Аминово пречистване на газ от сероводород: принцип, ефективни варианти и схеми на инсталации

В природния газ, добиван от находища за доставка до потребителя по магистрали, в различни пропорции се съдържат серни съединения. Ако не се отстранят, агресивните вещества ще разрушат тръбопровода, ще направят негодна арматурата. Освен това при изгаряне на замърсеното синьо гориво се отделят токсини.

За да се избегнат негативните последици, се извършва аминово пречистване на газ от сероводород. Това е най-простият и евтин начин за отделяне на вредните компоненти от горивото полезно изкопаемо. Ще разкажем как протича процесът на сепарация на серни включвания, как е устроена и работи инсталацията за пречистване.

Цел на пречистването на горивото изкопаемо

Газът е най-популярният вид гориво. Той привлича с максимално достъпна цена и нанасяне на най-малко вреда на екологичната обстановка. Към неоспоримите плюсове се отнасят простотата на управление на процеса на изгаряне и възможността да се обезопасят всички етапи на преработка на горивото в хода на получаване на топлинна енергия.

Въпреки това природното газообразно изкопаемо се добива не в чист вид, тъй като едновременно с извличането на газа от сондажа се изпомпват съпътстващи органични съединения. Най-разпространеният от тях е сероводородът, чието съдържание варира от десети от процента до десет и повече процента в зависимост от находището.

Сероводородът е отровен, опасен за околната среда, вреден за катализаторите, използвани в газопреработката. Както вече отбелязахме, това органично съединение е изключително агресивно към стоманените тръби и металната спирателна арматура.

Естествено, разяждайки чрез корозия частната система и магистралния газопровод, сероводородът води до изтичане на синьото гориво и свързани с този факт изключително негативни, рискови ситуации. За да се обезопаси потребителят, вредните за здравето съединения се отстраняват от състава на газообразното гориво още преди доставката му в магистралата.

По нормативи, сероводородни съединения в транспортирания по тръби газ не може да има повече от 0,02 г/м³. Но в действителност те са значително повече. За да се постигне регламентираната от ГОСТ 5542-2014 стойност, е необходимо пречистване.

Съществуващи методи за отделяне на сероводород

Освен преобладаващия на фона на други примеси сероводород, в синьото гориво могат да се съдържат и други вредни съединения. Могат да се открият въглена киселина, леки меркаптани и серооксид на въглерода. Но непосредствено сероводородът винаги ще преобладава.

Струва си да се отбележи, че известно незначително съдържание на серни съединения в пречистеното газообразно гориво е допустимо. Конкретната цифра на допуска зависи от целите, за които се добива газът. Например, за производството на етиленов оксид общото съдържание на серни примеси трябва да бъде по-малко от 0,0001 мг/м³.

Методът за провеждане на пречистване се избира, като се ориентира според необходимия резултат.

Всички съществуващи понастоящем методи се разделят на две групи:

• Сорбционни. Състоят се в поглъщане на сероводородни съединения с твърд (адсорбция) или течен (абсорбция) реагент, последвано от отделяне на сяра или нейни производни. След това отделените от състава на газа вредни примеси се оползотворяват или преработват.
• Каталитични. Състоят се в окисление или редукция на сероводорода, превръщайки го в елементарна сяра. Процесът се реализира в присъствие на катализатори – вещества, стимулиращи протичането на химичната реакция.

Адсорбцията предполага събиране на сероводорода чрез концентрирането му върху повърхността на твърдо вещество. Най-често в процеса на адсорбция се използват зърнести материали на основата на активен въглен или железен оксид. Характерната за зърната голяма специфична повърхност допринася за максимално задържане на серните молекули.

Всички методи за пречистване на синьото гориво се подразделят на сорбционни и каталитични. Оборудването, което извършва пречистването, е ориентирано към принципа на действие на определена технология. Съществуват обаче инсталации, в които са комбинирани няколко метода, благодарение на което се извършва комплексно пречистване.

Технологията на абсорбция се отличава с това, че газообразните сероводородни примеси се разтварят в активно течно вещество. В резултат на това газообразните замърсявания преминават в течна фаза. След това отделените вредни компоненти се отстраняват чрез изпаряване, иначе десорбция, по този начин се елиминират от реактивната течност.

