اصول تصفیه گاز طبیعی و یکپارچهسازی نیروگاه
درک کلی از فرآیند تصفیه گاز طبیعی
تصفیه گاز طبیعی در اصل به معنای حذف موادی مانند هیدروژن سولفید (H2S)، دیاکسید کربن (CO2) و بخار آب از ماده خام است تا به استانداردهای مورد نیاز خطوط لوله برسد. کل این فرآیند معمولاً در چند مرحله انجام میشود که شامل مواردی مانند جداسازی، فرآیندهای شیرینسازی و سپس خشککردن رطوبت است. امروزه بیشتر واحدها میتوانند با استفاده از ترکیبی از روشهای مختلف پالایش، سطح خلوصی بین حدود ۹۵٪ تا تقریباً ۱۰۰٪ به دست آورند. آنها باید نقطه بهینهای را بین صرفهجویی در مصرف انرژی و تضمین کیفیت کافی محصول نهایی برای توزیع پیدا کنند. تحقیقات انجامشده در این زمینه بهبودهایی را در طول زمان نشان داده است که مطابق پژوهش منتشرشده توسط آلچیخهامدون و همکارانش در سال ۲۰۱۶ بوده است.
نقش بهینهسازی جریان فرآیند در کارایی کلی نیروگاه
مدلهای شبیهسازی پیشرفته نشان میدهند که بهینهسازی ترتیب فرآیندها، بازده حرارتی را در واحدهای میانی (۱۰۰ تا ۲۵۰ میلیون فوت مکعب استاندارد در روز) به میزان ۱۲ تا ۱۵ درصد افزایش میدهد. نظارت لحظهای تا ۸۰ درصد از تنظیمات جریان را خودکار میکند و ضمن تضمین تصفیه مداوم، دخالت دستی را نسبت به سیستمهای کنترل قدیمی ۶۰ درصد کاهش میدهد.
حذف گاز اسیدی و شیرینکردن با استفاده از فناوری جذب آمین
حذف گوگرد و دیاکسید کربن با استفاده از جذب آمین برای حذف گاز اسیدی
اکثر صنایع به جذب آمین به عنوان تکنیک اصلی خود برای حذف گوگرد دیهیدرید (H₂S) و دیاکسید کربن (CO₂) از جریان گازهای ترش متکی هستند. هنگامی که گاز از طریق برج جذب عبور میکند، محلولهای خاص آمین این گازهای اسیدی مزاحم را جذب میکنند. در شرایط مناسب، این فرآیند میتواند غلظت H₂S را از حدود ۶۹۰۰ قسمت در میلیون تا تنها چند قسمت در میلیون کاهش دهد. پس از جذب این آلایندهها، اپراتورها مخلوط غنیشده از آمین را به یک بازیاب (ریجنراتور) ارسال میکنند که در آنجا با اعمال حرارت، گازهای اسیدی به دام افتاده رها میشوند. این گازهای آزادشده یا بهدرستی دفع میشوند یا برای پردازش بیشتر ارسال میگردند. کل سیستم نیز به خوبی کار میکند و معمولاً حدود ۹۵ تا نزدیک به ۱۰۰ درصد از آلایندهها را حذف میکند و در عین حال بیش از ۹۸ درصد از متان ارزشمند را برای استفاده مجدد در سایر قسمتهای واحد حفظ میکند.
بهرهوری مقایسهای حلالهای MEA، DEA و MDEA در فرآیند ترشگیری
| حلال | انتخابگری (H2S/CO2) | مصرف انرژی | میزان تخریب |
|---|---|---|---|
| اندازهگیری | کم | بالا | ۱٫۲ کیلوگرم/تن گاز |
| DEA | متوسط | متوسط | ۰٫۸ کیلوگرم/تن گاز |
| MDEA | بالا | کم | ۰٫۳ کیلوگرم/تن گاز |
متیل دیاتانول آمین (MDEA) به دلیل انتخابگری بالای آن نسبت به H2S و انرژی تجدیدپذیری 40٪ کمتر از MEA، در نصبهای مدرن ترجیح داده میشود. با این حال، سینتیک واکنش کندتر نیازمند ستونهای جذب بزرگتر است که هزینههای سرمایهای را نسبت به سیستمهای DEA به میزان 15 تا 20 درصد افزایش میدهد.
