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1、LO - CAT工 艺 技 术 在 隆 昌 天 然 气 净 化 厂 的 应 用徐 双 金 刘 旭 光 李 开 李 琦( 中 国 石 油 西 南 油 气 田 分 公 司 蜀 南 气 矿 )摘 要 简 述 了 LO - CAT 工 艺 原 理 、 特 点 、 流 程 及 其 溶 剂 组 成 , 介 绍 了 该 工 艺 技 术 在 隆 昌 天 然 气 净化 厂 的 应 用 情 况 。 该 装 置 的 特 点 是 防 堵 措 施 完 善 、 防 腐 措 施 得 当 、 气 体 分 布 均 匀 、 自 控 设 施 简 易 可 靠 、 装置 操 作 弹 性 大 。 提 出 了 装 置 存 在 的 问 题
2、及 改 进 措 施 。 LO - CAT 工 艺 技 术 的 成 功 应 用 , 可 为 该 技 术 在 我国 天 然 气 净 化 领 域 的 推 广 应 用 提 供 借 鉴 。关 键 词 LO - CAT 工 艺 天 然 气 净 化 应 用2001 年 10 月 建 成 投 产 的 隆 昌 天 然 气 净 化 厂 , 其 酸气 处 理 装 置 系 从 美 国 USFilter 公 司 引 进 的 LO - CAT 装置 , 该 引 进 装 置 从 投 产 至 今 运 行 平 稳 , 排 放 的 尾 气 中H2S 低 于 10 10- 6, 起 到 了 一 套 装 置 代 替 Claus 硫
3、回 收和 尾 气 处 理 装 置 的 效 果 , 可 为 该 工 艺 在 我 国 气 体 净 化领 域 推 广 应 用 提 供 借 鉴 。1 LO- CAT 工 艺 简 介LO - CAT 工 艺 是 一 种 铁 基 液 相 催 化 氧 化 还 原 脱硫 工 艺 , 由 ARI 公 司 开 发 成 功 , 专 利 权 人 为 美 国 USFil-ter 公 司 。 分 常 规 LO - CAT 工 艺 和 自 循 环 LO - CAT( 即 LO - CAT) 工 艺 , 适 宜 于 潜 硫 量 0.2 10 t/d 的 含硫 气 净 化 。 其 反 应 原 理 如 下 :H2S 的 吸 收
4、: H2S + H2 =O H2S( 水 相 ) + H2O ( 1)一 步 电 离 : H2S=( 水 相 ) H+ HS-( 2)二 步 电 离 : HS=-H+ S2 -( 3)吸 收 ( 氧 化 ) 反 应 : 2Fe3 + S2 -2Fe2 + S0( 4)氧 气 吸 收 : O2+ H2 =O 2O( 水 相 ) + H2O ( 5)再 生 ( 还 原 ) 反 应 :2Fe2 + 1/2O2( 水 相 ) + 2H+2Fe3 + H2O ( 6)总 反 应 : H2S + 1/2O2H2O + S0( 7)主 要 副 反 应 : 2HS-+ 2O2S2O2 -3+ H2O ( 8)
5、LO - CAT 工 艺 脱 硫 原 理 与 醇 胺 法 脱 硫 的 不 同 点在 于 LO - CAT 法 是 氧 化 还 原 过 程 , 只 脱 除 H2S, 基 本不 脱 除 CO2; 而 醇 胺 法 是 利 用 温 度 、 压 力 对 酸 碱 化 学 反应 平 衡 的 影 响 , 不 仅 脱 除 H2S, 还 脱 除 CO2。LO- CAT 工 艺 采 用 铁 基 催 化 剂 , 无 毒 , 且 较 好 地解 决 了 堵 塞 和 腐 蚀 问 题 , 从 20 世 纪 80 年 代 开 发 成 功以 来 发 展 迅 速 , 至 1998 年 , 国 外 已 建 和 在 建 的 装 置 已
