أساسيات تنقية الغاز الطبيعي وتكامل المحطة
فهم نظرة عامة على عملية تنقية الغاز الطبيعي
يعني تنقية الغاز الطبيعي بشكل أساسي التخلص من مواد مثل كبريتيد الهيدروجين (H2S)، وثاني أكسيد الكربون (CO2)، وبخار الماء من المادة الخام بحيث يلبي المتطلبات الخاصة بالأنابيب. وعادةً ما تتم هذه العملية في عدة مراحل تتضمن ما نسميه فصل المكونات، ومعالجة إزالة الشوائب الحمضية، ثم تجفيف الرطوبة. في الوقت الحالي، يمكن لأغلب المصانع تحقيق مستويات نقاء تتراوح بين حوالي 95٪ وقرابة 100٪ باستخدام مزيج من طرق المعالجة المختلفة. ويجب عليها إيجاد التوازن الأمثل بين تقليل تكاليف الطاقة والتأكد في الوقت نفسه من أن المنتج النهائي جيد بدرجة كافية للتوزيع. وقد أظهرت الأبحاث في هذا المجال تحسينات تدريجية مع مرور الوقت وفقًا للعمل الذي نشره ألشيك حمدون وزملاؤه عام 2016.
دور تحسين تدفق العمليات في الكفاءة الكلية للمصنع
تُظهر النماذج المحاكية المتقدمة أن تحسين تسلسل العمليات يُحسّن الكفاءة الحرارية بنسبة 12–15% في المصانع متوسطة الحجم (100–250 مليون قدم مكعب قياسي في اليوم). كما أن المراقبة الفورية تقوم بأتمتة ما يصل إلى 80% من ضبط التدفق، مما يضمن تنقية مستمرة ويقلل التدخل اليدوي بنسبة 60% مقارنةً بأنظمة التحكم التقليدية.
إزالة الغاز الحمضي وتنقيته باستخدام تقنية امتصاص الأمين
إزالة الكبريت وثاني أكسيد الكربون باستخدام امتصاص الأمين لإزالة الغاز الحمضي
تعتمد معظم الصناعات على امتصاص الأمين كطريقة مفضلة لإزالة كبريتيد الهيدروجين (H₂S) وثاني أكسيد الكربون (CO₂) من تيارات الغاز الحامضي. عندما يمر الغاز عبر برج الامتصاص، تقوم محاليل الأمين الخاصة بالتقاط هذه الغازات الحمضية المزعجة. وفي الظروف الجيدة، يمكن لهذه العملية خفض تركيزات H₂S من حوالي 6,900 جزء في المليون إلى بضع بواقي فقط من الجزء في المليون. بعد التقاط هذه الشوائب، يُرسل المشغلون خليط الأمين المشبع الآن إلى جهاز إعادة التوليد حيث يتم تطبيق الحرارة لتحرير الغازات الحمضية المحبوسة. وتُعدَّ هذه الغازات المتحررة إما للتخلص منها بشكل سليم أو لإرسالها إلى معالجة إضافية. وتعمل هذه المنظومة بكفاءة جيدة أيضًا، وعادة ما تتراوح نسبة إزالة الشوائب بين 95% وقرابة 100%، مع الحفاظ على أكثر من 98% من غاز الميثان القيِّم دون تغيير ليُعاد استخدامه في أجزاء أخرى من المنشأة.
الكفاءة المقارنة لمذيبات MEA وDEA وMDEA في تنقية الغاز
| مذيب | الانتقائية (H2S/CO2) | استهلاك الطاقة | معدل التدهور |
|---|---|---|---|
| قياس | منخفض | مرتفع | 1.2 كجم/طن غاز |
| DEA | معتدلة | متوسطة | 0.8 كجم/طن غاز |
| MDEA | مرتفع | منخفض | 0.3 كجم/طن غاز |
يُفضَّل استخدام ميثيل ثنائي إيثانولامين (MDEA) في التثبيتات الحديثة بسبب انتقائيته العالية تجاه كبريتيد الهيدروجين وانخفاض طاقة إعادة التنشيط بنسبة 40٪ مقارنةً بـ MEA. ومع ذلك، تتطلب سرعة تفاعل أبطأ أعمدة امتصاص أكبر، مما يزيد التكاليف الرأسمالية بنسبة 15–20٪ مقارنةً بأنظمة DEA.
