کاربرد گاز اکسیژن در بازیابی گوگرد در پالایشگاه ها

This post is also available in: English

صنعت نفت و گاز، به عنوان یکی از صنایع استراتژیک و حیاتی در جهان، همواره با چالش‌های متعددی در زمینه بهره‌وری، ایمنی و مسائل زیست‌محیطی روبرو بوده است. پالایشگاه‌ها، به عنوان قلب تپنده این صنعت، نقش کلیدی در تبدیل نفت خام به فرآورده‌های با ارزش دارند. یکی از مهم‌ترین فرآیندهای پالایشگاهی، بازیابی گوگرد از گازهای اسیدی است. این فرآیند، نه تنها از انتشار آلاینده‌های خطرناک جلوگیری می‌کند، بلکه گوگرد را به عنوان یک محصول جانبی با ارزش، به چرخه اقتصادی باز می‌گرداند. در سال‌های اخیر، استفاده از گاز اکسیژن در فرآیندهای بازیابی گوگرد، به عنوان یک راهکار نوین و کارآمد، مورد توجه بسیاری از پالایشگاه‌ها قرار گرفته است. در این مقاله، به بررسی جامع کاربردهای گاز اکسیژن در بازیابی گوگرد، مزایا، چالش‌ها و چشم‌اندازهای پیش روی آن خواهیم پرداخت.

اهمیت بازیابی گوگرد در پالایشگاه‌ها

نفت خام، حاوی مقادیر مختلفی از ترکیبات گوگردی است. این ترکیبات، علاوه بر ایجاد خوردگی در تجهیزات پالایشگاهی، در صورت انتشار به محیط زیست، می‌توانند مشکلات جدی زیست‌محیطی و بهداشتی ایجاد کنند. گازهای اسیدی (Acid Gas) که عمدتاً شامل سولفید هیدروژن (H2S) و دی‌اکسید کربن (CO2) هستند، در طی فرآیندهای مختلف پالایشگاهی تولید می‌شوند. سولفید هیدروژن، گازی بسیار سمی، خورنده و با بوی نامطبوع است که می‌تواند باعث مسمومیت، آسیب به سیستم تنفسی و حتی مرگ شود. همچنین، H2S در حضور رطوبت، به اسید سولفوریک تبدیل شده و باعث خوردگی شدید فلزات می‌شود. از این رو، حذف و بازیابی گوگرد از گازهای اسیدی، یک ضرورت اجتناب‌ناپذیر در پالایشگاه‌ها است.

فرآیند کلاوس (Claus Process)

فرآیند کلاوس، به عنوان اصلی‌ترین و پرکاربردترین روش بازیابی گوگرد در پالایشگاه‌ها شناخته می‌شود. این فرآیند، شامل دو مرحله اصلی است:
1. احتراق حرارتی (Thermal Stage): در این مرحله، یک سوم از گاز H2S موجود در گاز اسیدی، با هوا (یا اکسیژن) در یک کوره احتراق، سوزانده می‌شود. واکنش اصلی در این مرحله، تبدیل H2S به دی‌اکسید گوگرد (SO2) است:

2 H2S + 3 O2 → 2 SO2 + 2 H2O

حرارت حاصل از این واکنش، برای تجزیه حرارتی سایر ترکیبات موجود در گاز اسیدی (مانند آمونیاک و سیانید هیدروژن) نیز استفاده می‌شود.
2. تبدیل کاتالیستی (Catalytic Stage): در این مرحله، SO2 تولید شده در مرحله قبل، با باقی‌مانده H2S در حضور کاتالیست‌های آلومینا، واکنش داده و گوگرد عنصری تولید می‌شود:

SO2 + 2 H2S → 3 S + 2 H2O

این واکنش، یک واکنش تعادلی است و برای افزایش راندمان تبدیل، باید در دماهای پایین (حدود 200 تا 300 درجه سانتی‌گراد) انجام شود. معمولاً، فرآیند کلاوس شامل چندین مرحله کاتالیستی است که بین آن‌ها، گوگرد مایع از گازهای خروجی جدا می‌شود.