6、达 232 套 。 过 去 常 用 的 是 氧 化 还 原 工 艺 。 凡 溶 剂 有 毒的 工 艺 方 法 均 在 淘 汰 之 列 , 如 ADA 法 , 其 溶 剂 为 矾 基溶 剂 , 国 外 已 不 再 建 设 。1.1 常 规 LO - CAT 工 艺常 规 LO - CAT 流 程 简 图 见 图 1。 吸 收 和 氧 化 ( 再生 ) 分 别 在 两 个 容 器 内 完 成 。 在 吸 收 塔 中 , 酸 气 中 的H2S 被 氧 化 为 单 质 硫 , 氧 化 剂 Fe3 +被 还 原 为 Fe2 +; 在氧 化 塔 中 , 来 自 鼓 风 机 的 空 气 与 溶 液 接 触
7、再 生 , Fe2 +被氧 化 为 Fe3 +。 氧 化 再 生 后 的 溶 液 进 入 缓 冲 罐 中 , 用 循环 泵 打 入 吸 收 塔 中 完 成 溶 液 循 环 。 含 硫 溶 液 经 过 滤 器得 到 硫 饼 。 由 于 各 种 化 学 药 剂 被 硫 滤 饼 不 断 少 量 带走 , 加 之 化 学 药 剂 自 身 降 解 , 为 保 持 其 在 系 统 中 浓 度 和pH 值 , 流 程 中 设 置 数 台 加 药 泵 。常 规 LO - CAT 工 艺 可 用 于 压 力 下 直 接 处 理 含 硫天 然 气 , 但 由 于 溶 液 中 Fe3 +/Fe2 +浓 度 为 (
8、500 1500) 10- 6, 硫 容 远 低 于 胺 法 , 故 循 环 量 大 , 电 耗 高 , 当 处 理含 硫 气 的 压 力 超 过 3 MPa 时 是 不 经 济 的 。42 石 油 与 天 然 气 化 工 20041.2 自 循 环 LO- CAT 工 艺自 循 环 LO - CAT 工 艺 流 程 简 图 见 图 2。 与 常 规LO- CAT 工 艺 相 比 , 吸 收 和 氧 化 ( 再 生 ) 在 一 个 容 器 内完 成 , 反 应 器 分 内 区 和 外 环 区 , 酸 气 和 空 气 不 相 混 溶 ,分 两 路 进 入 反 应 器 。 在 吸 收 区 ( 内
9、区 ) 酸 气 中 的 H2S 被氧 化 为 单 质 硫 , 氧 化 剂 Fe3+被 还 原 为 Fe2+, 同 时 在 这个 吸 收 /氧 化 器 内 , 来 自 鼓 风 机 的 空 气 与 溶 液 接 触 ,Fe2+被 氧 化 为 Fe3+。 由 于 吸 收 区 域 与 氧 化 区 域 溶 解气 体 量 的 不 同 造 成 了 不 同 的 溶 液 密 度 , 溶 液 的 密 度 差形 成 了 溶 液 的 自 循 环 , 正 因 为 如 此 , 该 系 统 称 为 自 循 环LO- CAT 系 统 , 亦 称 LO- CAT。由 于 溶 液 在 吸 收 /氧 化 器 内 能 够 自 循 环
10、, 省 去 了 高能 耗 的 循 环 泵 , 使 电 耗 大 大 降 低 。 同 时 , 可 进 一 步 稀 释溶 液 , Fe3+/Fe2+浓 度 可 降 为 500 10- 6, 以 满 足 反 应 动力 学 的 要 求 , 降 低 化 学 品 消 耗 。自 循 环 工 艺 系 在 常 压 下 操 作 , 净 化 气 体 与 再 生 余气 混 合 后 排 至 大 气 , 特 别 适 用 于 低 压 含 硫 气 的 处 理 , 常用 来 与 胺 法 装 置 组 合 , 代 替 Claus 硫 回 收 和 尾 气 处 理装 置 。 隆 昌 天 然 气 净 化 厂 引 进 的 酸 气 处 理 工
11、 艺 即 为 自循 环 LO- CAT 工 艺 , 用 于 该 厂 胺 酸 气 的 处 理 。1.3 LO- CAT 工 艺 的 溶 剂 组 成该 工 艺 使 用 的 化 学 品 共 6 种 , 其 作 用 分 述 如 下 :铁 氧 化 剂 浓 缩 溶 液 ( ARI- 340) : 黑 红 色 液 体 , 作用 是 提 供 足 够 的 螯 合 铁 离 子 作 为 氧 化 剂 , 把 H2S 氧 化为 元 素 硫 。 溶 液 中 浓 度 需 控 制 在 500 10- 6左 右 , 需连 续 添 加 。螯 合 铁 稳 定 剂 浓 缩 液 ( ARI- 350) : 亮 黄 色 液 体 ,略 带
