1.1脫硫的目的和意義

天然氣中通常含有H₂S、CO₂和有機硫化物等酸性組分存在，這些氣相雜質(zhì)在水存在的情況下會腐蝕金屬，并污染環(huán)境。含硫組分有難聞的臭味、劇毒、使下游工廠的催化劑中毒等缺點。CO₂含量過高會使天然氣的熱值達不到要求。就管輸來說，主要根據(jù)安全平衡供氣并兼顧到人身健康安全而確定各項具體指標，一般天然氣中H₂S含量應低于20mg/m³,CO₂的含量不超過2%～3%。

1.2 技術(shù)路線及方案比較

天然氣脫除酸性組分的方法有化學溶劑法，物理溶劑法,物理化學溶劑法，直接轉(zhuǎn)化法，非再生性法和膜分離法。 
    化學溶劑吸收法主要包括一乙醇胺法（MEA法）、改良二乙醇胺法（SNPA-DEA法）、甘醇胺法（DGA法）、二異丙醇胺法（DIPA法）、甲基二乙醇胺法（MDEA法）、改良熱鉀堿法（Catacard法和Benfield法等）、氨基鹽酸法（Alkacid法）等。該法特點凈化度高，適應性寬，經(jīng)驗豐富，應用廣。 
    物理溶劑吸收法主要包括多乙二醇二甲醚法（Ｓelexol法）、碳酸丙烯酯法（ＦluorＳolvent法）、冷甲醇法（Ｒectisol法）等。該法主要特點為再生能耗低，吸收重烴，高凈化度需有特殊再生措施，主要用于脫碳。 
    物理化學吸收法主要包括Sulfinol-D法和Sulfinol-M法。該法主要特點為脫除有機硫好再生能耗低，能夠吸收重烴。 
    直接氧化法主要包括蒽醌法（Stretford法）、改良砷堿法、鐵堿法和海綿鐵法。其特點為集脫硫和硫回收于一體，溶液硫容低。 
    膜分離法主要包括Prism,Separex,Gasep,Delsep等。其特點為能耗低，適于處理高含二氧化碳的脫除。 

非再生性法主要有Chemsweet,Slurrisweet法等。其特點為裝置簡易，廢液需妥善理。 

下面就各種脫硫溶劑的特點及脫硫情況做一些敘述:

1. MEA法:本法為化學吸收過程,操作壓力影響小,在3-7 低壓操作仍可以達到管輸要求，當酸氣含量不超過3%（體）用此法比較經(jīng)濟；對于酸氣含量超過3%也可以用此法，但由于溶液循環(huán)量大，再生耗熱高，因而操作費比物理吸收法高，此法可以部分脫除有機硫化合物，為常用脫硫方法，應用廣泛。

2. SNPA-DEA法：適用于高壓，高酸氣濃度，高硫碳比的天然氣凈化，當硫化氫的分壓達到4，此法比MEA法經(jīng)濟。 

3. DGA法：用于高酸氣含量的天然氣凈化，比其它醇胺溶劑腐蝕性小，再生耗熱少，DGA水溶液冰點在-40℃以下，可極寒冷的地區(qū)使用。 

4. DIPA法：脫硫情況與MEA法大致類似，可脫除部分有機硫化合物，在二氧化碳存在時對硫化氫吸收有一定的選擇性，腐蝕性小，胺損失量小，蒸汽消耗較MEA法小。 

5. MDEA法：類似于MEA法，在高碳硫比下能選擇脫除硫化氫，循環(huán)量小，操作費用低蒸汽壓低，損失小應用極廣。以活化MDEA溶液可脫除大量二氧化碳。 

6．改良熱鉀堿法：適用于含酸氣8%以上，碳硫比高的天然氣凈化，壓力對操作影響較大，吸收壓力不宜低于20，合成氨廠大量用此法脫二氧化碳。 

7．氨基酸鹽法：對硫化氫具有高度選擇性，可用于常壓或高壓氣體脫硫脫碳，凈化氣中硫化氫含量達不到6毫克每標方。 

8．多乙二醇二甲醚法：用于高二氧化碳，低硫化氫含量，高酸氣分壓的天然氣選擇性脫硫，可同時調(diào)整天然氣的水、烴露點溫度。 

9．碳酸丙烯酯法：主要用于從高酸氣分壓氣體中脫除二氧化碳和硫化氫，也可以脫除有機硫化合物，吸收在低溫下進行，有時需用制冷設備冷卻貧液，在相同條件下投資和操作費用均低于熱鉀減法。 

