天然气脱硫工艺介绍

（1）工程中常用的天然气脱硫方法

天然气脱硫的方法有很多种，习惯上把采用溶液或溶剂做脱硫剂的脱硫方法称为湿法脱硫，采用固体做脱硫剂的脱硫方法称为干法脱硫。

一般的湿法脱硫有化学溶剂法（如醇胺法）、物理溶剂法（如Selexol法、Flour法）、化学-物理溶剂法（如砜胺法）和直接转化法（如矾法、铁法）。常见的干法脱硫有膜分离法、分子筛法、不可再生固定床吸附法和低温分离法等。 （2）天然气脱硫方法选用原则

天然气组分、处理量、硫含量、厂站所处自然条件、产品质量要求、运行操作要求等都是天然气脱硫工艺的选择依据。目前，根据国内外工业实践的经验，天然气脱硫脱碳工艺的选择原则可参考以下内容。

①原料气中含硫量高，处理量大，硫碳比高需要选择性吸收H2S同时脱除相当量的CO2，原料气压力低，净化气H2S要求严格等条件下，可选择醇胺法作为脱酸工艺。

②原料气中含有超量的有机硫化物需要脱除，宜选用砜胺法。此外，H2S分压高的原料气选用砜胺法时能耗远低于醇胺法。

③ H2S含量较低的原料气中，潜硫量在0.2t/d～5t/d时可考虑直接转化法，潜硫量低于0.2t/d的可选用非再生固体脱硫法如固体氧化铁法等。

实践中，往往在选择基本工艺方案之后，根据具体情况进行技术经济比较，最终确定天然气的脱硫脱碳方法。图1 和图2 分别表示了原料气中酸气分压和出口气质量指标对脱硫方案选择的影响。

图1 脱硫方案选择与酸气分压的关系

图2 脱硫方案选择与进、出口气质量指标的关系

（3）低含硫量天然气脱硫方案

某项目天然气组分和参数如下：

表1 原料气组分表

序号 1 2 3 名称 N2 CO2 H2S 组分 0.00122 0.0121 0.0001 备注 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 C1 C2 C3 i-C4 n-C4 i-C5 n-C5 C6 C7 C8+ H2O 合计 0.0686 0.0126 0.023 0.00643 0.00523 0.00205 0.00108 0.000945273 0.00216 1.000 表2 原料气工艺参数表

序号 1 2 3 4 5 名称 操作压力 操作温度 气源流量 气源密度(操作条件) 出口气含硫量 单位 psig ℉ MMSCFD lb/ft3 ppmv 前期 1250 96 10 6.95 中期 1250 110 5.1 6.588 不大于4 后期 1250 110 9.5 6.737 由表可知，本工程的特点是含硫量低，处理量不大，出口气要求较严格。可用的几种脱硫工艺方案如下：

①干法脱硫——固定床吸附法

氧化铁固体脱硫是典型的干法脱硫工艺，处理原料气中的H2S含量一般在10ppm到1%之间。工艺流程图如图3。

原料气首先进行过滤分离，除去固体杂质和游离水后，进入脱硫装置固体脱硫塔进行吸附脱除气体中含有的H2S，其余塔进行更换脱硫剂工作。脱硫后的净化气经过滤分离，除去化学反应产生的水和气流带出的脱硫剂杂质后输出。

氧化铁固体脱硫工艺所需要的主要设备见表3，常见脱硫装置见图4。

图3 氧化铁固体脱硫工艺流程 表3 氧化铁固体脱硫主要设备

序号 1 2 名称 过滤分离器 脱硫塔 单位 台 座 数量 1 2 3 粉尘过滤器 台 1 图4 氧化铁固体脱硫装置

②湿法脱硫——醇胺法

醇胺法是典型的湿法脱硫工艺，也是目前最常用的天然气脱硫脱碳的方法。醇胺法以可逆反应为基础，弱碱性溶剂为吸收剂，最常用的脱硫剂有MDEA、DEA和MEA及它们的混合溶剂。本方案可选用目前国际广泛采用的醇胺－甲基二乙醇胺（MDEA）作为脱硫溶剂。工艺流程见图5。

图5醇胺法脱硫工艺流程简图

原料气经进口分离器除去游离液体和携带的固体杂质后进入吸收塔的底部与醇胺溶液接触，脱除酸性组分。饱和的湿净化气经分离脱水后进入NGL回收单元或LNG生产装置，或作为商品气或管输。

吸收塔底部流出的富液进入脱硫剂再生循环单元，脱除溶液中的酸性气体，增压后进入吸收塔循环利用。有时，贫液在换热与增压之后也经过一个过滤器滤除其中杂质。从富液中汽提出来的酸性组分在与冷凝后的水分离之后，根据其组成和流量，或去硫磺回收装置，或压缩回注地层，或处理后去火炬系统。

