CN113318593A - 一种天然气催化脱硫净化装置及工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种天然气催化脱硫净化装置及工艺，所述的装置包括依次布置的重力分离器、过滤分离器、一级精脱硫装置和换热装置，所述换热装置的顶部连接二级精脱硫装置，所述换热装置的中部连接加热装置，所述加热装置连接催化转化装置的顶部，所述换热装置的底部连接催化转化装置的底部，二级精脱硫装置的的底部连接粉尘过滤器。

Description

一种天然气催化脱硫净化装置及工艺
技术领域
本发明属于天然气脱硫净化技术领域，具体涉及一种天然气催化脱硫净化装置及工艺。
背景技术
作为储量丰富的洁净能源，天然气原料气中含有少量的硫化物，以H2S为主，有机硫COS，CS2，硫醇，硫醚等组分在部分原料天然气中存在，甚至超过H2S的含量，原料天然气需脱除大部分硫化物，从而达到燃烧后烟气中二氧化硫达到排放标准，含有少量硫化物的天然气在输送过程中亦会对管道以及贮存装置造成腐蚀，我国最新国标GB17820-2018中规定一类天然气中H2S含量小于(或)等于6mg/m3,总硫化物(以S元素计)小于(或)等于20mg/m3，因此，选择合适的天然气脱硫装置及工艺极为重要。
现有技术对于天然气脱硫净化(装置及)工艺主要分为以下几种：使用吸附剂实现干法吸附，结合物理吸附和化学反应，这类(装置及)工艺通常受到天然气中水分的影响，如使用分子筛作为吸附剂时，分子筛会吸收大量的水以及少量硫醚，对于以其他形式存在的硫化物脱除效果不好，以氧化铁作为脱硫剂时，由于氧化铁仅可一次性使用，且对气源中水含量要求高，长期脱硫系统稳定性不佳；使用物理溶剂或化学溶剂，采用溶剂吸收法，以脱除H2S为主，部分工艺可以脱除有机硫，如COS、硫醇，但因溶剂对于H2S选择吸附性有限，整套工艺对系统温度要求较高，脱硫效率和系统能耗存在问题，上述几种工艺为主要的天然气脱硫工艺，其工艺技术和核心催化剂均掌握在海外各大公司，如Lurgi，Linde AG，Shell公司独家掌控的各项技术以及催化剂，溶剂，吸附剂，因此，以上几种工艺不仅存在脱硫效率不高，脱除硫化物的种类不全面等弊端外，还存在经济效益差的缺点。
发明内容
本发明解决的技术问题是将原料天然气中的硫化物，尤其是有机硫，采用催化净化方式脱除，根据天然气常规净化工艺配置，解决原料天然气中硫化物脱除的问题，设置天然气催化脱硫净化装置及工艺，有效脱除天然气中硫化物，使经本发明装置及工艺净化后的净天然气达到国家标准GB17820-2018对于一类天然气硫化物含量规定，即天然气中H2S≤6mg/m3，总硫化物(以S元素计)≤20mg/m3。
本发明的技术方案：一种天然气催化脱硫净化装置，包括依次布置的重力分离器、过滤分离器、一级精脱硫装置和换热装置，所述换热装置的顶部连接二级精脱硫装置，所述换热装置的中部连接加热装置，所述加热装置连接催化转化装置的顶部，所述换热装置的底部连接催化转化装置的底部，二级精脱硫装置的的底部连接粉尘过滤器。
进一步的，所述的一级精脱硫装置并联设置有多个，一级精脱硫装置中设置吸附剂床层，吸附剂床层中装填有固体改性吸附剂。
进一步的，所述的二级精脱硫装置并联设置有多个，二级精脱硫装置中设置吸附剂床层，吸附剂床层中装填有固体改性吸附剂。
再进一步的，一级精脱硫装置、二级精脱硫装置中装填的固体改性吸附剂为改性活性炭、改性分子筛、氧化铁、氧化锌中的一种或几种。
