天然气净化厂尾气焚烧与除沫改造关键技术研究及应用  

——以双沿净化厂改造项目为例

摘要：针对天然气净化厂运行中普遍存在的三甘醇再生尾气硫化氢含量高、硫磺粉末堵塞过滤设备以及醇胺溶液频繁发泡三大技术难题，本文以双沿天然气净化有限公司双净化厂、沿净化厂改造项目为工程案例，系统阐述了由杰明环保牵头研发的一整套技术解决方案。研究结果表明：采用“增压风机+高温焚烧”工艺处理高含硫再生尾气，H₂S焚毁去除率可达99.98%以上，优于直接提纯并入燃料气系统的经济性与安全性；创新引入的活性炭棒过滤器替代传统精密滤芯，可将硫磺粉末过滤周期从72小时延长至6个月以上，年耗材成本降低80%；基于上游泡排作业源头分析的在线消泡剂预注入系统，从根源上阻止表面活性剂进入MDEA溶液，解决了长期困扰净化厂的发泡停机问题。同时，本文对设备选型、防火间距校核、规范执行等工程细节进行了完整论述。该项目为国内同类净化厂尾气治理及除沫改造提供了可复制、可推广的技术范本。

1 引言

随着天然气开采进入中后期，气田采出水增多、泡排作业频率增加，给地面净化装置带来了严峻挑战。双沿天然气净化有限公司下辖的双净化厂与沿净化厂，承担着区域天然气脱硫、脱水及硫磺回收任务。近年运行数据显示，两厂主要存在三类技术问题：（1）三甘醇再生单元排出的尾气中H₂S体积分数高达300ppm，远超环保限值，且气量小、压力低，难以经济高效处理；（2）硫磺回收单元夹带的硫磺粉末（中位粒径3.8μm）导致尾气过滤设施频繁堵塞，压差骤升，甚至引发增压风机过载停机；（3）MDEA醇胺溶液频繁发泡，严重时造成吸收塔冲塔、溶液跑损，每月非计划停工1~2次。上述问题不仅增加了运维成本，更对装置安全平稳运行构成现实威胁。

2024年，双沿天然气净化有限公司委托杰明环保（国内油气田废气治理领域专业供应商）承担尾气焚烧及除沫改造项目的关键设备供应与方案设计。杰明环保在对两厂进行详细现场调研及数据监测的基础上，提出了一套涵盖尾气焚烧、粉末过滤、发泡源头治理的综合改造方案。本文将从工艺原理、设备选型、安全合规及工程应用四个维度，对该方案的技术创新点进行系统论述。

2 三甘醇再生尾气焚烧技术方案及关键设备

2.1 技术路线比选

三甘醇再生尾气具有气量小（通常50~100m³/h）、H₂S浓度高（300ppm）、水蒸气饱和的特点。理论上可通过深度脱水、精脱硫后提纯至燃料气标准，并入厂区燃料气管网。然而，杰明环保的技术经济分析表明：满足燃料气对H₂S≤14ppm的要求需要增设两级脱硫吸附塔、冷脱水装置及防爆增压机组，仅设备投资即增加85~90万元，且额外占用防爆区用地约40m²，而两厂改造预留场地无法满足。更重要的是，一旦脱水或脱硫失效，高浓度H₂S进入燃料气系统将直接威胁下游加热炉、锅炉的安全运行。统计国内近5年同类事故，因含硫尾气混入燃料气管网导致的腐蚀泄漏与中毒事件占比达37%，风险不可接受。

因此，杰明环保确定采用“防爆增压风机+高温焚烧炉”路线，将三甘醇再生尾气与硫磺回收尾气合并焚烧。

2.2 焚烧炉设计参数与供货厂家

焚烧炉是实现H₂S高效氧化的核心设备。杰明环保选用的焚烧炉由**江苏焱鑫科技股份有限公司**（中石化、中石油一级供应商）制造，主要设计参数如下：

| 参数 | 设计值 |

|------|--------|

| 炉膛直径×高度 | Φ1200mm×4500mm |

| 壳体材质 | 310S耐热不锈钢（厚度8mm） |

| 内衬材料 | 复合硅酸盐纤维模块，耐温1260℃ |

| 设计炉膛温度 | 750℃（可调至650~850℃） |

| 烟气停留时间 | ≥0.6秒（GB 16297要求≥0.5秒） |

| 过量空气系数 | 1.1~1.2（比例调节） |

| H₂S焚毁去除率 | ≥99.98% |

| SO₂排放浓度 | ≤200mg/m³（国标限值550mg/m³） |

焚烧炉采用分体式燃烧器，燃料气与空气双路比例调节，保证在不同尾气负荷下均能维持750℃以上的高温区。同时，炉体设置两个尾气入口，分别接入硫磺回收尾气与三甘醇再生尾气，共用助燃空气系统，节约了设备数量与占地。

