رسوب عنصر گوگرد در اتصالات خطوط انتقال گاز طبیعی

مقدمه

منشا سوخت­ های گازی متفاوت است. برخی به طور طبیعی وجود دارند و برخی دیگر از تغییر شکل سوخت های مایع و یا جامد تهیه می شوند. سازنده­ی اصلی مفید آنها هیدروژن٬ اکسید کربن و متان است و گاهی هیدروکربورهای سنگین تر مانند اتان و پروپان نیز در آنها وجود دارد. در گاز سوختنی همواره مقداری گاز بی اثر مانند ازت و گاز کربنیک نیز موجود است. سوخت­ های گازی را به دو دسته سوخت­ های گازی طبیعی و سوخت­های گازی ساختگی تقسیم می کنند. سوخت­ های گازی طبیعی شامل گازهای:

 ۱) طبیعی که از رگه های نفتی و همراه آنها به دست می آید.

 ۲) گریزو که از معادن زغال سنگ متصاعد می شود و بیشتر دارای متان است. گاهی کمی اتان و گازهای بی اثر مانند CO₂ و N₂ نیز در آن وجود دارد.

 سوخت های گازی ساختگی شامل انواع زیر است:

 الف) گاز تقطیر زغال سنگ:

 سازنده اصلی این گاز متان و هیدروژن است ولی مقدار کمی آن وجود دارد. قدرت گرمایی آن حدود ۴۲۰۰ تا ۴۵۰۰ کیلوکالری بر متر مکعب است. گاز مربوطه را قبلا به نام گاز روشنایی یا گاز شهر می نامیدند ولی امروزه گاز شهر محتوی گاز آب گاز فقیر گاز روغن و یا گاز طبیعی است.

 ب) گاز فقیر یا گاز هوا :

 گاز فوق از گاز کردن کک ویا زغال سنگ توسط هوا و یا مخلوط هوا و کمی بخار آب تهیه می شود. اگر فقط هوا بر روی سوخت جامد بدمند گاز حاصل محتوی CO است که به وسیله ی CO₂ و N₂ رقیق شده است و قدرت گرمایی آن نزدیک به ۱۰۰۰ کیلو کالری بر متر مکعب است. غالبا به هوای دمیده شده کمی بخار آب اضافه می کنند که در این صورت گاز حاصل محتوی مقداری هیدروژن نیز بوده و قدرت گرمایی آن به ۱۲۰۰ تا ۱۳۰۰ کیلوکالری بر متر مکعب می رسد. در این صورت گاز دارای متان و بخارات گودرون که قابل فشرده شدن است می باشد.

 ج) گاز آب:

 از گاز کردن کک ویا زغال سنگ به وسیله ی بخار آب و یا مخلوط بخار آب و اکسیژن گاز آب حاصل می شود. به عنوان سوخت و مخلوط با گازهای دیگر و یا به عنوان ماده ی اولیه برخی سنتز ها به کار می رود و به همین جهت آنرا گاز سنتز نیز می نامند. قدرت گرمایی آن حدود ۲۵۰۰ تا ۲۸۰۰ کیلوکالری بر متر مکعب است.

 د) گاز آب کربور شده:

گاز موجود، مخلوط گاز آب و گاز روغن است و از تبخیر مقداری از محصولات نفتی در گاز آب حاصل از گازوژن به دست می آید. محصولات نفتی در اثر حرارت تجزیه شده و مواد حاصل به گاز آب اضافه می شود. با تغییر دادن جنس مواد روغنی و شرایط کراکینگ می توان نوع محصول را کنترل کرد.

 ه) گاز کوره بلند:

 این گاز شبیه گاز فقیر است زیرا از اثر هوا بر کک در کوره ی بلند به وجود می ایدو مقدار هیدروژن آن بسیار کم است. قدرت گرمایی آن ۸۰۰ تا ۹۰۰ کیلوکالری بر متر مکعب است.

 و) گاز تصفیه خانه نفت:

 در اثر تقطیر و کراکینگ محصولات نفتی نیز گازی شبیه به گاز طبیعی به دست می اید.

گاز طبیعی یک سوخت فسیلی است که بخش قابل توجهی از ماتریس انرژی جهانی را به دست می آورد. این تغییر به دلیل مزایای فنی و اقتصادی حاصل از استفاده از این منبع انرژی است.

گاز طبیعی

گاز طبیعی یک سوخت فسیلی است و  منبع تجدیدناپذیر محسوب می‌شود که وقتی لایه‌هایی از مواد آلی (عمدتاً میکروارگانیسم‌های دریایی) در شرایط  بی هوازی تجزیه می‌شوند و طی میلیون‌ها سال در زیر زمین تحت فشار و گرمای شدید قرار می‌گیرند، تشکیل می‌شود. انرژی‌ای که ارگانیسم‌های پوسیده در اصل از طریق  فتوسنتز از خورشید به دست می‌آورند به شکل انرژی شیمیایی در مولکول‌های متان و سایر هیدروکربن‌ها ذخیره می‌شود.