روند سیستمهای شستوشوی شیمیایی برای بهبود جذب گاز اسیدی
امروزه، اپراتورها عوامل ضدکف را با سیستمهای فیلتراسیون چندمرحلهای ترکیب میکنند تا آلایندههای هیدروکربنی را از حلالها دور نگه دارند. هنگامی که سیستمهای ترکیبی را طوری راهاندازی میکنند که ابتدا آبزدایی گلیکولی انجام شود، این کار حدود شصت درصد از مشکلات رقیقشدن آمین ناشی از آب میکاهد و در نتیجه کل فرآیند را در جذب گوگرد دو ظرفیتی (هیدروژن سولفید) بهبود میبخشد. بر اساس نتایج آزمایشهای میدانی، این رویکردهای ترکیبی در عمل گازی تولید میکنند که با استانداردهای خط لوله مطابقت دارد و محتوای H2S آن کمتر از چهار قسمت در میلیون است. و بهترین بخش اینجاست؟ هزینههای عملیاتی حدود دوازده درصد نسبت به استفاده صرفاً از واحدهای معمولی تصفیه آمین کاهش مییابد. این نوع صرفهجویی در هزینهها در طول زمان برای مدیران نیروگاه که به سود خالص توجه دارند، جمعشونده است.
تحلیل اختلاف: تخریب حلال و تأثیر زیستمحیطی واحدهای آمین
با وجود اثربخشیشان، سیستمهای آمین تولیدکننده محصولات جانبی تخریبی مانند نیتروزآمین هستند که ترکیبات سرطانزا بوده و در ۲۳٪ از نمونههای پساب ریجنراتور شناسایی شدهاند. اگرچه مدارهای بسته آب و اکسیداسیون پیشرفته به کاهش انتشارات کمک میکنند، اما نگرانیهایی درباره ردپای محیطزیستی این فناوری باقی مانده است، زیرا این فناوری ۱۵ تا ۳۰ درصد از کل انرژی نیروگاه را مصرف میکند.
روشهای کاهش رطوبت: سیستمهای گلیکول و جذب غربال مولکولی
حذف مؤثر رطوبت از خوردگی لولهکشی جلوگیری میکند و به مایعسازی کمک میکند. اپراتورها از استراتژیهای مرحلهای که روشهای ترمودینامیکی و جذبی را ترکیب میکنند، برای دستیابی به سطوح باقیمانده رطوبت زیر ۰٫۱ قسمت در میلیون استفاده میکنند.
کاهش رطوبت با گلیکول به عنوان روش اولیه حذف رطوبت
جذب تریاتیلن گلایکول (TEG) استاندارد صنعتی برای کاهش حجمی رطوبت است و میتواند گاز ورودی با محتوای آب تا 7 پوند در هر میلیون فوت مکعب استاندارد (lbs/MMscf) را پردازش کند. TEG غلیظ (>99%) نقطه شبنم را از طریق تماس معکوس به -30°C کاهش میدهد. واحدهای بهینهسازی شده TEG رطوبت باقیمانده را در حدود 0.5 تا 1 پوند در هر میلیون فوت مکعب استاندارد نگه میدارند و انرژی تجدید آن زیر 20 BTU/scf است.
ادغام فرآیندهای خشککردن کاتالیستی و جذبی در واحدهای دیهیدراتاسیون
سیستمهای ترکیبی از پیشتصفیه گلایکولی همراه با خشککردن کاتالیستی با استفاده از بسترهای اکسید منیزیم بهره میبرند که 90 درصد بخار آب را قبل از مراحل الک مولکولی حذف میکنند. این روش عمر جاذب را افزایش داده و فرکانس تعویض آن را تا 40 درصد کاهش میدهد (مجله پردازش گاز، 2023).
مقایسه عملکرد: تریاتیلن گلایکول در مقابل جذب نوسانی فشار
سیستمهای TEG هزینه سرمایهگذاری 35 تا 50 درصد کمتری نسبت به جذب نوسانی فشار (PSA) دارند، اما در فرآیند بازیابی 15 تا 20 درصد انرژی بیشتر مصرف میکنند. PSA بدون استفاده از مواد شیمیایی قادر به دستیابی به نقطه شبنم 40- درجه سانتیگراد است، اما در شرایط تغییرات دبی بالاتر از 100 میلیون فوت مکعب استاندارد در روز با مشکل مواجه میشود. ترکیب غشایی-PSA اکنون بازدهی 30 درصدی بالاتری را در واحدهای بزرگ مقیاس (≥500 میلیون فوت مکعب استاندارد در روز) فراهم میکند.
بازیابی گوگرد و پالایش پیشرفته با سیستمهای کلاس و گاز دم
واحدهای بازیابی گوگرد (فرآیند کلاس) برای تبدیل H2S به گوگرد عنصری
فرآیند سهمرحلهای کلاس همچنان نقش محوری در بازیابی گوگرد ایفا میکند و گاز سمی H2S را به گوگرد عنصری تبدیل میکند. این فرآیند با اکسیداسیون حرارتی در دمای 1200 تا 1400 درجه سانتیگراد آغاز میشود و سپس مراحل تبدیل کاتالیستی انجام میشوند که به طور مجموع 95 تا 97 درصد از گوگرد را بازیابی میکنند. اکثر واحدهای مدرن شامل پالایش گاز دم هستند تا 3 تا 5 درصد باقیمانده از گوگرد را پاکسازی کنند.