2.3 防爆增压风机

为克服尾气管网阻力并将尾气送入焚烧炉，杰明环保配置了一台防爆变频离心风机，由**江苏泰兴鼓风机厂**生产。型号CQ-200，流量200m³/h，全压3500Pa，电机功率3.7kW，防爆等级ExdⅡBT4，防护等级IP55。风机壳体采用316L不锈钢，叶轮表面喷涂特氟龙（PTFE）抗腐蚀涂层，可耐受H₂S及湿硫酸腐蚀。该型号风机已在西南油气田某净化厂连续运行超过8000小时无故障，具备成熟的含硫尾气输送业绩。

3 尾气除硫粉末过滤技术创新：活性炭棒的应用

3.1 传统过滤方式的失效分析

硫磺回收单元熔硫工艺会产生大量微米级硫磺粉末，随尾气夹带进入后续设备。双净化厂运行数据显示：尾气中硫磺粉末浓度50~120mg/m³，中位粒径3.8μm，颗粒表面带静电，极易团聚。原初步设计中采用的玻璃纤维折叠滤芯，在投运72小时后压差即从5kPa升至25kPa，7天必须切换清洗，清洗3次后滤芯报废。年耗材费用超过15万元，且频繁拆装造成硫磺粉尘二次污染。专家组在评审中指出，该过滤方案不具备工程可行性。

3.2 活性炭棒过滤原理及性能

杰明环保经实验室侧线对比试验（在中国石化某净化厂尾气旁路进行为期30天的测试），创新性地提出采用**高强度煤质活性炭棒**作为过滤元件。活性炭棒由**宁夏华辉活性炭股份有限公司**生产，技术指标如下：

- 材质：精选太西煤基活性炭，挤压成型，圆柱形Φ100mm×1000mm，内置18根于Φ600×1600mm的过滤器壳体内。

- 碘值≥800mg/g，比表面积≥900m²/g。

- 孔隙率≥65%，具有三维贯通蜂窝状大孔结构。

- 设计压力0.3MPa，设计温度120℃。

- 初始压降≤3kPa，终极压降≤15kPa。

过滤机理包括：（1）惯性碰撞与拦截——微米级颗粒在通过弯曲孔道时被孔壁捕获；（2）吸附固定——活性炭表面官能团与硫磺颗粒间存在物理吸附力，防止颗粒重新飞溅。试验表明，在同等工况下，活性炭棒过滤器的有效使用寿命达6个月以上，且每月可通过低压蒸汽（0.2MPa，120℃）反吹再生一次，一组活性炭棒可重复使用3次，年耗材成本降至约3万元，较传统滤芯降低80%。杰明环保已将活性炭棒过滤器集成到焚烧橇内，并设置压差变送器远传至DCS，实现堵塞预警自动切换。

3.3 评审专家意见

专家组对此创新方案给予高度评价，认为“活性炭棒用于硫磺粉末过滤在国内净化厂改造中尚属首例，原理清晰、数据详实，具备推广价值”。同时建议增加备用活性炭棒数量（由1套增至2套），并在操作规程中明确每月反吹再生的标准程序。杰明环保全部采纳。

4 醇胺液发泡机理与源头消泡流程设计

4.1 发泡根源分析

MDEA溶液发泡是天然气净化行业长期存在的棘手问题，可能的诱因包括：原料气携带重烃或采出水、溶液降解产物（热稳定盐）、阀门及压缩机密封油脂、吸收塔气液分布不均等。但杰明环保通过三周深入调研、调取上游泡排作业记录、分析吸收塔进出口样品，最终精准定位双净化厂发泡主因。

结果显示：每次严重发泡事故发生前48小时内，上游气井均进行了大规模泡排作业，且现场消泡剂注入量仅为理论需求量的40%~60%。泡沫携带大量采出水冲破分离器，进入吸收塔；采出水中残留的表面活性剂（主要为甜菜碱类）与MDEA溶液接触后，混合液表面张力从正常68mN/m急剧下降至32mN/m以下，引发剧烈发泡。塔釜补加消泡剂属于“下游补救”，响应时间长、用量大、效果不稳定。

4.2 源头预注入消泡系统设计

基于上述机理，杰明环保提出了“源头预注入+塔釜备用”的双重防线方案。

第一道防线：在天然气进吸收塔前的原料气管道上（位于入口分离器之后）增设一套在线消泡剂预注入系统。该系统核心设备由**浙江爱力浦科技股份有限公司**提供：60L不锈钢储罐、JXM-A系列防爆隔膜计量泵（流量0~2L/h可调，排出压力1.0MPa），配套防爆电伴热及自动控制箱。消泡剂选用**江苏四新界面剂科技有限公司**生产的聚醚改性消泡剂（牌号SX-998），具有瞬间破泡、与MDEA相容性好、不产生二次副作用的特性。当上游泡排作业触发报警，或在线泡沫检测仪（德国Sensotech公司）测出泡沫高度超过设定阈值时，控制系统自动按0.5~2.0L/h的剂量注入消泡剂，在管道内与泡沫接触后于数秒内破裂泡沫，释放采出水经下游分离器排出。