اصطلاح گاز طبیعی به گاز غنی از هیدروکربن اشاره دارد. این یک سوخت فسیلی گازی است که در میادین نفتی، میادین گاز طبیعی و بسترهای زغال سنگ یافت می­ شود.

اولین چاه گاز طبیعی ثبت شده توسط ویلیام هارت، که به عنوان “پدر گاز طبیعی” آمریکا شناخته می­شود، در سال 1821 در فردونیا، ایالات متحده حفر شد. اخیراً، گاز طبیعی در نتیجه اکتشاف حفاری نفت خام کشف شد.

گاز طبیعی در چاه های استخراج

گاز طبیعی غالبا همراه نفت است و نفت را از درون خاک به طرف چاه های استخراج می راند. هنگام بالا رفتن مخلوط نفت و گاز در چاه ها گاز آن آزاد شده و مخلوط را به بالای چاه می برد. در نفت های که از گاز اشباع نشده اند و فقط تحت فشار آب قرار دارند مقدار گاز حل شده کمتر و در نفت های فوق اشباع مقدار گاز بیشتر است. همچنین رگه هایی وجود دارد که فقط دارای گاز طبیعی است و نفت ندارد. قسمت اعظم گاز طبیعی از متان تشکیل شده و غیر از متان هیدروکربورهای گازی دیگر از C₂ تا C₄ با مقادیر متفاوت و همچنین هیدروکربورهای بالاتر نیز در آن وجود دارد. گاز طبیعی ممکن است خشک و یا مرطوب باشد.

گازهای خشک

گازهای خشک مقداری کمتر از 4/13 سانتی متر مکعب بنزین در هر متر مکعب گاز دارا می باشند. بنزین گازهای مرطوب حدود 2/40 سانتی متر مکعب بر متر مکعب گاز است. آب با هیروکربورهای گازی تولید هیدرات های متبلوری می کند که دارای ترکیب پیچیده بوده و در حین انتقال گاز به صورت بلورهایی شبیه برف و یا یخ در لوله ها و شیرها می بندد و راه عبور گاز را مسدود می کند. باید توجه داشت که بوتان نرمال و هیدروکربورهای بالاتر هیدرات جامد تشکیل نمی دهند. به همین دلیل بایستی گاز طبیعی را قبل از انتقال خشک نمایند. اگر گاز طبیعی دارای CO₂ و H₂S باشد بایستی انها هم حذف شوند زیرا باعث خوردگی می شوند.

خشک کردن باید به حدی باشد که نقطه شبنم گاز زیر پایین ترین درجه حرارت مسیر گاز باشد. عوامل خشک کننده به صورت مایع یا جامد مصرف می شوند. از بین خشک کننده های جامد اکسید الومینیوم فعال شده و یا بوکسیت فعال شده بیش از همه به کار می رود و نقطه ی شبنم را بیش از ۵۰ درجه سانتی گراد پایین می برد. برای تصفیه کردن مقادیر زیاد گاز از روش پیوسته به نام هیپرسورپسیون استفاده می کنند.

در این روش زغال فعال از وراء یک سری ظرف پایین می رود در ظرف اول و در اولین مرحله زغال سرد می شود سپس زغال وارد منطقه ی جذب سطحی شده و مواد مضر بر روی آن جذب سطحی می شوند. زغال از مناطق دیگری می گذرد که در آنها به تدریج هیدروکربورهای جذب شده را پس می دهد و به این طریق محصولات نسبتا خالص به دست می آید.

خصوصیات گاز طبیعی

گاز طبیعی در حالت خالص خود بی­رنگ، بی­شکل و بی­بو است. این یک گاز قابل احتراق است و در هنگام سوزاندن مقدار قابل توجهی انرژی تولید می­ کند. در مقایسه با سایر سوخت های فسیلی (زغال سنگ و نفت خام) به­ عنوان یک سوخت پاک سازگار با محیط ­زیست در نظر گرفته می ­شود. احتراق سوخت­ های فسیلی به غیر از گاز طبیعی منجر به انتشار مقادیر زیادی از ترکیبات و ذرات می­شود که اثرات منفی بر سلامت انسان دارد. با این حال، در طی احتراق گاز طبیعی، انتشار دی­اکسید گوگرد ناچیز و انتشار اکسید نیتروژن و دی­ اکسید کربن کمتر است، که در نتیجه به کاهش مشکلات مرتبط با باران اسیدی، لایه ازن یا گازهای گلخانه ­ای کمک می­ کند.

اهمیت حذف گاز اسیدی از گاز طبیعی

حذف گازهای اسیدی از گاز طبیعی، که معمولاً به عنوان تصفیه گاز اسیدی یا شیرین کردن گاز نامیده می­ شود، یک فرآیند صنعتی مهم است.  گاز طبیعی بر اساس منشاء خود دارای مقادیر متفاوتی از ناخالصی های CO₂ و H₂S است. CO₂ دارای ارزش حرارتی بسیار کم است. از سوی دیگر، H₂S، حتی در فشارهای جزئی کم، یک گاز سمی و بسیار خورنده است. بنابراین، هر دوی این گازها باید از گاز طبیعی خام حذف شوند.