حتما بخوانید: اکسیژن مایع صنعت کشتی رانی و ناوبری

مزایای استفاده از اکسیژن در فرآیند کلاوس

استفاده از اکسیژن به جای هوا در فرآیند کلاوس، می‌تواند مزایای متعددی را به همراه داشته باشد:
1. افزایش ظرفیت تولید: با استفاده از اکسیژن، می‌توان ظرفیت تولید گوگرد را بدون نیاز به سرمایه‌گذاری در واحدهای جدید، افزایش داد. این افزایش ظرفیت، به دلیل افزایش غلظت واکنش‌دهنده‌ها (H2S و SO2) و کاهش حجم گازهای خروجی از کوره احتراق، حاصل می‌شود.
2. کاهش مصرف انرژی: استفاده از اکسیژن، منجر به کاهش حجم گازهای خروجی از کوره احتراق می‌شود. این امر، باعث کاهش اتلاف حرارت و در نتیجه، کاهش مصرف سوخت می‌شود.
3. کاهش آلایندگی: فرآیند کلاوس مبتنی بر اکسیژن، می‌تواند به کاهش انتشار آلاینده‌های مختلف کمک کند:
• کاهش SO2: با افزایش راندمان تبدیل H2S به گوگرد، میزان SO2 خروجی از واحد بازیابی گوگرد کاهش می‌یابد.
• کاهش NOx: در فرآیندهای احتراق با هوا، نیتروژن موجود در هوا در دماهای بالا با اکسیژن واکنش داده و اکسیدهای نیتروژن (NOx) تولید می‌کند. استفاده از اکسیژن خالص، میزان نیتروژن ورودی به کوره را کاهش داده و در نتیجه، تولید NOx را به حداقل می‌رساند.
• کاهش CO2: با کاهش مصرف سوخت، میزان انتشار دی‌اکسید کربن (CO2) نیز کاهش می‌یابد.
4. پردازش گازهای اسیدی با غلظت H2S بالا: استفاده از اکسیژن، امکان فرآورش گازهای اسیدی با غلظت H2S بسیار بالا را فراهم می‌کند. این امر، به پالایشگاه‌ها اجازه می‌دهد تا از منابع گازی غنی از H2S بهره‌برداری کنند.
5. کاهش حجم تجهیزات: در برخی موارد، استفاده از اکسیژن می‌تواند منجر به کاهش حجم تجهیزات مورد نیاز در واحد بازیابی گوگرد شود.

انواع فرآیندهای کلاوس مبتنی بر اکسیژن

فرآیندهای کلاوس مبتنی بر اکسیژن، به طور کلی به دو دسته تقسیم می‌شوند:
1. فرآیندهای با تزریق اکسیژن (Oxygen Enrichment): در این فرآیندها، به جای استفاده از اکسیژن خالص، هوا با اکسیژن غنی می‌شود و سپس به کوره احتراق تزریق می‌گردد. میزان غنی‌سازی اکسیژن، معمولاً بین 28 تا 70 درصد است. این فرآیندها، نسبت به فرآیندهای مبتنی بر اکسیژن خالص، هزینه کمتری دارند و پیاده‌سازی آن‌ها آسان‌تر است.
2. فرآیندهای با اکسیژن خالص (Oxygen-Based): در این فرآیندها، از اکسیژن خالص (بیش از 95 درصد) در کوره احتراق استفاده می‌شود. این فرآیندها، راندمان بالاتری نسبت به فرآیندهای با تزریق اکسیژن دارند، اما هزینه اولیه آن‌ها بیشتر است و نیاز به تمهیدات ایمنی بیشتری دارند.