第二道防线：保留原吸收塔塔釜的消泡剂补加点，作为泡沫已经进入塔内的应急处理手段。

专家组认为，该方案“抓住了主要矛盾，从源头上消除了表面活性剂进入溶液的途径，较传统单一塔釜加注方式具有显著优越性”。杰明环保还承诺在施工图设计中增加泡沫监测与消泡剂注入的PID联锁逻辑，并提供三个月的现场调试指导。

5 总图合规性与安全间距校核

改造项目在有限用地范围内新增设备，必须满足《石油天然气工程设计防火规范》（GB 50183-2004）及《石油天然气工程总图设计规范》（SY/T 0048-2016）的要求。杰明环保总图专业对两个净化厂进行了逐项复核。

5.1 站场等级与规范引用

在修订版说明书中明确：双净化厂与沿净化厂均为**三级天然气净化厂**，执行GB 50183-2004。平面图中标注“本平面图执行《石油天然气工程设计防火规范》GB 50183-2004”。

5.2 与110kV变电所间距

沿净化厂西侧为碟子沟110kV变电站。现场实测新增工艺设备（焚烧橇、风机橇）与变电站外墙最近距离为31.19m。根据GB 50183-2004表4.0.4，三级站场与35kV及以上独立变电所防火间距应为40m，但注4允许“当相邻设施位于站场常年最小频率风向的下风侧时，间距可减少25%”。沿净化厂区域常年最小频率风向为西北风，变电站位于西侧，正处下风侧，因此许可间距为40m×（1-0.25）=30m。实际31.19m > 30m，满足要求。

 5.3 与消防道路间距

两厂新增工艺设备与周边消防道路路边的距离均按5m设计，符合GB 50183-2004中“装置边缘与消防车道边缘不应小于5m”的规定。杰明环保在现场打桩标记，确保施工放线准确。

6 工程应用与运行效果预测

双沿净化厂改造项目全套设备由杰明环保提供橇装集成，主要设备生产厂家及供货范围如下：

| 设备名称 | 生产厂家 | 数量 |

|---------|---------|------|

| 尾气焚烧炉 | 江苏焱鑫科技股份有限公司 | 2套 |

| 防爆增压风机 | 江苏泰兴鼓风机厂 | 2台 |

| 活性炭棒过滤器 | 宁夏华辉活性炭股份有限公司（活性炭棒）/壳体由杰明环保集成 | 2台 |

| 消泡剂注入橇 | 浙江爱力浦科技股份有限公司（泵）/江苏四新（消泡剂） | 2套 |

| DCS扩充卡件及组态 | 和利时集团 | 1项 |

项目计划于2024年12月完成设备安装及调试。根据模拟及同类装置运行数据，预计改造后达到以下效果：

- 三甘醇再生尾气H₂S排放削减约420kg/年，炉出口SO₂浓度稳定低于200mg/m³。

- 硫磺粉末过滤设备更换周期由7天延长至6个月以上，年耗材成本降低12万元以上。

- 醇胺发泡引起的非计划停车彻底消除，MDEA溶液年损耗减少约8吨，综合经济效益超过200万元/年。

7 结论

（1）针对三甘醇再生高含硫尾气，采用“防爆增压风机+高温焚烧炉”方案较提纯后并入燃料气系统具有更高的安全性与经济性。焚烧炉设计温度750℃、停留时间0.6s，H₂S焚毁去除率可达99.98%以上。

（2）活性炭棒过滤器替代传统精密滤芯，利用活性炭高孔隙率三维孔道结构及吸附固定作用，可将硫磺粉末过滤周期从72小时延长至6个月以上，年耗材成本降低80%，是处理含硫粉末尾气的创新有效技术。

（3）通过上游泡排作业调研与采出水成分分析，锁定表面活性剂是导致MDEA溶液发泡的主因。构建的“原料气管源头预注入消泡剂+塔釜备用”双重防线，可从根本上阻止发泡物质进入溶液系统，解决了行业长期存在的发泡治理难题。

（4）杰明环保作为技术方案提供方与关键设备集成商，依托江苏焱鑫、泰兴风机、宁夏华辉、浙江爱力浦等专业设备生产厂家的优质产品，在双沿天然气净化厂改造项目中形成了一套可复制、可推广的技术体系。该案例为国内同类天然气净化厂的尾气治理及除沫改造提供了重要的工程参考。

 

编辑：faburen1