گوگرد

گوگرد یکی از شایع ترین ناخالصی های موجود در نفت خام است. در روغن ها، سوخت و … ، وجود ترکیبات گوگرد نامطلوب است و ممکن است مشکلات مختلفی را در طول تصفیه و همچنین در استفاده تجاری آنها ایجاد کند. ترکیبات گوگرد موجود را می توان به چهار گروه اصلی مرکاپتان ، سولفید ، دی سولفید و تیوفن تقسیم می شوند.

افزایش تقاضا برای نفت کوره و کاهش مخازن اکتشاف نفت خام شیرین (گوگرد کم)، حفاری نفت خام ترش (حاوی گوگرد بالا) را افزایش داده است. گوگرد به طور طبیعی در نفت خام به شکل گوگرد عنصری آزاد یا ترکیبات ارگانوسولفور یافت می شود. این ترکیبات موجود در روغن می توانند طبیعتاً اسیدی یا غیر اسیدی باشند. میزان گوگرد موجود در جو نیز می تواند منجر به کاهش جمعیت حیات وحش ، پرندگان ، پستانداران و حشرات شود. نرخ خوردگی فلزات و سایر مواد نیز به دلیل وجود گوگرد در هوا افزایش می یابد. علاوه بر این ، وجود ترکیبات گوگرد نیز سبب  تشکیل رسوبات در موتور سوخت های دیزلی می شود.

حذف ترکیبات گوگردی در نفت کوره

بزرگترین چالشی که در پالایشگاه های نفت با آن روبرو است، حذف ترکیبات گوگردی در نفت کوره است. ترکیبات گوگردی که در نفت کوره مانند بنزین و گازوئیل یافت می شود ، در هنگام احتراق با اکسیژن موجود در اتمسفر واکنش نشان داده و گازهای اکسید گوگرد (SO_x) تولید می کند. این ترکیبات گوگردی حاصل از واکنش با اکسیژن در جو ممکن است مشکلات مختلف بهداشتی و اثرات زیست محیطی را به دنبال داشته باشد. بنابراین چند روش و فناوری جدید به وجود آمده انـد ماننـد گوگرد زدایی بیو، گوگرد زدایی هیدروژناسیون، گوگردزدایی اکسایشی، گوگردزدایی اکسایشی با کمک امواج فراصوت، گوگردزدایی استخراجی که نمونه هایی از روش های جدیـد و کـمتـر رایـج امـروزی هستند که درحال بررسی و تحقیق در حوزه حذف گوگرد می باشند.

مقایسه فرآیندهای مختلف برای جلوگیری از رسوب عنصری گوگرد در خطوط لوله گاز طبیعی

از مطالعات، فرآیندهای اصلی که یافت شد شامل فناوری به کارگیری در NGPU ها، به اصطلاح واحدهای گوگرد زدایی است. این فناوری ها اغلب برای حذف H₂S و بازیابی گوگرد عنصری از جریان گاز استفاده می شوند.

با توجه به سانتانا و ماچادو (2014)، روش‌های حذف H₂S ممکن است به دو دسته تقسیم شوند: روش‌های فیزیکی و شیمیایی، مانند جذب شیمیایی خشک (اکسیدهای آهن، کربن فعال و غیره) یا جذب شیمیایی اکسیدان‌ها، محلول‌های قلیایی و کلات. فلزات؛ و روش های بیولوژیکی مانند بیوفیلتراسیون با میکروارگانیسم ها.

طبق گفته سیلوا فیلهو (2009)، در حال حاضر بیش از 30 فرآیند برای حذف H₂S از جریان گاز موجود است. نویسنده بیان می کند که اگرچه انتخاب فرآیند به غلظت این آلاینده در جریان خوراک مربوط می شود، اما باید عواملی مانند شرایط عملیاتی فشار و دما، گزینش پذیری مورد نیاز برای حذف H₂S، مقررات محیطی را در نظر گرفت و مشخصات فروش به گفته رحیمی و همکاران (2015) پارامترهای فرآیند، مانند شرایط ترکیب یا دما و فشار در ورودی و خروجی جریان گاز، بر انتخاب روش حذف ترکیبات گوگرد تأثیر می گذارد.

نتیجه­ گیری

در این مطالعه، مروری بر روی روش‌های گوگردزدایی جریان‌های گاز به عنوان راه‌حل‌های جایگزین برای مشکل رسوب عنصری گوگرد در نقاط افت فشار و تجهیزات اندازه‌گیری در خطوط لوله انجام شد. نتایج نشان داد که روش‌های جذب مناسب‌ترین روش برای کمک به حذف گوگرد عنصری هستند، زیرا قادر به حذف گونه‌های گوگردی مختلف مانند S₈ حتی در غلظت‌های پایین در جریان خوراک هستند. جاذب هایی مانند زئولیت ها، اکسیدهای آهن، روی و کربن فعال پتانسیل حل مشکل را نشان می دهند و باید تحت سناریوهای عملیاتی مرتبط با خطوط لوله بهتر مورد مطالعه قرار گیرند.