10．冷甲醇法：溶劑在高壓低溫下對二氧化碳和硫化氫有很高的溶解度，可同時脫除有機硫化合物，而且凈化氣有較低露點，過程能量和熱量消耗均低，并可選擇性脫除硫化氫。缺點是由于在低溫下操作，流程比較復雜，溶劑損失比較大。本法較適宜凈化酸氣分壓大于10的天然氣。主要用于煤氣和合成氣脫硫，也可用于液化天然氣凈化。 

11．Sulfinol-D法：兼有物理吸收和化學吸收的作用，天然氣中酸氣分壓達到7.7,硫碳比大于1時，此法比MEA法經(jīng)濟，它的缺點是吸收重烴，此法能脫除有機硫化合物，為重要的天然氣脫硫方法。 

12．Sulfinol-M法：兼有物理吸收和化學吸收的作用，對于高碳硫比天然氣有*的選擇性。 

13．蒽醌法：吸收并將硫化氫轉(zhuǎn)化為元素硫，硫容量小，用于凈化低硫化氫濃度的天然氣，可選擇性脫除硫化氫，凈化氣含硫量低，多用于合成氨原料氣及城市煤氣脫硫。 

14．改良砷堿法：主要用于氣體脫二氧化碳，，也可用于日處理天然氣含硫量不超過15噸每天，硫化氫濃度不超過1.5%的天然氣凈化，有砷污染問題，合成氨原料氣脫二氧化碳的主要方法。 

15．鐵堿法：當有二氧化碳存在時，可選擇性脫除硫化氫，但硫容量低，較適合凈化低硫化氫含量的天然氣，為較早使用的脫硫方法。 

16．鐵海綿法：可選擇性脫硫，適合于硫化氫含量不超過24克每標方的低和中等含硫天然氣，日產(chǎn)硫磺量應以不超過7～9噸為宜，凈化度高，操作簡便。

1.3國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展

1.3.1 胺法脫硫

目前國內(nèi)外脫硫溶劑多采用以MEA、MDEA、配方MDEA為主，如美國聯(lián)碳公司和道氏公司均推出以MDEA為基礎組分加入不同添加劑得到系列配方MDEA脫硫溶劑來滿足各種條件下的脫硫脫碳要求。

1.3.2 脫硫新工藝

結(jié)晶硫法 （Crystasulf）:該工藝適合于含中低潛硫量氣的脫硫，其脫硫溶劑含有一種非水溶性的對硫磺具有高溶解性切沸點高的有機物作為溶硫劑、一種能促使硫化氫與二氧化碳或氧反應形成不易揮發(fā)的多硫化物的有機堿，還有一種能夠避免多硫化物形成粘稠油層的有機穩(wěn)定劑。該工藝反應速度快、轉(zhuǎn)化率高，能夠經(jīng)濟地處理潛硫量為0.1～30t/d的含硫氣。

電化學膜法：利用氣體混合物在壓差作用下通過薄膜（如醋酸纖維素膜）時各組分滲透速率的差異來實現(xiàn)的。比如水蒸氣、硫化氫和二氧化碳等組分易于透過膜，從而透過氣中水蒸氣、硫化氫、二氧化碳得到富集。同時在膜兩側(cè)施加電場，將離子硫轉(zhuǎn)化為元素硫。該法將脫硫和制硫集中在一個工序進行，省去了傳統(tǒng)的克勞斯制硫和尾氣處理，設備簡單，工藝流程短，占地面積少，不存在溶液儲存和腐蝕問題。 

非水溶液Orystasulf法:采用對元素硫具有高溶解性的非水溶液，用常規(guī)孔板吸附器由酸氣中排除硫化氫，然后硫化氫與溶解的二氧化硫反應產(chǎn)生溶解的元素硫。在吸附器、閃蒸罐或溶液管線中沒有固相存在，整個過程不會出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。

1.4 脫硫方法考慮因素和選擇原則

1.4.1 考慮因素

天然氣脫硫方法的選擇不僅對于脫硫過程本身而且對于下游工藝過程主要包括硫磺回收、脫水、天然氣液回收及液烴處理等方法的選擇都有很大的影響。選擇脫硫方法的重要指標主要是動力和投資費用，但在許多情況下這種選擇是困難的，因為它受到三方面因素的制約： 

(1)外部因素——原料氣的類型、組成、溫度、壓力、要求的凈化度動力資源參數(shù)（蒸汽壓力現(xiàn)有廢熱）利用二次動力的可能性等，即不取決于凈化方法的設備工藝配置因素；

(2)內(nèi)部因素——熱量消耗、電力、溶劑、廢渣設備的重量和型式，以及它們于原料氣和凈化度各參數(shù)的關系，即對凈化方法的設備工藝配置有影響的參數(shù)； 