再进一步的，所述催化转化装置中设置催化剂床层，催化剂床层中装填催化剂，所述催化剂为改性催化剂，其基底为活性氧化铝、分子筛、活性炭的一种或几种，经碱金属、碱土金属、贵金属的一种或几种改性。
再进一步的，一级精脱硫装置、二级精脱硫装置中装填的固体改性吸附剂对于气源中H2S在0至70℃区间的穿透硫容以硫元素重量计为30至40％。
再进一步的，所述加热装置与换热装置之间设置预热装置。
一种天然气催化脱硫净化装置的净化工艺，包含以下步骤：
步骤一：原料天然气经增压站后，经重力分离器、过滤分离器除去杂质、烃液、部分水分后，进入一级精脱硫装置，除去原料天然气中的H2S；
步骤二：通过换热装置预热、加热装置升温后，进入催化转化装置使原料天然气中的有机硫转化为H2S，经过催化转化的天然气通过换热装置降温，通入二级精脱硫装置，经过二次精脱硫装置脱除天然气中催化转化过程产物H2S；
步骤三：二级精脱硫装置出口的天然气经粉尘过滤器除去由前端工序带出的催化剂、吸附剂粉尘，经上述工艺净化后，得到硫含量以S计≤20mg/m3,H2S含量≤6mg/m3的净天然气，并输送至下游用户。
进一步的，一种天然气催化脱硫净化装置的净化工艺，包含以下步骤：由增压站输出的原料天然气第一气源管道的气源参数为：压力4800KPa,流量11000Nm3/h，温度为30±1℃，第一气源管道的气源通过重力分离器以及过滤分离器除去携带的杂质、烃液、大部分水分后，形成经初步净化的原料天然气经第二气源管道的气源均匀通过并联接入主输送管道的一级第一精脱硫装置、一级第二精脱硫装置，脱除第二气源管道的气源中的H2S，形成原料天然气第三气源管道的气源，即含有少量H2S和有机硫的天然气，第三气源管道的气源经过换热装置预加热至温度为60±1℃的原料天然气经第三气源管道的气源经过加热装置加热至温度为120±1℃的经第五气源管道的气源进入催化转化装置，原料天然气中的有机硫经过催化转化装置中的催化剂床层，与原料天然气中的少量氢气或水反应，生成H2S，由催化转化装置排出的天然气经第六气源管道，温度110±1℃的第六气源管道的气源通过换热装置，与温度为30±1℃的第三气源管道的气源换热，第六气源管道的气源经换热装置，降温至50至70℃，形成第四气源管道的气源，第四气源管道的气源均匀通过并联接入主输送管道的二级第一精脱硫装置、二级第二精脱硫装置，脱除经有机硫催化转化反应产生的H2S，第四气源管道的气源分流进入二级第一精脱硫装置、二级第二精脱硫装置，通过吸附剂床层排出二级精脱硫装置后，汇合为天然气经第七气源管道的气源，通入粉尘过滤器，脱除由于天然气穿透前端所有反应装置中吸附剂床层、催化剂床层所带出的粉尘，形成洁净天然气经第八气源管道的气源，洁净天然气气源中硫含量以S计为10mg/m3,H2S含量为4mg/m3，符合国家标准GB17820-2018对于一类天然气硫化物含量规定，即硫含量以S计≤20mg/m3,H2S含量≤6mg/m3的净天然气，输送至下游各用户端。
再进一步的，所述一级第一精脱硫装置、一级第二精脱硫装置同时工作，处理第二气源管道的气源；或关闭其中一个一级精脱硫装置，更换吸附剂床层；
所述二级第一精脱硫装置、二级第二精脱硫装置同时工作，处理第四气源管道的气源；或关闭其中一个二级精脱硫装置，更换吸附剂床层。
本发明的技术效果：本发明是脱除天然气中H2S，COS，CS2，硫醇，硫醚的装置及方法。将原料天然气中的硫化物，尤其是有机硫，采用催化净化方式脱除，根据天然气常规净化工艺配置，解决原料天然气中硫化物脱除的问题，设置天然气催化脱硫净化装置及工艺，有效脱除天然气中硫化物，使经本发明装置及工艺净化后的净天然气达到国家标准GB17820-2018对于一类天然气硫化物含量规定。