چالش‌ها و ملاحظات در استفاده از اکسیژن

استفاده از اکسیژن در فرآیند کلاوس، چالش‌هایی نیز به همراه دارد:
1. هزینه تولید اکسیژن: تولید اکسیژن خالص، یک فرآیند انرژی‌بر است و می‌تواند هزینه‌های عملیاتی واحد بازیابی گوگرد را افزایش دهد. پالایشگاه‌ها باید با بررسی دقیق هزینه‌ها و مزایا، تصمیم بگیرند که آیا استفاده از اکسیژن از نظر اقتصادی توجیه‌پذیر است یا خیر.
2. مسائل ایمنی: اکسیژن، یک اکسیدکننده قوی است و می‌تواند خطر آتش‌سوزی و انفجار را افزایش دهد. استفاده از اکسیژن خالص، نیازمند رعایت دقیق الزامات ایمنی و آموزش پرسنل است.
3. کنترل فرآیند: فرآیندهای کلاوس مبتنی بر اکسیژن، نسبت به فرآیندهای مبتنی بر هوا، حساس‌تر هستند و نیاز به کنترل دقیق‌تری دارند. تغییرات در میزان اکسیژن تزریقی، می‌تواند تاثیر قابل توجهی بر راندمان فرآیند و میزان آلایندگی داشته باشد.
4. خوردگی: در برخی شرایط، استفاده از اکسیژن می‌تواند باعث افزایش خوردگی در تجهیزات واحد بازیابی گوگرد شود. انتخاب مواد مناسب و استفاده از پوشش‌های مقاوم در برابر خوردگی، می‌تواند به کاهش این مشکل کمک کند.

بیشتر بخوانید: کاربرد اکسیژن مایع در صنعت پالایش و نفت

راهکارهای غلبه بر چالش‌ها

برای غلبه بر چالش‌های استفاده از اکسیژن در فرآیند کلاوس، می‌توان از راهکارهای زیر استفاده کرد:
1. بهینه‌سازی تولید اکسیژن: استفاده از فناوری‌های نوین برای تولید اکسیژن، می‌تواند هزینه‌های تولید را کاهش دهد.
2. استفاده از سیستم‌های کنترلی پیشرفته: استفاده از سیستم‌های کنترلی پیشرفته، می‌تواند به بهبود کنترل فرآیند و کاهش خطاهای انسانی کمک کند.
3. انتخاب مواد مناسب: انتخاب مواد مناسب برای ساخت تجهیزات، می‌تواند از خوردگی جلوگیری کرده و عمر مفید تجهیزات را افزایش دهد.
4. آموزش و ایمنی: آموزش پرسنل و رعایت دقیق الزامات ایمنی، می‌تواند از بروز حوادث جلوگیری کند.

چشم‌انداز آینده

با توجه به افزایش روزافزون تقاضا برای انرژی و تشدید قوانین زیست‌محیطی، استفاده از اکسیژن در فرآیندهای بازیابی گوگرد، در آینده گسترش خواهد یافت. توسعه فناوری‌های نوین برای تولید اکسیژن ارزان‌تر و کارآمدتر، می‌تواند به کاهش هزینه‌های عملیاتی و افزایش جذابیت این فرآیند کمک کند. همچنین، استفاده از سیستم‌های کنترلی پیشرفته و مدل‌سازی فرآیند، می‌تواند به بهبود عملکرد و کاهش آلایندگی واحدهای بازیابی گوگرد مبتنی بر اکسیژن منجر شود.

استفاده از گاز اکسیژن در فرآیند کلاوس، یک راهکار موثر برای افزایش راندمان، کاهش مصرف انرژی و کاهش آلایندگی در واحدهای بازیابی گوگرد پالایشگاه‌ها است. با وجود چالش‌هایی مانند هزینه تولید اکسیژن و مسائل ایمنی، با اتخاذ راهکارهای مناسب و استفاده از فناوری‌های نوین، می‌توان از مزایای این فرآیند بهره‌مند شد و گامی مهم در جهت توسعه پایدار صنعت نفت و گاز برداشت.

————————————————–

منابع

1. www.digitalrefining.com
2. khazna.ku.ac.ae
3. khazna.ku.ac.ae/20243.pdf