93.38%，硫黄硫磺 回收装置产生的

10、液体硫黄硫磺 固化成型为副产品固体硫黄硫磺，经公路运输至火车站后外运。硫黄硫磺回收尾气送至尾气处理装置，从尾气处理装置吸收塔底出来的砜胺液作为半贫液从脱硫装置的中部进入吸收塔，经尾气处理装置处理后的尾气送至尾气焚烧炉焚烧后经烟囱排入大气，尾气处理装置的酸性水送至酸水汽提设施，汽提出的酸气返回硫黄硫磺回收装置，经汽提后的酸性水用作循环水补充水。3 2 脱硫单元32.1 概述脱硫单元脱出原料天然气中的 H2S 和部分 CO2，由于本工程原料气高含硫，并且有机硫含量较高，因此脱硫装置工艺方案为采用 Sulfinol-M 溶液对含硫原料天然气进行脱硫处理。经脱硫处理后湿净化天然气满足 H2S 含量20

11、mg/m 3，总硫含量（以硫计）200mg/m3，CO 2 含量 3%（ mol%） 。32.2 物理化学溶剂法 Sulfinol-M 工艺针对原料气高含硫，宣汉天然气处理厂采用物理化学溶剂法 Sulfinol-M（混合比例为15%Sulfolane，50% MDEA，35%H 2O（wt） ）脱硫。MDEA 通过化学反应吸收原料气中的H2S，这是由于 MDEA 为有机碱，与呈酸性的 H2S 气体可以发生如下反应，（3-1 ）(22)23+2(22)23MDEA 属于叔胺，因此不能直接与 CO2 生成胺基甲酸盐；同时，相对较大支链的存在又阻碍了活性位与 CO2 的接触，所以表现出对 H2S 的

12、选择性吸收。Sulfolane 不仅能跟 H2S、CO 2 等酸性气体进行如 3-1 类似的化学反应，还能够通过物理作用溶解这些酸性气体，其吸收酸性气体的平衡曲线如图 2 所示。从图中可以看出，在酸气分压较高的前提下，Sulfolane 对酸性组分的吸收能力比烷基醇胺水溶液强。废气经尾气焚烧炉燃烧后排向大气酸性气体吸收等温线 酸性气体吸收解析等温线图 2 Sulfinol 吸收酸性气体的平衡曲线正是由于物理化学结合的方法，Sulfinol-M 比纯的 MDEA 能最大程度的脱出原料气中的 H2S 和 CO2 等酸性气体。Sulfinol-M 工艺特点： 1、降低吸收溶液的表面张力，同时也是缓蚀

13、剂，Sulfinol 比热容小热交换负荷较低；2、Sulfinol 对烷醇胺的分解有抑制作用，此法不仅能净化 H2S 和CO2，还能脱出有机硫化物 1；3、溶液循环量及蒸汽消耗小；4、成本相对较高；5、对设备腐蚀轻微。32.2 透平的使用为更好的利用富 Sulfinol-M 溶液所含的能量，该工程设有专门的能量回收透平，将Sulfinol-M 溶液 中 蕴 有 的 能 量 转 换 成 机 械 功 ， 最 终 将 能 量 应 用 于 高 压 贫 胺 液 泵 。 类 似的 透 平 在 硫 黄 硫 磺 回 收 以 及 尾 气 处 理 单 元 均 有 使 用 。从脱硫吸收塔底部流出的富砜胺溶液，其绝对

14、压力高达 7.1Mpa2Mpa.g，经能量回收透平回收部分能量后，在进入闪蒸罐富砜胺溶液的绝对压力降至 0.129 Mpa.g。由于富砜胺的流量较大（大约在 4.75*105kg/h)，因此通过透平回收的富砜胺溶液能量较大，足以让高 压贫 胺 液 泵 运 转 ， 为 降 低 项 目 的 总 能 耗 提 供 很 大 帮 助 。43、 脱水单元43.1 概述该工程脱水工艺采用三甘醇（TEG）吸收法，原料气通过脱硫装置脱出 H2S 和 CO2 的湿净化气进入脱水单元，脱除其中水分，以达到国家天然气净化标准。43.2 TEG 吸收法作 为 溶 剂 吸 收 法 的 代 表 ， TEG 吸 收 法 一 般