(3) 經(jīng)濟因素——動力資源、原料、廢渣、設備的價格，以及某種形式的原料（溶劑等）和動力的稀缺程度。 

1.4.2選擇原則

根據(jù)工業(yè)實踐，在選擇各種醇胺法和砜胺法時有下述幾點原則： 

（1） 當酸氣中硫化氫和二氧化碳含量不高，二氧化碳與硫化氫含量之比小于等于6，并且同時脫除硫化氫和二氧化碳時，應考慮采用MEA法或混合胺法；

（2） 當酸氣中二氧化碳與硫化氫含量之比大于等于5，且需選擇性脫除硫化氫時，應采用MDEA法或其配方溶液法；

（3） 酸氣中酸性組分分壓高有機硫化物含量高，并且同時脫除硫化氫和二氧化碳時，應采用Suilfinol-D法；如需選擇性脫除硫化氫時，應采用Sulfinol-M 法；

（4） DGA法適宜在高寒及沙漠地區(qū)采用；

（5） 酸氣中重烴含量較高時，一般宜用醇氨法。

1.5 設計內(nèi)容及要求

1.5.1設計內(nèi)容

1、裝置規(guī)模：天然氣處理量80×10⁴Nm³/d

2、原料氣組成（干基）：

     組分       N₂    CH₄    C₂H₆    H₂S    CO₂ 

   摩爾分率%  2.35  95.24   0.20  2.07   0.14

   原料氣中夾帶的污水量為3.75m³/h，污油量為1m³/h

3、原料氣進裝置的壓力、溫度： 4.0MPa(A)、20℃

1.5.2設計要求

① 選擇合適的脫硫溶液，設計合理的脫硫工藝流程；

② 根據(jù)選擇的脫硫工藝流程，完成脫硫裝置的物料和能量衡算；

③ 根據(jù)物料衡算和能量衡算結(jié)果，完成主要單體設備設計及相應圖紙；

④ 凈化氣中H₂S含量≤10mg/Nm³。

2 確定工藝方法

2.1 脫硫溶劑的選擇

根據(jù)脫硫方法的考慮因素和選擇原則,綜合文獻資料,結(jié)合實際設計基礎條件,特別是高硫、低碳、硫碳比高且無有機硫的情況,決定選用45%甲基二乙醇胺 （MDEA）脫除酸性組分.其優(yōu)點主要體現(xiàn)在以下幾個方面:

（1） MDEA對硫化氫的吸收能力強,凈化度高.在脫除硫化氫的同時又脫除二氧化碳.這樣不僅降低了裝置的溶液循環(huán)量,而且使裝置的水電氣消耗大大降低。

（2） MDEA溶液蒸汽壓低,溶劑蒸發(fā)損失小,熱穩(wěn)定性高,熱降解和化學降解少,并且解吸熱低,這樣可以降低裝置的操作費用。

（3） MDEA溶液腐蝕小,有利與長期安全運行。 

2.2 工藝流程的確定

2.2.1 工藝流程圖

    設計的脫硫工藝流程如圖2-1所示。

2.2.2 工藝流程說明

根據(jù)原料氣的組成和分離要求流程如下: 壓力為4.0MPa、溫度為20℃的原料氣（含H₂S2.07%,CO₂0.14%）先經(jīng)過臥式重力沉降分離器,及臥式濾管過濾器除去其中夾帶的液滴和固體雜質(zhì);再進入脫硫吸收塔與40℃MDEA溶液逆向接觸,脫除硫化氫和二氧化碳.塔頂出來的43.3℃脫硫氣經(jīng)過出口分離器后進入管輸系統(tǒng);

從脫硫塔底出來的37.3℃的富MDEA溶液,先經(jīng)過閃蒸罐,閃蒸掉溶解的烴類;然后進入活性碳過濾器和袋式過濾器,過濾其中的雜質(zhì),再經(jīng)過貧富液換熱器升溫到105℃后進入再生塔,與逆流而上的高溫蒸汽接觸,解吸出硫化氫和二氧化碳。解吸塔底出來的120℃貧液經(jīng)貧富液換熱器冷卻到51℃后，再經(jīng)貧液冷卻器冷卻到40℃后經(jīng)過溶液循環(huán)泵送入脫硫塔。解吸出來的酸氣進入硫磺回收工段。

2.2.3 工藝參數(shù)的確定

為保證裝置平穩(wěn)操作，減少設備腐蝕和胺液損失，根據(jù)一些工廠的實際經(jīng)驗，提出以下設計和操作參數(shù)。按照這些參數(shù)設計和操作，雖然在某些情況下會增加裝置投資，但有利于裝置平穩(wěn)操作。操作參數(shù)見表3-1。

2-1 操作參數(shù)

表