12、 氨 味 , 作 用 是 使 螯 合 铁 离 子 在 溶 液 中 稳 定 存 在 。系 统 需 一 定 浓 度 的 硫 代 硫 酸 盐 才 能 使 其 稳 定 , 需 根 据铁 离 子 浓 度 连 续 添 加 。细 菌 抑 制 剂 ( ARI- 400) : 浅 棕 色 液 体 , 作 用 是 控制 溶 液 中 的 细 菌 生 长 。 溶 液 中 的 细 菌 由 空 气 或 水 带入 , 细 菌 会 消 耗 ARI- 350, 可 间 断 、 少 量 加 入 以 抑 制 细菌 生 长 。表 面 活 性 剂 ( ARI- 600) : 亮 色 液 体 , 作 用 是 降 低表 面 张 力 , 使
13、 硫 磺 颗 粒 易 于 聚 集 和 沉 降 , 需 连 续 添 加 。以 上 化 学 药 剂 均 为 USFilter 公 司 的 专 利 产 品 。45%KOH 溶 液 , 作 用 是 维 持 溶 液 的 pH 值 保 持在 8 9, 以 利 于 反 应 的 顺 利 进 行 , 需 连 续 添 加 。消 泡 剂 ( Nalco EC 9076A) : 系 统 工 艺 来 气 含 有 有害 杂 质 或 ARI - 600 添 加 过 多 以 及 溶 液 降 解 等 均 可 能导 致 溶 液 发 泡 , 此 时 需 加 入 消 泡 剂 。2 隆 昌 天 然 气 净 化 厂 自 循 环 LO-
14、CAT 装 置2.1 装 置 概 况隆 昌 天 然 气 净 化 厂 设 计 规 模 为 40 104m3/d, 压力 3 MPa, 用 于 处 理 荷 包 场 、 螺 观 山 地 区 含 硫 天 然 气 ,其 H2S 含 量 加 权 平 均 值 为 3 g/m3, 潜 硫 量 略 低 于 1.2t/d, 处 于 LO - CAT 工 艺 适 宜 的 潜 硫 量 范 围 内 。 因 该含 硫 气 压 力 为 3 MPa, 因 此 选 择 自 循 环 LO - CAT 工 艺作 为 MDEA 脱 硫 装 置 所 产 生 酸 气 的 处 理 工 艺 。该 装 置 从 美 国 USFilter 公 司
15、 引 进 , 全 套 装 置 由 一台 酸 气 分 离 器 、 一 台 吸 收 氧 化 塔 ( 含 塔 内 构 件 ) 、 硫 磺 过滤 系 统 、 两 台 鼓 风 机 ( 一 用 一 备 ) 、 一 套 化 学 品 补 加 系统 、 两 个 KOH 储 罐 组 成 。 除 吸 收 氧 化 器 较 大 外 , 其 余设 备 均 可 实 现 橇 装 化 。 装 置 操 作 方 便 , 自 2001 年 10月 17 日 投 运 以 来 , 运 行 平 稳 。2.2 装 置 特 点2.2.1 防 堵 措 施 完 善堵 塞 是 液 相 氧 化 还 原 工 艺 通 常 存 在 的 问 题 , 该 引进
16、 装 置 由 于 采 取 了 以 下 措 施 , 使 堵 塞 问 题 基 本 得 以 解决 。( 1) 吸 收 /氧 化 器 内 部 构 件 设 计 巧 妙 , 别 致 的 鼓 泡系 统 能 够 使 溶 液 自 动 循 环 。( 2) 采 用 双 气 路 分 区 进 气 处 理 酸 气 而 非 化 工 上 更成 熟 的 单 气 路 内 环 流 反 应 器 , 从 而 避 免 氧 气 与 硫 化 氢直 接 接 触 造 成 的 高 硫 代 硫 酸 盐 生 成 率 。 同 时 , 双 气 路分 区 进 气 避 免 吸 收 和 再 生 反 应 变 成 串 联 反 应 , 可 降 低串 联 反 应 时 的 析 硫 速 度 , 有 利 于 减 缓 硫 堵 。( 3) 引 进 装 置 的 分 配 器 套 有 弹 性 橡 胶 “ 袖 套 ” , 它是 防 止 喷 孔 堵 塞 的 极 有 特 色 的 设 计 。 当 气 体 流 量 大 时喷 孔 张 大 , 气 体 流 量 小 时 喷 孔 关 小 , 无 气 流