附图说明
图1为本发明的脱硫净化装置结构图；
上述附图中标号所示设备如下：
1.第一气源管道，2.重力分离器，3.过滤分离器，4.第二气源管道，5.一级第一精脱硫装置，6.一级第二精脱硫装置，7.第三气源管道，8.换热装置，9.第三气源管道，10.加热装置，11.第四气源管道，12.第五气源管道，13.第六气源管道，14.催化转化装置，15.二级第一精脱硫装置，16.二级第二精脱硫装置，17.第七气源管道，18.粉尘过滤器，19.第八气源管道。
具体实施方式
一种天然气催化脱硫净化装置，包括重力分离器2，过滤分离器3，一级精脱硫装置，换热装置8，加热装置10，催化转化装置14，二级精脱硫装置，粉尘过滤器18，阀门，气源(连接)管道。
原料天然气由增压站输送，经重力分离器2除杂质，过滤分离器3除烃液、水分，分流通过并联布置的多个一级精脱硫装置，脱除H2S，经换热装置8预热后，通过加热器(加热装置10)升温至适当的反应温度，进入催化转化装置14，将有机硫，尤其是COS、CS2、硫醇、硫醚等硫化物转化为H2S形式，再次通过换热装置8降温后，进入二级精脱硫装置，脱除转化产物H2S，经二级精脱硫装置净化的天然气，进入粉尘过滤器18除尘，形成洁净天然气，经上述装置及工艺净化的天然气中，硫含量(以S计)≤20mg/m3,H2S含量≤6mg/m3，符合国家标准《天然气》中对于一类天然气硫化物含量的要求。
上述的一级精脱硫装置对于H2S有催化吸附作用，在装置中装填的固体改性吸附剂为改性活性炭、改性分子筛、氧化铁、氧化锌中的一种或几种，进一步地，对于(气源中)H2S，固体改性吸附剂在0至70℃区间的穿透硫容(以硫元素重量计)为30至40％。该(固体改性)吸附剂可选用可再生的改性吸附剂，使用热的洁净气源对催化剂在线解析再生，循环利用吸附剂脱除H2S，进一步地，再生气提输送至油气厂脱硫处理。(参照申请人的申请《一种天然气干式净化装置及工艺》的可再生的改性吸附剂)
上述的加热装置10可将经过一级精脱硫装置脱硫以及预热装置预热的天然气温度升高至发生有机硫催化转化反应的最佳反应温度区间，提高天然气中有机硫催化转化生成H2S的转化效率，转化效率不低于95％。
上述的催化转化装置14中装填的催化剂可将天然气气源中的有机硫，如COS、CS2、硫醇、硫醚等催化转化为H2S，有机硫与气源中携带的少量氢气或水发生催化转化反应，生成产物为H2S和CO2。进一步的，所述催化剂为改性催化剂，其基底为活性氧化铝、分子筛、活性炭的一种或几种，经碱金属、碱土金属、贵金属的一种或几种改性，提高有机硫转化效率，延长催化剂使用寿命。
上述的换热装置8利用由催化转化装置14出口排出的温度较高的天然气，对经过一级精脱硫装置的天然气预热，从而利用系统内的余热，减少系统能耗。
上述的二级精脱硫装置与前端一级精脱硫装置相似，为多个并联的(二级)精脱硫装置，气源可同时通过所有或部分通过脱硫装置，脱除无机硫H2S，进一步地，二级精脱硫装置与一级精脱硫装置中装填的固体吸附剂一致，经换热装置8降温的天然气，气源温度符合该固体改性吸附剂催化吸附H2S的最佳反应区间。
上述的粉尘过滤器18脱除天然气经过前端一级精脱硫装置、催化转化装置14、二级精脱硫装置，穿透上述装置中装填的固体吸附剂，催化剂床层时携带的粉尘，得到洁净的产品天然气，输送至后端用户。
