Aminbehandling af gas for svovlbrinte: princip, effektive varianter og anlægsskemaer

I naturgas, der udvindes fra felter til levering til forbrugeren via rørledninger, findes svovlforbindelser i forskellige proportioner. Hvis man ikke fjerner dem, vil aggressive stoffer ødelægge rørledningen og gøre armaturer ubrugelige. Desuden frigives der toksiner ved afbrænding af forurenet brændstof.

For at undgå negative konsekvenser udføres aminbehandling af gas for svovlbrinte. Dette er den enkleste og billigste måde at adskille skadelige komponenter fra det brændbare fossile brændsel. Vi fortæller, hvordan separationsprocessen af svovlholdige indeslutninger forløber, og hvordan renseanlægget er opbygget og fungerer.

Formålet med rensning af brændbart fossilt brændsel

Gas er den mest populære brændstoftype. Det tiltrækker ved sin maksimalt overkommelige pris og mindste skade på miljøet. Til de ubestridelige fordele hører enkelheden i styring af forbrændingsprocessen og muligheden for at sikre alle trin i forarbejdningen af brændstoffet under opnåelse af termisk energi.

Naturgas udvindes dog ikke i ren form, da man samtidig med gasudvindingen fra boringen pumper organiske forbindelser op. Den mest almindelige af disse er svovlbrinte, hvis indhold varierer fra tiendedele til ti procent eller mere afhængigt af forekomsten.

Svovlbrinte er giftigt, farligt for miljøet og skadeligt for katalysatorer, der anvendes i gasbehandling. Som vi allerede har nævnt, er denne organiske forbindelse ekstremt aggressiv over for stålrør og metalafspærringsventiler.

Naturligvis fører svovlbrinte, ved at tære på det private system og hovedgasledningen, til lækager af blåt brændstof og yderst negative, risikable situationer forbundet med dette. For at beskytte forbrugeren fjernes sundhedsskadelige forbindelser fra den gasformige brændstof, før den leveres til hovedledningen.

Ifølge normerne må svovlbrinteindholdet i gas, der transporteres i rørledninger, ikke overstige 0,02 g/m³. I virkeligheden er der dog ofte betydeligt mere. For at opnå den værdi, der er reguleret af GOST 5542-2014, kræves der rensning.

Eksisterende metoder til fjernelse af svovlbrinte

Udover svovlbrinte, som er den dominerende urenhed, kan blåt brændstof også indeholde andre skadelige forbindelser. Man kan finde kuldioxid, lette mercaptaner og carbonylsulfid. Men svovlbrinte vil altid være dominerende.

Det er værd at bemærke, at et lille indhold af svovlforbindelser i renset gasformigt brændstof er tilladt. Det specifikke tolerancetal afhænger af de formål, hvortil gassen udvindes. For eksempel, til produktion af ethylenoxid må det samlede indhold af svovlimpurities være mindre end 0,0001 mg/m³.

Metoden til rensning vælges ud fra det ønskede resultat.

Alle nuværende metoder opdeles i to grupper:

• Sorptionsmetoder. De består i at absorbere svovlbrinteforbindelser med et fast (adsorption) eller flydende (absorption) reagens efterfulgt af adskillelse af svovl eller dets derivater. Derefter bortskaffes eller behandles de skadelige urenheder, der er adskilt fra gassen.
• Katalytiske metoder. De består i oxidation eller reduktion af svovlbrinte med omdannelse til elementært svovl. Processen gennemføres i nærvær af katalysatorer – stoffer, der stimulerer forløbet af den kemiske reaktion.

Adsorption indebærer indsamling af svovlbrinte ved koncentration på overfladen af et fast stof. Oftest anvendes granulerede materialer baseret på aktivt kul eller jernoxid i adsorptionsprocessen. Kornenes karakteristiske store specifikke overflade fremmer maksimal tilbageholdelse af svovlmolekyler.

Alle metoder til rensning af blåt brændstof opdeles i sorptions- og katalytiske metoder. Renseudstyret er orienteret mod princippet om en bestemt teknologi. Dog findes der anlæg, hvor flere metoder er kombineret, hvilket muliggør en kompleks rensning.

Absorptionsteknologien adskiller sig ved, at gasformige svovlbrinteurenheder opløses i et aktivt flydende stof. Resultatet er, at gasformige forureninger overføres til væskefasen. Derefter fjernes de adskilte skadelige komponenter ved fordampning, også kaldet desorption, på denne måde elimineres de fra reaktionsvæsken.