اتجاهات أنظمة الغسيل الكيميائي لتحسين التقاط الغازات الحمضية
في الوقت الحاضر، يدمج المشغلون عوامل مضادة للرغوة مع أنظمة ترشيح متعددة المراحل للحفاظ على المذيبات خالية من ملوثات الهيدروكربونات. وعندما يتم تركيب أنظمة هجينة تُجرى فيها إزالة الرطوبة باستخدام الجلايكول أولاً، فإن ذلك يقلل من مشكلة تخفيف الأمين الناتجة عن الماء بنسبة تقارب الستين في المئة، مما يجعل العملية برمتها أكثر كفاءة في التقاط كبريتيد الهيدروجين. ووفقاً لنتائج الاختبارات الميدانية، فإن هذه الأساليب المدمجة تنتج فعلاً غازاً يتوافق مع معايير خطوط الأنابيب ويحتوي على أقل من أربع أجزاء في المليون من محتوى H2S. والأفضل من ذلك؟ تنخفض المصروفات التشغيلية بنحو اثني عشر في المئة بالمقارنة مع استخدام وحدات المعالجة بالأمين التقليدية فقط. وهذا النوع من التوفير في التكاليف يتراكم بمرور الوقت بالنسبة لمديري المصانح الذين يراقبون نتائجهم المالية.
تحليل الجدل: تدهور المذيبات والتأثير البيئي لوحدات الأمين
على الرغم من فعاليتها، تُنتج أنظمة الأمين مركبات ناتجة عن التحلل مثل النيتروسامينات، وهي مركبات مسرطنة تم اكتشافها في 23% من عينات مياه الصرف من أجهزة التجديد. وبينما تساعد الدوائر المغلقة للماء وعمليات الأكسدة المتقدمة في الحد من الانبعاثات، لا تزال هناك مخاوف بشأن البصمة البيئية لهذه التكنولوجيا نظرًا لأنها تستهلك من 15 إلى 30% من إجمالي طاقة المنشأة.
طرق إزالة الرطوبة: أنظمة الجلايكول والامتصاص بالغشاء الجزيئي
إزالة الرطوبة بفعالية يمنع تآكل خطوط الأنابيب ويدعم عملية التسييل. ويستخدم المشغلون استراتيجيات متدرجة تجمع بين الطرق الديناميكية الحرارية وطرق الامتصاص لتحقيق مستويات مياه متبقية أقل من 0.1 جزء في المليون.
إزالة رطوبة الغاز باستخدام الجلايكول كطريقة رئيسية لإزالة الرطوبة
تمتص غليكول ثلاثي الإيثيلين (TEG) هو المعيار الصناعي للتجفيف الكمي، ويُستخدم مع الغاز المغذّي الذي يحتوي على ما يصل إلى 7 أرطال/مليون قدم مكعب من محتوى الماء. ويقلل الغليكول المركز (>99%) من نقطة الندى إلى -30°م عن طريق التلامس العكسي. وتحافظ وحدات TEG المُحسّنة على الرطوبة المتبقية عند 0.5–1 رطل/مليون قدم مكعب، مع استهلاك طاقة تجديد أقل من 20 وحدة حرارية بريطانية/قدم مكعب.
دمج عمليات التجفيف الحفاز والامتصاصي في وحدات إزالة الرطوبة
تجمع الأنظمة الهجينة بين المعالجة المسبقة بالغليكول والتجفيف الحفاز باستخدام أسرّة أكسيد المغنيسيوم، والتي تزيل 90% من بخار الماء قبل مراحل الغربال الجزيئي. ويؤدي هذا الأسلوب إلى إطالة عمر المادة الماصة وتقليل تكرار الاستبدال بنسبة 40% (مجلة معالجة الغاز، 2023).
مقارنة الأداء: غليكول ثلاثي الإيثيلين مقابل امتزاز التأرجح بالضغط
تتمتع أنظمة TEG بتكلفة رأسمالية أقل بنسبة 35-50٪ مقارنة بامتصاص التأرجح بالضغط (PSA)، لكنها تستهلك طاقة أكثر بنسبة 15-20٪ أثناء إعادة التوليد. تحقق تقنية PSA نقطة ندى تبلغ -40°م بدون استخدام مواد كيميائية، لكنها تواجه صعوبات في التعامل مع تغيرات التدفق فوق 100 مليون قدم مكعب قياسي في اليوم. أما الأنظمة الهجينة الغشائية-PSA فتوفر الآن كفاءة أعلى بنسبة 30٪ في المصانع الكبيرة (≥500 مليون قدم مكعب قياسي في اليوم).