结合附图，以下对本发明实施方式阐述，该实施例中，一级精脱硫装置、二级精脱硫装置各选用两个精脱硫塔并联的接入方式，在其他对于本发明的实施过程中，可根据实际天然气量，选用2至16个并联的精脱硫装置各级精脱硫装置系统。
本发明的一种天然气催化脱硫净化装置及工艺，本发明解决将天然气中的无机硫H2S，有机硫COS、CS2、硫醇、硫醚等硫化物脱除，本发明工艺流程无废液产生，原料天然气经加压输送至重力分离器2，过滤分离器3后，进入一级精脱硫装置，脱除无机硫H2S，通过换热装置8预热、加热装置10加热的天然气进入催化转化装置14，使天然气中有机硫转化为H2S，再次通过换热装置8利用余热，通入二级精脱硫装置，脱除转化产物H2S，经粉尘过滤器18处理，脱除因穿透吸附剂(床层)、催化剂床层所携带的粉尘，形成洁净天然气，输送至用户端使用，通过本发明催化脱硫净化的天然气中，H2S含量小于等于6mg/m3,总硫化物(以硫计)小于等于20mg/m3，达到国家标准《天然气》GB17820-2018对于一类天然气硫化物含量要求。
具体的，本发明提供一种天然气催化脱硫净化装置及工艺，由增压站输出的原料天然气第一气源管道1的气源参数为：压力4800KPa,流量11000Nm3/h，温度约为30℃，第一气源管道1的气源通过重力分离器2以及过滤分离器3除去携带的杂质、烃液、大部分水分后，形成经初步净化的原料天然气经第二气源管道4的气源均匀通过并联接入主输送管道的一级第一精脱硫装置5、一级第二精脱硫装置6，脱除第二气源管道4的气源中的H2S，形成原料天然气第三气源管道7的气源，即含有少量H2S和有机硫的天然气，第三气源管道7的气源经过换热装置8预加热至温度约为60℃的原料天然气经第三气源管道9的气源经过加热装置10加热至温度约为120℃的经第五气源管道12的气源进入催化转化装置14，原料天然气中的有机硫经过催化转化装置14中的催化剂床层，与原料天然气中的少量氢气或水反应，生成H2S，由催化转化装置14排出的天然气经第六气源管道13，温度约110℃的第六气源管道13的气源通过换热装置8，与温度约为30℃的第三气源管道7的气源换热，第六气源管道13的气源经换热装置8，降温至50至70℃，形成第四气源管道11的气源，第四气源管道11的气源均匀通过并联接入主输送管道的二级第一精脱硫装置15、二级第二精脱硫装置16，脱除经有机硫催化转化反应产生的H2S，第四气源管道11的气源分流进入二级第一精脱硫装置15、二级第二精脱硫装置16，通过吸附剂床层排出(二级)精脱硫装置后，汇合为天然气经第七气源管道17的气源，通入粉尘过滤器18，脱除由于天然气穿透前端所有反应装置中吸附剂(床层)、催化剂床层所带出的粉尘，形成洁净天然气经第八气源管道19的气源，洁净天然气气源(即第八气源管道19的气源)中硫含量(以S计)为10mg/m3,H2S含量为4mg/m3，符合国家标准GB17820-2018对于一类天然气硫化物含量规定，即硫含量(以S计)≤20mg/m3,H2S含量≤6mg/m3的净天然气，输送至下游各用户端。
上述一级第一精脱硫装置5、一级第二精脱硫装置6可同时工作，处理第二气源管道4的气源，或关闭其中一个(一级)精脱硫装置，更换吸附剂(床层)，同样地，上述二级第一精脱硫装置15、二级第二精脱硫装置16可同时工作，处理第四气源管道11的气源，或关闭其中一个(二级)精脱硫装置，更换吸附剂(床层)。