Въпреки че адсорбционната технология се отнася към „сухите процеси“ и позволява извършване на фино пречистване на синьото гориво, при отстраняването на замърсяванията от природния газ по-често се прилага абсорбция. Събирането и отстраняването на сероводородните съединения с помощта на течни поглътители е по-изгодно и целесъобразно.

Най-популярният вид адсорбер е активният въглен, прилаган под формата на капсули или зърна. Повърхността на всеки елемент „впива“ в себе си сероводород и други органични включения.

Методите на абсорбция, използвани при пречистването на газа, се делят на следните три групи:

• Химични. Извършват се с използване на разтворители, които свободно влизат в реакция със сероводородните киселинни замърсители. Най-високата поглъщателна способност сред химичните сорбенти притежават етаноламините или алканоламините.
• Физични. Изпълняват се посредством физическо разтваряне на газообразния сероводород в течен абсорбер. При това колкото по-високо е парциалното налягане на газообразния замърсител, толкова по-бързо протича процесът на разтваряне. Като абсорбер тук се използват метанол, пропиленкарбонат и др.
• Комбинирани. В смесения вариант за извличане на сероводород са задействани и двете технологии. Основната работа се извършва чрез абсорбция, а финото доочистване се осъществява с адсорбенти.

От половин век насам най-търсената и популярна технология за отделяне и отстраняване на сероводород и въглеродна киселина от природното гориво е химическото пречистване на газ с помощта на аминов сорбент, използван под формата на воден разтвор.

Сорбционните методи за пречистване на природно гориво се основават на способността на твърдите и течните вещества да реагират със сероводород и други органични примеси, като по този начин ги отделят от състава на газа

Аминовата технология е по-подходяща за обработка на големи обеми газ, защото:

• Липса на дефицит. Реагентите винаги могат да бъдат закупени в необходимия за пречистване обем.
• Приемлива абсорбционна способност. Амините се характеризират с висока абсорбционна способност. От всички използвани вещества само те могат да отстранят от газа 99,9% от сероводорода.
• Приоритетни характеристики. Водните аминови разтвори се отличават с максимално приемлив вискозитет, плътност на парите, термична и химична стабилност, ниска топлоемкост. Техните характеристики осигуряват най-доброто протичане на процеса на абсорбция.
• Липса на токсичност на реактивните вещества. Това е немаловажен аргумент, убеждаващ да се прибягва именно до аминовата методика.
• Селективност. Качество, необходимо при провеждане на селективна абсорбция. То осигурява възможност за последователно провеждане на необходимите реакции в реда, изискван за оптимален резултат.

Към етаноламините, използвани при изпълнение на химическите методи за пречистване на газ от сероводород и въглеродна киселина, спадат моноетаноламините (МЕА), диетаноламините (ДЕА), триетаноламините (ТЕА). Като веществата с представки моно- и ди- отстраняват от газа и H₂S, и СО₂. А третият вариант помага да се отстрани само сероводородът.

При извършване на селективно почистване на природен газ се използват метилдиетаноламини (МДЕА), дигликоламини (ДГА), диизопропаноламини (ДИПА). Селективните абсорбенти основно се използват в чужбина.

Естествено, идеални абсорбенти, които да удовлетворяват всички изисквания за пречистване преди доставка в системата газово отопление и захранване на друго оборудване, все още не съществуват. Всеки разтворител притежава някакви плюсове наред с минусите. При избор на реактивно вещество просто се определя най-подходящият измеред предложените.

Принцип на действие на типична инсталация

Максимална абсорбционна способност по отношение на H₂S има разтворът на моноетаноламин. Но този реагент има няколко съществени недостатъка. Той се отличава с доста високо налягане и способност по време на работа на инсталацията за аминово пречистване на газ да създава необратими съединения със серовъглероден оксид.

Първият недостатък се отстранява чрез промивка, в резултат на която парите на амина частично се абсорбират. Вторият – рядко се среща при преработката на промишлени газове.