استرداد الكبريت والمعالجة المتقدمة باستخدام أنظمة كلاوس وغاز الذيل
وحدات استرداد الكبريت (عملية كلاوس) لتحويل غاز H2S إلى كبريت عنصري
تظل عملية كلاس المكونة من ثلاث مراحل محورية في استرداد الكبريت، حيث تقوم بتحويل غاز H2S السام إلى كبريت عنصري. وتبدأ العملية بالأكسدة الحرارية عند درجة حرارة تتراوح بين 1,200 و1,400°م، تليها مراحل تحويل حفاز تحقق معًا نسبة استرداد كبريت تتراوح بين 95 و97٪. وتشمل معظم المصانع الحديثة معالجة غاز الذيل للتعامل مع الـ3-5٪ المتبقية من الكبريت غير المسترد.
تحسينات في الكفاءة في مراحل تنقية الغاز الحفازة في مفاعلات كلاوس
أدت الصيغ الحفازة الجديدة إلى زيادة كفاءة المفاعل بنسبة 8-12٪ مقارنةً بالنظم التقليدية القائمة على الألومينا. تتيح الأسرّة الحفازة متعددة الطبقات التفاعلات المُحسَّنة من حيث درجة الحرارة (200–350°م)، في حين تُطيل الطلاءات المضادة للتلوث عمر الخدمة بمقدار 25,000 إلى 30,000 ساعة. تقلل هذه الترقيات انبعاثات الكبريت السنوية بمقدار 6.3 طن متري لكل مصنع، وذلك استنادًا إلى بيانات عام 2023.
الامتثال البيئي ومعايير انبعاثات الكبريت في المصانع الحديثة
أصبحت القواعد أكثر صرامة فيما يتعلق بانبعاثات الكبريت في هذه الأيام، حيث تم تحديد الحد الأقصى بـ 15 جزءًا من المليون حسب الحجم. وقد دفع هذا العديد من الصناعات نحو اعتماد أساليب هجينة تُستخدم فيها وحدات كلاوس التقليدية جنبًا إلى جنب مع طرق بيولوجية حديثة لإزالة الكبريت. انظر إلى ما حدث في إحدى المنشآت في الشرق الأوسط عام 2023 عند تنفيذ هذا النهج المدمج. فقد نجحوا في خفض نفاياتهم من الكبريت بنسبة أربعين بالمئة تقريبًا من خلال تقنيات أفضل لمعالجة غاز الذيل، وهي نتيجة تتماشى بشكل جيد مع الأهداف التي تسعى وكالة حماية البيئة (EPA) لتحقيقها ضمن معايير قانون الهواء النظيف المحدثة والمقررة لعام 2025. وبالحديث عن متطلبات الرقابة، فإن معظم محطات معالجة الغاز الطبيعي في أمريكا تحتاج الآن إلى أنظمة رصد الانبعاثات المستمرة، أو ما يُعرف اختصارًا بـ CEMS. ويجب على نحو 89 من أصل كل 100 منشأة الامتثال لهذا التنظيم، وهو أمر منطقي بالنظر إلى الأهمية البالغة لمراقبة ما يُطلق فعليًا من تلك المداخن.
الأسئلة المتكررة (FAQ)
ما هو الهدف الرئيسي من تنقية الغاز الطبيعي؟
الهدف الرئيسي من تنقية الغاز الطبيعي هو إزالة الشوائب مثل كبريتيد الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون وبخار الماء من الغاز الطبيعي الخام لتلبية متطلبات خطوط الأنابيب وضمان توزيع آمن وفعال.
ما مدى فعالية أنظمة امتصاص الأمين في إزالة الملوثات؟
تُعد أنظمة امتصاص الأمين فعالة للغاية، حيث يمكنها تقليل الملوثات مثل كبريتيد الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون بنسبة تصل إلى 95-100% مع الحفاظ على نقاء الميثان بأكثر من 98%.
لماذا تُعتبر عملية الجفاف بالجليكول الطريقة المفضلة لإزالة الرطوبة في معالجة الغاز؟
تُفضل عملية الجفاف بالجليكول بسبب قدرتها على التعامل مع محتوى عالٍ من الماء وتحقيق نقاط ندى منخفضة. ويُستخدم جليكول ثلاثي الإيثيلين (TEG) بشكل شائع لأنه يقلل مستويات الماء بشكل فعال ويقلل استهلاك الطاقة.
ما هي مزايا تقنية الفصل بالأغشية؟
توفر تقنية الفصل بالغشاء مزايا مثل تقليل استهلاك الطاقة (أقل بنسبة 40-60٪) مقارنة بالطرق التقليدية، ونِسب انتقائية عالية لفصل ثاني أكسيد الكربون عن الميثان، وهي مزايا مفيدة للتطبيقات البحرية وغازات الوقود الحيوي.