上述一级第一精脱硫装置5、一级第二精脱硫装置6、二级第一精脱硫装置15、二级第二精脱硫装置16中装填的固体吸附剂对于H2S有催化吸附作用，穿透硫容为35％(S元素重量比)，具体的，固体吸附剂为改性活性炭和改性分子筛组合。
上述催化转化装置14中装填的改性催化剂可在天然气气氛中，将COS、CS2、硫醇、硫醚等有机硫转化为无机硫H2S，有机硫组分与天然气中携带的少量氢气和水发生催化转化反应，生成H2S。
上述催化剂为活性氧化铝基碱土金属、贵金属改性催化剂，该催化剂对于有机硫催化转化反应的转化效率为97％，进一步地，所述改性催化剂为蜂窝体。
上述(一级、二级)精脱硫装置中装填的固体改性吸附剂可选用可再生或一次性非可再生吸附剂，采用可再生吸附剂时，可选地，使用可在线再生的吸附剂，如改性活性炭、改性分子筛等，循环利用吸附剂脱除H2S，再生饱和气体可输送至油气厂处理。所述加热装置10将一级精脱硫装置脱硫后的天然气加热至有机硫催化转化最佳反应温度区间，经加热装置10加热的原料天然气进入催化转化装置14。所述换热装置8可减少系统热损失，降低能耗，经过催化(转化)装置14的天然气排出后，通过换热装置8降温，将热量转换传递至由一级精脱硫装置排出的天然气，使原料天然气在通入上述加热装置10前预热。所述的二级精脱硫装置与一级精脱硫装置相似，为多个相同的精脱硫塔并联接入净化系统，气源可同时通过所有或部分二级精脱硫塔，并装填与一级精脱硫装置中相同的固体吸附剂，经催化转化装置转化有机硫、换热装置降温后的原料天然气通入二级精脱硫装置，进一步脱除气源中的转化产物H2S。所述的粉尘过滤器18串联在二级精脱硫装置后端，将天然气中由前端固定床工段带出的吸附剂、催化剂粉尘脱除，得到净天然气产品，输送至下游用户。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种天然气催化脱硫净化装置，其特征在于，包括依次布置的重力分离器(2)、过滤分离器(3)、一级精脱硫装置和换热装置(8)，所述换热装置(8)的顶部连接二级精脱硫装置，所述换热装置(8)的中部连接加热装置(10)，所述加热装置(10)连接催化转化装置(14)的顶部，所述换热装置(8)的底部连接催化转化装置(14)的底部，二级精脱硫装置的的底部连接粉尘过滤器(18)。
2.根据权利要求1所述的一种天然气催化脱硫净化装置，其特征在于，所述的一级精脱硫装置并联设置有多个，一级精脱硫装置中设置吸附剂床层，吸附剂床层中装填有固体改性吸附剂。
3.根据权利要求1所述的一种天然气催化脱硫净化装置，其特征在于，所述的二级精脱硫装置并联设置有多个，二级精脱硫装置中设置吸附剂床层，吸附剂床层中装填有固体改性吸附剂。
4.根据权利要求2或3所述的一种天然气催化脱硫净化装置，其特征在于，一级精脱硫装置、二级精脱硫装置中装填的固体改性吸附剂为改性活性炭、改性分子筛、氧化铁、氧化锌中的一种或几种。
5.根据权利要求2或3所述的一种天然气催化脱硫净化装置，其特征在于，所述催化转化装置(14)中设置催化剂床层，催化剂床层中装填催化剂，所述催化剂为改性催化剂，其基底为活性氧化铝、分子筛、活性炭的一种或几种，经碱金属、碱土金属、贵金属的一种或几种改性。
6.根据权利要求4所述的一种天然气催化脱硫净化装置，其特征在于，一级精脱硫装置、二级精脱硫装置中装填的固体改性吸附剂对于气源中H2S在0至70℃区间的穿透硫容以硫元素重量计为30至40％。
7.根据权利要求1或2或3所述的一种天然气催化脱硫净化装置，其特征在于，所述加热装置(10)与换热装置(8)之间设置预热装置。