Концентрацията на водния разтвор на моноетаноламин се подбира опитно, въз основа на проведени изследвания тя се приема за пречистване на газ от определено находище. При подбора на процентното съдържание на реагента се отчита неговата способност да противостои на агресивното въздействие на сероводорода върху металните компоненти на системата.

Стандартното съдържание на абсорбиращото вещество обикновено е в интервала от 15 до 20%. Но често се случва концентрацията да се увеличи до 30% или да се намали до 10% в зависимост от това колко висока трябва да бъде степента на пречистване. Т.е. с каква цел – за отопление или за производство на полимерни съединения, ще бъде използван газът.

Отбелязваме, че при повишаване на концентрацията на аминовите съединения корозионната способност на сероводорода намалява. Но трябва да се има предвид, че в този случай разходът на реагента се увеличава. Следователно стойността на пречистения търговски газ се повишава.

Основният агрегат на пречиствателната инсталация е абсорбер от тарелков или насаден тип. Това е вертикално ориентиран апарат, външно напомнящ епруветка, с разположени вътре насадки или тарелки. В долната му част има вход за подаване на нечистена газова смес, в горната – изход към скрубера.

Ако пречистваният газ в инсталацията е под достатъчно налягане, за да премине реагентът в топлообменника и след това в дестилационната колона, процесът протича без участието на помпа. Ако налягането е твърде ниско за протичане на процеса, потокът се стимулира от помпено оборудване.

Газовият поток след преминаване през входния сепаратор се нагнетява в долната част на абсорбера. След това преминава през разположените в средата на корпуса тарелки или дюзи, върху които се утаяват замърсяващите примеси. Дюзите, напълно намокрени с аминов разтвор, са разделени помежду си с решетки за равномерно разпределение на реагента.

След това пречистеното от замърсяванията синьо гориво се насочва към скрубера. Това устройство може да бъде свързано в схемата на преработка след абсорбера или да бъде разположено в горната му част.

Отработеният разтвор се стича надолу по стените на абсорбера и се насочва към дестилационната колона – десорбер с кипятилник. Там разтворът се пречиства от погълнатите замърсявания чрез парите, отделяни при кипене на водата, за да се върне обратно в инсталацията.

Регенерираният, т.е. освободен от сероводородни съединения, разтвор преминава в топлообменника. В него течността се охлажда при пренос на топлина към следващата порция замърсен разтвор, след което се нагнетява от помпа в хладилника за пълно охлаждане и кондензация на парата.

Охладеният абсорбиращ разтвор отново се подава в абсорбера. Така реагентът циркулира в инсталацията. Неговите пари също се охлаждат и пречистват от киселинни примеси, след което попълват запаса на реагента.

Най-често при пречистването на газ се използват схеми с моноетаноламин и диетаноламин. Посочените реагенти позволяват да се извлекат от състава на синьото гориво не само сероводород, но и въглероден диоксид.

Ако е необходимо едновременно отстраняване на CO₂ и H₂S от обработвания газ, се извършва двустепенно пречистване. То се състои в използването на два разтвора с различна концентрация. Този вариант е по-икономичен от едностепенното пречистване.

Първо газообразното гориво се пречиства с концентриран състав, съдържащ 25-35% реагент. След това газът се обработва със слаб воден разтвор, в който активното вещество е само 5-12%. В резултат се извършва както грубо, така и фино пречистване с минимален разход на разтвор и разумно използване на отделяната топлина.

Четири варианта за пречистване с алканоламини

Алконоламините или аминоспиртовете са вещества, които съдържат не само аминогрупа, но и хидроксигрупа.

Устройството на инсталациите и технологиите за пречистване на природен газ с алконоламини се различават главно по начина на подаване на абсорбиращото вещество. Най-често при пречистване на газ с този вид амини се използват четири основни методики.

Първи способ. Предвижда подаване на активния разтвор с един поток отгоре. Целият обем на абсорбента се насочва към горната тарелка на инсталацията. Процесът на пречистване протича при температури не по-високи от 40°C.

Най-простият метод за пречистване предполага подаване на активен разтвор в един поток. Този метод се прилага, ако примесите в газа са в незначително количество.

Този метод обикновено се използва при незначително замърсяване със сероводородни съединения и въглероден диоксид. Общият топлинен ефект за получаване на търговски газ при това обикновено е нисък.