بهبودهای بازدهی در مراحل تصفیه گاز کاتالیستی راکتورهای کلاس
فرمولبندیهای جدید کاتالیزور باعث افزایش ۸ تا ۱۲ درصدی کارایی راکتور نسبت به سیستمهای سنتی مبتنی بر آلومینا شده است. لایههای چندگانه کاتالیزوری امکان انجام واکنشها در دمای بهینه (۲۰۰ تا ۳۵۰ درجه سانتیگراد) را فراهم میکنند، در حالی که پوششهای ضد رسوبگذاری عمر مفید سیستم را به میزان ۲۵٬۰۰۰ تا ۳۰٬۰۰۰ ساعت افزایش میدهند. این بهروزرسانیها بر اساس دادههای سال ۲۰۲۳، موجب کاهش ۶٫۳ تن گوگرد در سال در هر واحد صنعتی میشوند.
رعایت مقررات زیستمحیطی و استانداردهای انتشار گوگرد در واحدهای صنعتی مدرن
این روزها قوانین مربوط به انتشار گوگرد سختگیرانهتر شدهاند و میزان آن را حداکثر به ۱۵ قسمت در میلیون بر اساس حجم محدود کردهاند. این امر باعث شده بسیاری از صنایع رویکرد ترکیبی را در پیش بگیرند، جایی که واحدهای سنتی کلائوس همراه با روشهای جدید بیولوژیکی برای حذف گوگرد استفاده میشوند. نگاهی به اتفاقی بیندازید که در سال ۲۰۲۳ در یک تأسیسات در خاورمیانه رخ داد، زمانی که این روش ترکیبی را اجرا کردند. آنها توانستند با بهبود روشهای تصفیه گاز دماغه، ضایعات گوگرد خود را حدود چهل درصد کاهش دهند؛ کاهشی که در واقع به خوبی با اهداف سازمان حفاظت از محیط زیست (EPA) در چارچوب استانداردهای بهروزرسانیشده قانون هوای پاک برای سال ۲۰۲۵ هماهنگ است. و صحبت از الزامات پایش شود، اکنون اکثر واحدهای فرآوری گاز طبیعی در آمریکا نیازمند سیستمهای پایش مستمر انتشار (CEMS) هستند، همانطور که عموماً به آنها گفته میشود. حدود ۸۹ درصد از هر ۱۰۰ تأسیسات باید با این مقررات انطباق داشته باشند که با توجه به اهمیت دقیق بودن ردیابی اینکه دقیقاً چه چیزی از دودکشها خارج میشود، منطقی به نظر میرسد.
پرسشهای متداول (FAQs)
هدف اصلی تصفیه گاز طبیعی چیست؟
هدف اصلی تصفیه گاز طبیعی، حذف ناخالصیهایی مانند سولفید هیدروژن، دیاکسید کربن و بخار آب از گاز طبیعی خام بهمنظور رعایت الزامات خط لوله و اطمینان از توزیع ایمن و کارآمد است.
سیستمهای جذب آمین در حذف آلایندهها چقدر مؤثر هستند؟
سیستمهای جذب آمین بسیار مؤثر هستند؛ زیرا میتوانند آلایندههایی مانند سولفید هیدروژن و دیاکسید کربن را تا حدود ۹۵ تا ۱۰۰ درصد کاهش دهند و در عین حال بیش از ۹۸ درصد خلوص متان را حفظ کنند.
چرا روش کاهش رطوبت با گلیکول در فرآیند گاز ترجیح داده میشود؟
کاهش رطوبت با گلیکول به دلیل توانایی در پردازش مقدار بالای آب و دستیابی به نقطه شبنم پایین ترجیح داده میشود. گلیکول تریاتیلن (TEG) بهطور رایج استفاده میشود، زیرا بهخوبی سطح آب را کاهش داده و مصرف انرژی را نیز کم میکند.
مزایای فناوری جداسازی غشایی چیست؟
فناوری جداسازی با غشا مزایایی مانند کاهش مصرف انرژی (۴۰ تا ۶۰ درصد کمتر) نسبت به روشهای سنتی و نسبتهای انتخابگری بالا برای جداسازی دیاکسیدکربن/متان دارد که برای کاربردهای فراساحلی و گاز بیوگاز مفید است.