8.根据权利要求1-7中任意一项所述的一种天然气催化脱硫净化装置的净化工艺，其特征在于，包含以下步骤：
步骤一：原料天然气经增压站后，经重力分离器(2)、过滤分离器(3)除去杂质、烃液、部分水分后，进入一级精脱硫装置，除去原料天然气中的H2S；
步骤二：通过换热装置(8)预热、加热装置(10)升温后，进入催化转化装置(14)使原料天然气中的有机硫转化为H2S，经过催化转化的天然气通过换热装置(8)降温，通入二级精脱硫装置，经过二次精脱硫装置脱除天然气中催化转化过程产物H2S；
步骤三：二级精脱硫装置出口的天然气经粉尘过滤器(18)除去由前端工序带出的催化剂、吸附剂粉尘，经上述工艺净化后，得到硫含量以S计≤20mg/m3,H2S含量≤6mg/m3的净天然气，并输送至下游用户。
9.根据权利要求8所述的一种天然气催化脱硫净化装置的净化工艺，其特征在于，包含以下步骤：由增压站输出的原料天然气第一气源管道(1)的气源参数为：压力4800KPa,流量11000Nm3/h，温度为30±1℃，第一气源管道(1)的气源通过重力分离器(2)以及过滤分离器(3)除去携带的杂质、烃液、大部分水分后，形成经初步净化的原料天然气经第二气源管道(4)的气源均匀通过并联接入主输送管道的一级第一精脱硫装置(5)、一级第二精脱硫装置(6)，脱除第二气源管道(4)的气源中的H2S，形成原料天然气第三气源管道(7)的气源，即含有少量H2S和有机硫的天然气，第三气源管道(7)的气源经过换热装置(8)预加热至温度为60±1℃的原料天然气经第三气源管道(9)的气源经过加热装置(10)加热至温度为120±1℃的经第五气源管道(12)的气源进入催化转化装置(14)，原料天然气中的有机硫经过催化转化装置(14)中的催化剂床层，与原料天然气中的少量氢气或水反应，生成H2S，由催化转化装置(14)排出的天然气经第六气源管道(13)，温度110±1℃的第六气源管道(13)的气源通过换热装置(8)，与温度为30±1℃的第三气源管道(7)的气源换热，第六气源管道(13)的气源经换热装置(8)，降温至50至70℃，形成第四气源管道(11)的气源，第四气源管道(11)的气源均匀通过并联接入主输送管道的二级第一精脱硫装置(15)、二级第二精脱硫装置(16)，脱除经有机硫催化转化反应产生的H2S，第四气源管道(11)的气源分流进入二级第一精脱硫装置(15)、二级第二精脱硫装置(16)，通过吸附剂床层排出二级精脱硫装置后，汇合为天然气经第七气源管道(17)的气源，通入粉尘过滤器(18)，脱除由于天然气穿透前端所有反应装置中吸附剂床层、催化剂床层所带出的粉尘，形成洁净天然气经第八气源管道(19)的气源，洁净天然气气源中硫含量以S计为10mg/m3,H2S含量为4mg/m3，符合国家标准GB17820-2018对于一类天然气硫化物含量规定，即硫含量以S计≤20mg/m3,H2S含量≤6mg/m3的净天然气，输送至下游各用户端。
10.根据权利要求9所述的一种天然气催化脱硫净化装置的净化工艺，其特征在于，所述一级第一精脱硫装置(5)、一级第二精脱硫装置(6)同时工作，处理第二气源管道(4)的气源；或关闭其中一个一级精脱硫装置，更换吸附剂床层；
所述二级第一精脱硫装置(15)、二级第二精脱硫装置(16)同时工作，处理第四气源管道(11)的气源；或关闭其中一个二级精脱硫装置，更换吸附剂床层。
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