Selvom adsorptionsteknologien tilhører de 'tørre processer' og muliggør finrensning af blåt brændstof, anvendes absorption oftere til fjernelse af forureninger fra naturgas. Indsamling og fjernelse af svovlbrinteforbindelser ved hjælp af flydende absorbenter er mere fordelagtig og hensigtsmæssig.

Den mest populære type adsorber er aktivt kul, anvendt i form af kapsler eller granulat. Overfladen af hvert element “opsuger” svovlbrinte og andre organiske indeslutninger.

Absorptionsmetoder, der anvendes i gasrensning, opdeles i følgende tre grupper:

• Kemiske. Udføres ved brug af opløsningsmidler, der frit reagerer med svovlbrinte sure forurenere. Den højeste absorptionskapacitet blandt kemiske sorbenter har ethanolaminer eller alkanolaminer.
• Fysiske. Udføres ved fysisk opløsning af gasformig svovlbrinte i en flydende absorbent. Jo højere partialtrykket af den gasformige forurening er, desto hurtigere forløber opløsningsprocessen. Som absorbent anvendes her methanol, propylencarbonat mv.
• Kombinerede. I den blandede version af svovlbrinteudvinding anvendes begge teknologier. Hovedarbejdet udføres ved absorption, og den fine efterrensning udføres med adsorbenter.

I et halvt århundrede har den mest anvendte og populære teknologi til udskillelse og fjernelse af svovlbrinte og kulsyre fra naturgas været kemisk gasrensning ved hjælp af en aminsorbent i vandig opløsning.

Sorptionsmetoder til rensning af naturgas er baseret på faste og flydende stoffers evne til at reagere med svovlbrinte og andre organiske urenheder og derved udskille dem fra gassen.

Aminteknologien er bedre egnet til behandling af store mængder gas, fordi:

• Ingen mangel. Reagenserne kan altid købes i den nødvendige mængde til rensningen.
• Acceptabel absorptionskapacitet. Aminer har høj absorptionskapacitet. Af alle anvendte stoffer er det kun dem, der kan fjerne 99,9% af svovlbrinten fra gassen.
• Prioriterede egenskaber. Vandige aminopløsninger har maksimal acceptabel viskositet, damptæthed, termisk og kemisk stabilitet samt lav varmekapacitet. Deres egenskaber sikrer det bedste forløb af absorptionsprocessen.
• Ingen toksicitet af reaktive stoffer. Dette er et vigtigt argument, der overbeviser om at anvende netop aminmetoden.
• Selektivitet. En egenskab, der er nødvendig ved selektiv absorption. Den gør det muligt at udføre de nødvendige reaktioner i den rækkefølge, der kræves for et optimalt resultat.

Ethanolaminer, der anvendes i kemiske metoder til gasrensning for svovlbrinte og kuldioxid, omfatter monoethanolaminer (MEA), diethanolaminer (DEA), triethanolaminer (TEA). Stoffer med præfikserne mono- og di- fjerner både H₂S og CO₂ fra gassen. Den tredje variant fjerner kun svovlbrinte.

Ved selektiv rensning af blå brændsel anvendes methyldiethanolaminer (MDEA), diglycolaminer (DGA), diisopropanolaminer (DIPA). Selektive absorbenter bruges hovedsageligt i udlandet.

Naturligvis findes der endnu ikke ideelle absorbenter, der opfylder alle krav til rensning før levering til systemet gasopvarmning og forsyning af andet udstyr. Hvert opløsningsmiddel har nogle fordele sammen med ulemper. Når man vælger et reaktivt stof, bestemmer man blot det mest egnede blandt de foreslåede.

Funktionsprincip for et typisk anlæg

En monoethanolaminopløsning er kendetegnet ved den maksimale absorptionskapacitet med hensyn til H₂S. Dette reagens har dog et par væsentlige ulemper. Det er kendetegnet ved et ret højt tryk og evnen til at danne irreversible forbindelser med carbonylsulfid under driften af amingasrensningsanlægget.

Den første ulempe elimineres ved skylning, hvorved amindampene delvist absorberes. Den anden forekommer sjældent under behandling af feltgasser.

Koncentrationen af den vandige monoethanolaminopløsning bestemmes empirisk; baseret på udførte undersøgelser vedtages den til rensning af gas fra en bestemt forekomst. Ved valg af reagensets procentvise indhold tages der hensyn til dets evne til at modstå den aggressive virkning af svovlbrinte på systemets metalkomponenter.