15、 用 于 脱 硫 后 的 脱 水 2， 并 且 在 国 内 外 众 多 大 型工 程 中 得 到 广 泛 应 用 。 这 是 由 于 TEG 与 乙 二 醇 、 二 甘 醇 等 传 统 醇 类 相 比 ， 虽 然 其 溶剂再生能耗大，存在损失，易于被污染，氧化生成腐蚀性有机酸，设备占地空间较大，维护较为复杂，其投资和运行成稍高，但 是 其 热 稳 定 性 更 好 ， 更 易 于 再 生 ， 蒸 汽 压 更 低 ， 携 带 损 失 量更 小 3， 在 相 同 的 质 量 分 数 甘 醇 的 情 况 下 ， 其 能 获 得 更 大 的 露 点 降 4。 因 此 综 合 比 较 各 种 醇类 ， 一

16、 般 选 用 TEG 脱 水 。同 时 溶 剂 吸 收 法 与 固 体 吸 附 法 分 子 筛 吸 收 相 比 ， 虽 然 其 吸 湿 性 不 如 分 子 筛 吸 收 法 ， 但 是其 透 析 成 本 比 分 子 筛 吸 收 法 低 ， 并 且 适 用 于 大 流 量 的 高 压 天 然 气 ， 更 重 要 的 是 在 同 样 达 到净 化 标 准 的 前 提 下 ， TEG 脱 水 的 投 资 成 本 以 及 运 营 成 本 比 分 子 筛 吸 收 法 远 低 。 因 此 本 工 程 选用 TEG 吸 收 法 脱 除 湿 净 化 气 中 的 水 分 。5 4 硫黄硫磺回收单元54.1 概述硫

17、黄硫磺回收装置用于回收脱硫单元以及尾气处理单元汽提的酸气中的硫化氢硫黄硫磺。该工程硫黄硫磺回收装置采用二级常规克劳斯（Claus）工艺，设计硫回收率为 93.38%，单套装置硫黄硫磺产量约 611.90t/d。54.2 二级常规克劳斯工艺克 劳 斯 硫 黄 硫 磺 回 收 工 艺 经 过 100 余 年 的 发 展 ， 已 经 成 为 了 当 今 世 界 上 最 成 熟 的 硫 黄 硫磺 回 收 工 艺 5。 在克劳斯反应的热反应段，三分之一的 H2S 在反应器内按照以下反应被燃烧成 SO2，(5-1)32+32222+2+2然后剩下的 H2S 和 SO2 在热反应段和催化反应段反应生成硫单质

18、，(5-2)22+23+22由 于 克 劳 斯 反 应 可逆反应，因此 H2S 和 SO2 完全转化是不可能的，并且第二步反应中生成的水阻碍了转化，这样就限制了总硫的回收，最为关键的是在实际操作中，第二步反应 H2S 和 SO2 的比例很难一直维持在 2:1，因此二级克劳斯的硫黄硫磺回收率最高达到 96%左右，三级克劳斯的硫黄硫磺回收率最高达到 98%左右，由于三级克劳斯比二级克劳斯增加了一级反应转化段，而相应的硫黄硫磺回收率仅提高了 2%左右 6，并且该工程的尾气处理单元采用串级 SCOT 工艺，因此硫磺回收装置最终选用了二级转化常规克劳斯工艺。6 5 尾气处理单元65.1 概述该工程的尾气

19、处理装置与硫黄硫磺产量约为 611.90t/d 的硫黄 硫磺回收装置匹配。装置设计采用还原吸收法（串级 SCOT 工艺） ，与硫黄硫磺回收装置一起，总硫回收率达到99.8%以上，排放气中 SO2 排放量 49.3kg/h（单套） 。65.2 串级 SCOT 工艺针对原料气高含硫，宣汉天然气处理厂尾气处理装置采用还原吸收法（串级 Scot 工艺）处理硫黄硫磺回收装置的尾气。尾气中所含的硫化物和元素硫几乎全部还原成 H2S，经冷凝冷却除去大部分水份后，在低压脱硫吸收塔通过 MDEA 溶液选择性吸收，尾气中所含的大部分 H2S 被脱除后去焚烧炉焚烧后排放，富胺液返回脱硫装置吸收塔进一步吸收酸气。同时

20、，冷凝后的含硫酸水经酸水汽提塔汽提，提浓后的含 H2S 气体返回硫黄硫磺回收装置进行回收硫黄硫磺。通过 Scot 吸收塔底部出来的 Sulfinol-M 半贫液由半贫液泵送入脱硫装置的脱硫吸收塔中部。SCOT 工艺已经被证实是减少 SO2 排放量最为有效的方法之一，是目前世界上装置建设最多，净化程度最高的尾气处理技术 7。而串级 SCOT 工艺与其他尾气处理工艺相比，串级 SCOT 工艺投资较低，装置占地面积小，操作成本也较低；对克劳斯硫回收装置的适应性强，净化度高，硫回收率高（高达 99.8%） ，且排放废气中 SO2 含量960mg/m 3，满足国家环保标准 GB16297-1996大气污