Втори метод. Този вариант за пречистване се прилага при високо съдържание на сероводородни съединения в газообразното гориво.

Реактивният разтвор в този случай се подава в два потока. Първият, с обем приблизително 65-75% от общата маса, се насочва към средата на инсталацията, а вторият се подава отгоре.

Аминовият разтвор се стича надолу по тарелките и се среща с възходящите газови потоци, които се нагнетяват върху долната тарелка на абсорбиращата инсталация. Преди подаване разтворът се загрява до не повече от 40ºС, но по време на взаимодействието на газа с амина температурата значително се повишава.

За да не спадне ефективността на почистването поради повишаване на температурата, излишъкът от топлина се отвежда заедно с отработилия разтвор, наситен със сероводород. А в горната част на инсталацията се извършва охлаждане на потока с цел извличане на остатъци от киселинните съставки заедно с кондензата.

Вторият и третият от описаните методи предвиждат подаване на абсорбиращия разтвор в два потока. В първия случай реактивът се подава с една температура, а във втория – с различна.

Това е икономичен метод, който позволява да се намали разходът както на енергия, така и на активен разтвор. Допълнително загряване не се извършва на нито един етап. По технологична същност той представлява двустепенно пречистване, което предоставя възможност с най-малки загуби да се подготви търговският газ за подаване в магистралата.

Трети метод. Той предполага подаване на абсорбента в пречистващата инсталация чрез два потока с различна температура. Методиката се прилага, ако освен сероводород и въглероден диоксид в суровия газ има още и CS₂ и COS.

Преобладаващата част от абсорбера, приблизително 70-75%, се загрява до 60-70ºС, а останалата част само до 40ºС. Потоците се подават в абсорбера по същия начин, както в описания по-горе случай: отгоре и в средата.

Формирането на зона с висока температура дава възможност бързо и качествено да се извлекат органичните замърсявания от газовата маса в долната част на пречистващата колона. А в горната част въглеродният диоксид и сероводородът се абсорбират от амин със стандартна температура.

Четвърти начин. Тази технология предвижда подаване на воден разтвор на амин чрез два потока с различна степен на регенерация. Тоест единият се доставя в необработен вид, със съдържание на сероводородни включвания, а вторият – без тях.

Първият поток не може да се нарече напълно замърсен. Той само частично съдържа кисели компоненти, защото част от тях се отстранява по време на охлаждане до +50º/+60ºС в топлообменника. Този поток разтвор се взема от долната насадка на десорбера, охлажда се и се насочва към средната част на колоната.

При значително съдържание на сероводородни и въглеродни компоненти в газообразното гориво, пречистването се извършва чрез два потока разтвор с различна степен на регенерация.

Дълбоко пречистване преминава само онази част от разтвора, която се нагнетява в горния сектор на инсталацията. Температурата на този поток обикновено не надвишава 50ºС. Тук се извършва фино почистване на газообразното гориво. Тази схема позволява да се намалят разходите с поне 10% благодарение на намаляване на разхода на пара.

Разбира се, че начинът на пречистване се избира въз основа на наличието на органични замърсявания и икономическа целесъобразност. Във всеки случай разнообразието от технологии позволява да се избере оптимален вариант. На една и съща инсталация за аминова обработка на газ може да се варира степента на пречистване, като се получава синьо гориво с необходимите за работа характеристики на газови котли, печки, нагреватели.

Изводи и полезно видео по темата

Със спецификата на извличане на сероводород от попътния газ, добиван заедно с нефт от нефтена сонда, ще ви запознае следният видеоклип:

Инсталация за пречистване на синьо гориво от сероводород с получаване на елементарна сяра за по-нататъшна преработка ще представи видеоклип:

За това как в домашни условия да се отървем от сероводород в биогаз, ще разкаже авторът на този видеоклип:

Изборът на метод за пречистване на газ преди всичко се ориентира към решаване на определена задача. Изпълнителят има два пътя: да следва проверена схема или да предпочете нещо ново. Въпреки това основният ориентир трябва да бъде икономическата целесъобразност при запазване на качеството и получаване на необходимата степен на обработка.