醇胺法脱硫工艺主要设备见表4，常见脱硫装置见图6。

表4 醇胺法脱硫主要设备

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 名称 吸收塔 再生塔 粉尘过滤器 重沸器 富液闪蒸罐 贫富液换热器 溶液冷却器 酸气冷却器 入口过滤分离器 净化气分离器 酸气分离器 贫液缓冲罐 溶液循环泵 贫液泵 单位 座 座 台 台 座 台 台 台 台 台 台 座 台 台 数量 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 15 16 17 贫液提升泵 回流泵 MDEA补充泵 台 台 台 2 2 2 图6 醇胺法脱硫装置

③湿法脱硫——Shell-Paques（谢尔-帕克）工艺

谢尔-帕克工艺是采用生物技术脱硫的湿法脱硫工艺，操作弹性可从H2S浓度50ppmv到100vol.%，处理后的天然气H2S含量可达到4ppmv以下。工艺流程见图7。

酸性气体通过入口分离器后进入吸收塔，脱除H2S后分离外输。吸收后的富液进入闪蒸罐，闪蒸后的气体进入火炬系统，液体进入生物反应器，反应器通入空气，通过控制氧化还原反应促使溶液中的HSˉ转化为硫磺，达到吸收液再生的目的。再生后的溶液循环使用，硫磺回收。

图7Shell-Paques工艺流程简图

生物脱硫工艺常见装置见图8，主要设备见表5。

图8生物脱硫工艺装置 表5Shell-Paques法脱硫主要设备

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 名称 吸收塔 生物反应器 鼓风机 闪蒸罐 再生液分离器 再生液循环泵 脱硫剂循环泵 入口过滤分离器 净化气分离器 营养液缓冲罐 营养液加注泵 单位 座 台 台 座 台 台 台 台 台 座 台 数量 1 1 1 1 1 2 2 1 1 1 2 ④湿法脱硫——LO-CAT工艺

LO-CAT工艺属于湿法脱硫中的液相氧化还原脱硫工艺。包含酸气吸收和硫磺回收两个单元。LO-CAT工艺方法只选择性吸收H2S，对CO2几乎没有吸收效果。主要工艺流程见图9。

图9 LO-CAT工艺流程简图

原料气进入吸收塔进行氧化还原反应，出口净化气分离外输，H2S被Fe3+氧化物单质硫；再生塔中Fe2+被空气中的O2转化为Fe3+进入缓冲罐，循环利用；单质硫被滤出回收。过程中不断补充加注化学药剂，维持系统的浓度和pH值。主要设备见表6。

表6LO-CAT法脱硫主要设备

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 名称 吸收塔 再生塔 鼓风机 缓冲罐 单质硫过滤器 净化气分离器 入口过滤分离器 循环泵 加药泵 单位 座 座 台 座 台 台 台 台 台 数量 1 1 1 1 1 1 1 2 2 （4）脱硫方案比选总结

对于本工程，脱硫工艺方案应结合普遍性、适用性、经济性、流程简单、操作简便等各方面特点对比选择。

表7各脱硫工艺方法对比

氧化铁固体脱硫法 ①工艺简单、操作简便 ②易于维护，无需专优点 人职守 ③对配套设施和公用工程依赖性小 ④适用压力范围宽 ⑤费用投资低 ①硫容量低 ②费脱硫剂较难处理，规模大时更换费缺点 用较高 醇胺法 Shell-Paques法 LO-CAT法 运行安全，①适用性强，能允①工艺成熟可靠、流①操作、环境污染小 许较大的酸气量程灵活多变 ②处理量大，可进行②气源适用范围广 的波动 大规模脱硫脱碳处③能耗较低 ②净化效率高，操理 作条件叫温和 ③可对酸性组分选择行吸收 ④脱硫剂循环利用 ①流程复杂，设备繁多 ②运行操作复杂 ③建设成本高 ④需依托完善的辅助、公用工程 ①应用不够广泛，尚未形成稳定、成熟的规模 ②过程控制困难，条件要求苛刻 ③建设运行投资较高 ①处理量小，只能选择性吸收H2S单种组分 ②能耗高 ③投资费用较高 ④需公用工程支持 ③操作流程较简单 在本工程中，气体处理量较少，操作压力不高，酸性气体含量少，分压很小，但含有数量可观的CO2组分；此外，本工程要求流程简洁、操作方便、公用工程消耗较少。

基于本工程的以上特点，从适用性来看，氧化铁固体脱硫法最为使用；投资方面，对于本工程的处理规模和含硫量而言，氧化铁固体脱硫法的建设运行成本也远比其他方法经济。结合各脱硫方案的特点和建设运行投资等因素综合考虑，本工程选用氧化铁固体脱硫法较为合适。