21、染物综合排放标准 的要求。串级 Scot 工艺是将规模、环境以及计划投资和运行效果等最佳结合的硫回收工艺技术。65.3 焚烧部分从 SCOT 吸收塔塔顶出来的排放气和来自硫黄硫磺回收装置液硫池的抽出气体以及从脱硫装置闪蒸气吸收塔排出来的气体分别进入焚烧炉进行焚烧，由于尾气焚烧炉的操作温度为 760，因此焚烧后排放废气中的 H2S 含量低于 10mL/m3ppm。由于设置了焚烧炉余热锅炉以及蒸汽过热器，可以最大限度的回收排放废气中的热量，提高装置的能量回收率。从焚烧炉出来的烟气在焚烧炉余热锅炉中被冷却到大约 425，然后进入蒸汽过热器进一步冷却回收热量，冷却后的烟气温度为 300左右，通过 10

22、0m 高度烟囱排放至大气。65.4 酸水汽提部分来自脱硫装置再生塔的酸水、硫黄硫磺回收装置的酸水以及尾气处理装置急冷塔的酸水汇入酸水收集罐，均在酸水汽提塔中汽提。未被冷凝的酸气则返回至硫黄硫磺回收装置进一步回收硫黄硫磺。从酸水汽提塔底部出来的的汽提水经汽提水冷却器和汽提水后冷却器进一步冷却到 40左右的酸水作为循环水补充水使用。7 6 结语针对处理高含硫天然气，本工程选用了脱硫效果较好的物理化学溶剂法 Sulfinol-M 工艺。此法在 H2S 和 CO2 共存的条件下，不仅能从天然气中脱出 H2S，同时还具有良好的脱除有机硫的能力。吸收 H2S 和 CO2 的富液借助简单的加热闪蒸就能实现溶

23、液的再生，这样进一步降低能耗；在较高酸气分压下，溶液除化学性吸收酸气外，还有较高的酸气溶液度，降压升温使酸气解析，溶液循环再用。净化度高，具有高的脱有机硫效率，在高 H2S 分压下能耗显著低于胺，酸气烃含量高于胺法，特别适用于川东北高含硫气田工程。对 于 脱 水 工 艺 ， 相 较 而 言 ， 虽 然 TEG 的 脱 水 率 较 分 子 筛 而 言 比 较 低 ， 但 是 其 投 资 与 操作 成 本 远 低 于 分 子 筛 吸 收 法 ， 并 且 使 用 TEG 脱 水 法 已 经 能 够 得 到 满 足 国 家 标 准 的 产 品 气 ，因 此 综 合 考 虑 脱 水 率 、 投 资 成

24、本 以 及 运 营 成 本 等 因 素 ， 最 终 选 择 使 用 TEG 脱 水 。硫黄硫磺回收装置选用的二级常规克劳斯工艺的硫回收率达到 93.38%，结合尾气处理装置的串级 SCOT 工艺，以及投资成本等因素，本工程选了的应用最为广泛的二级常规克劳斯工艺。尾气处理装置选用的还原吸收法（串级 Scot 工艺）处理硫黄硫磺回收装置的尾气，该工艺是减少 SO2 排放量最为有效的方法之一，并且目前在世界上装置建设最多，净化程度最高。硫回收率也较高，使最终排放的废气满足国家大气污染物综合排放标准的要求。川东北高含硫气田工程宣汉天然气处理厂采用的天然气处理工艺处理后的产品气质量符合国家标准天然气II

25、 类天然气技术指标。这为国内高含硫天然气工程提供一个真实可行的依据。参考文献：1 姚春旭.川东北高含硫天然气脱硫脱碳工艺研究D . 青岛：中国石油大学（华东） ；2011.2 罗小军，刘晓天，万书华 .分子筛吸附法在高酸性天然气脱水中的应用J. 石油与天然气化工.2007,36(2):118-123.3 向波，彭磊，边云燕.高含硫天然气脱水工艺技术探讨J. 天然气与石油.2006,24(2):1-5.4 马卫锋，张勇，李刚，等.国 内 外 天 然 气 脱 水 技 术 的 发 展 现 状 及 趋 势 J.管道技术与设备.2011,50(6):49-51.5 吕岳琴，丁湘，王以朗.高含硫天然气硫磺回收及尾气处理工艺技术J. 天然气工业.2003,23(3):95-97.6 谌天兵，郭庆生，王涛，等.高含硫气田工程硫磺回收装置工艺比选J. 天然气与石油.2011,29(3):24-26.7 汪家铭，林鸿伟 .SCOT 硫回收尾气处理技术进展及应用J. 化肥设计.2012,50(4):7-11.