Standardindholdet af det absorberende stof ligger normalt i intervallet 15 til 20%. Det forekommer dog ofte, at koncentrationen øges til 30% eller reduceres til 10% afhængigt af, hvor høj rensegraden skal være. Dvs. til hvilket formål, til opvarmning eller til produktion af polymerforbindelser, gassen skal bruges.

Bemærk, at ved en forøgelse af koncentrationen af aminforbindelser mindskes svovlbrintens korrosionsmulighed. Men man skal tage i betragtning, at reagensforbruget i dette tilfælde stiger. Følgelig stiger prisen på den rensede salgsgas.

Hovedenheden i renseanlægget er en absorber af plade- eller pakningstypen. Det er en vertikalt orienteret, udvendigt reagensglaslignende enhed med indvendige pakninger eller plader. I dens nederste del er der en indgang til tilførsel af ubehandlet gasblanding, i toppen en udgang til en skrubber.

Hvis den gas, der renses i anlægget, har et tryk, der er tilstrækkeligt til at føre reagenset ind i varmeveksleren og derefter til stripperkolonnen, sker processen uden brug af pumpe. Hvis trykket er for lavt til, at processen kan forløbe, stimuleres strømmen af pumpeudstyr.

Gasstrømmen efter passage gennem indløbsseparatoren pumpes ind i den nederste del af absorbatoren. Derefter passerer den gennem plader eller pakninger placeret i midten af beholderen, hvor forurenende stoffer sætter sig. Pakningerne, der er fuldstændigt gennemvædet af aminopløsning, er adskilt af gitre for jævn fordeling af reagenset.

Herefter sendes det rensede, blå brændsel til en skrubber. Denne enhed kan tilsluttes i processkemaet efter absorbatoren eller placeres i dennes øverste del.

Den brugte opløsning løber ned ad absorbatorens vægge og sendes til stripperkolonnen – en desorber med koger. Her renses opløsningen for de absorberede urenheder af dampe, der frigives ved kogning af vand, for at vende tilbage til anlægget.

Den regenererede, dvs. befriede for svovlbrinteforbindelser, opløsning strømmer over i varmeveksleren. Her afkøles væsken under overførsel af varme til den næste portion af forurenet opløsning, hvorefter den pumpes af en pumpe ind i køleren til fuldstændig afkøling og kondensering af damp.

Den afkølede absorberingsopløsning føres igen ind i absorbatoren. Således cirkulerer reagenset i anlægget. Dets dampe afkøles også og renses for sure urenheder, hvorefter de genopfylder reagensbeholdningen.

Oftest anvendes skemaer med monoetanolamin og dietanolamin til gasrensning. De nævnte reagenser gør det muligt at fjerne ikke kun svovlbrinte, men også kuldioxid fra sammensætningen af det blå brændsel.

Hvis det er nødvendigt at fjerne både CO₂ og H₂S samtidigt fra den behandlede gas, udføres en totrinsrensning. Den består i at anvende to opløsninger med forskellig koncentration. Denne variant er mere økonomisk end ettrinsrensning.

Først renses det gasformige brændsel med en stærk sammensætning med et reagensindhold på 25-35%. Derefter behandles gassen med en svag vandig opløsning, hvor det aktive stof kun er 5-12%. I sidste ende udføres både grov- og finrensning med minimalt forbrug af opløsning og fornuftig brug af den afgivne varme.

Fire varianter af rensning med alkanolaminer

Alkanolaminer eller aminospritter er stoffer, der ikke kun indeholder en amingruppe, men også en hydroxigruppe.

Konstruktionen af anlæg og teknologier til rensning af naturgas med alkanolaminer adskiller sig hovedsageligt i metoden til tilførsel af det absorberende stof. Oftest anvendes fire grundlæggende metoder til gasrensning med denne type aminer.

Første metode. Indebærer tilførsel af den aktive opløsning som én strøm oppefra. Hele volumen af absorbenten sendes til anlæggets øverste plade. Rensningsprocessen foregår ved en temperatur på højst 40ºC.

Den enkleste rensningsmetode indebærer tilførsel af aktiv opløsning i en enkelt strøm. Denne metode anvendes, hvis der er en ubetydelig mængde urenheder i gassen.

Denne metode anvendes normalt ved let forurening med hydrogensulfid-forbindelser og kuldioxid. Den samlede termiske virkning for at opnå handelsgas er som regel lav.

Anden metode. Denne rensevariant anvendes ved højt indhold af hydrogensulfid-forbindelser i det gasformige brændsel.

Reaktiv opløsning tilføres i dette tilfælde i to strømme. Den første, med et volumen på ca. 65-75% af den samlede masse, sendes til midten af anlægget, den anden leveres fra toppen.

Aminopløsningen løber ned ad pladerne og møder opadgående gasstrømme, som presses ind på den nederste plade i absorptionsanlægget. Før tilførsel opvarmes opløsningen til højst 40 °C, men under vekselvirkningen mellem gas og amin stiger temperaturen betydeligt.

For at renseeffektiviteten ikke falder på grund af temperaturstigningen, bortledes overskudsvarmen sammen med den brugte opløsning, som er mættet med hydrogensulfid. Og i toppen af anlægget foretages afkøling af strømmen for at udvinde rester af sure bestanddele sammen med kondensat.

Den anden og tredje af de beskrevne metoder forudsætter tilførsel af absorberende opløsning i to strømme. I det første tilfælde tilføres reagenset ved én temperatur, i det andet – ved forskellig.

Dette er en økonomisk metode, der gør det muligt at reducere forbruget af både energi og aktiv opløsning. Der foretages ikke yderligere opvarmning på noget trin. Teknologisk set er det en to-trins rensning, som giver mulighed for at forberede handelsgas til levering i hovedledningen med mindst muligt tab.

Tredje metode. Indebærer levering af absorbenten til renseanlægget i to strømme med forskellig temperatur. Metoden anvendes, hvis der ud over hydrogensulfid og kuldioxid også er CS₂ og COS i rågassen.

Den overvejende del af absorbenten, cirka 70-75%, opvarmes til 60-70 °C, og den resterende del kun til 40 °C. Strømmene tilføres absorbenten på samme måde som i det ovenfor beskrevne tilfælde: fra toppen og i midten.

Dannelsen af en zone med høj temperatur gør det muligt hurtigt og effektivt at udvinde organiske forureninger fra gasmassen nederst i rensesøjlen. Og i toppen udfældes carbondioxid og hydrogensulfid af amin ved standardtemperatur.

Fjerde metode. Denne teknologi indebærer, at vandig aminopløsning tilføres i to strømme med forskellig regenereringsgrad. Det vil sige, at den ene leveres urenset og indeholder svovlbrint, den anden uden.

Den første strøm kan ikke kaldes fuldstændigt forurenet. Den indeholder kun delvist sure komponenter, fordi en del af dem fjernes under afkøling til +50º/+60ºC i en varmeveksler. Denne strøm af opløsning tages fra desorberens nederste pakning, afkøles og ledes til den midterste del af kolonnen.

Ved et betydeligt indhold af svovlbrint og kuldioxid i gasformigt brændstof foretages rensning med to strømme af opløsning med forskellig regenereringsgrad

Dybdrensning gennemgår kun den del af opløsningen, som trykkes ind i anlæggets øverste sektor. Temperaturen på denne strøm overstiger normalt ikke 50ºC. Her udføres finrensning af det gasformige brændstof. Denne ordning reducerer omkostningerne med mindst 10 % på grund af mindre dampspild.

Det er klart, at rensningsmetoden vælges ud fra tilstedeværelsen af organiske forureninger og økonomisk fornuft. Under alle omstændigheder gør mangfoldigheden af teknologier det muligt at finde den optimale løsning. I den samme aminbehandlingsinstallation til gas kan man variere rensningsgraden og opnå blåt brændstof med de nødvendige egenskaber til gaskedler, komfurer og varmeapparater.

Konklusioner og nyttig video om emnet

Om specifikationerne for udvinding af svovlbrint fra ledsagegas, der udvindes sammen med olie fra en oliebrønd, fortæller følgende video:

Anlæg til rensning af blåt brændstof for svovlbrint med fremstilling af elementært svovl til videre forarbejdning præsenteres i videoen:

Om, hvordan man derhjemme kan fjerne svovlbrint fra biogas, fortæller forfatteren af denne video:

Valget af gasrensningsmetode fokuserer først og fremmest på løsningen af en bestemt opgave. Udføreren har to veje: at følge en afprøvet ordning eller at foretrække noget nyt. Dog bør den primære rettesnor stadig være økonomisk fornuft samtidig med, at kvaliteten bevares og den nødvendige behandlingsgrad opnås.