مقدمه

وقتی از پالایش نفت خام و فرآورش گاز طبیعی صحبت می‌کنیم، معمولاً محصولاتی مانند بنزین، گازوئیل، گاز طبیعی و گاز مایع به ذهن می‌رسند. اما در کنار این محصولات، ماده دیگری نیز در بسیاری از واحدهای پالایشگاهی تولید می‌شود که شاید کمتر مورد توجه قرار گرفته باشد: گوگرد.

بخش قابل توجهی از نفت‌های خام و گازهای طبیعی حاوی ترکیبات گوگردی هستند. این ترکیبات در صورت باقی ماندن در سوخت‌ها می‌توانند باعث افزایش آلایندگی، خوردگی تجهیزات و آسیب به کاتالیست‌های فرایندی شوند. به همین دلیل، حذف و کنترل گوگرد یکی از مراحل مهم در صنایع پالایش نفت و گاز است.

اما داستان گوگرد با حذف آن از نفت و گاز به پایان نمی‌رسد. ترکیبات گوگردی جداشده، به‌ویژه سولفید هیدروژن، می‌توانند در واحدهای بازیابی گوگرد به گوگرد عنصری تبدیل شوند؛ ماده‌ای که در تولید اسید سولفوریک، کودهای شیمیایی، صنایع شیمیایی و بسیاری از فرایندهای صنعتی کاربرد دارد.

در واقع، یکی از نمونه‌های مهم اقتصاد چرخشی در صنعت نفت و گاز همین فرایند است: تبدیل یک ترکیب خطرناک و آلاینده به ماده اولیه‌ای با ارزش اقتصادی.

۱. گوگرد در نفت خام و گاز طبیعی از کجا می‌آید؟

گوگرد یکی از عناصر طبیعی موجود در منابع هیدروکربنی است. این عنصر در نفت خام عمدتاً به شکل ترکیبات آلی گوگرددار و در گاز طبیعی ترش، اغلب به شکل سولفید هیدروژن (H₂S) وجود دارد.

ترکیبات گوگردی موجود در نفت خام می‌توانند شامل گروه‌های مختلفی باشند، از جمله:

•  مرکاپتان‌ها (Mercaptans)
• سولفیدها و دی‌سولفیدها
• تیوفن‌ها (Thiophenes)
• بنزوتیوفن‌ها (Benzothiophenes)
• دی‌بنزوتیوفن‌ها (Dibenzothiophenes)

نوع و مقدار این ترکیبات به منشأ نفت خام، شرایط زمین‌شناسی و ویژگی‌های مخزن بستگی دارد.

در گاز طبیعی نیز سولفید هیدروژن یکی از مهم‌ترین ناخالصی‌های اسیدی محسوب می‌شود. گازی که حاوی مقدار قابل توجهی H₂S باشد، گاز ترش (Sour Gas) نامیده می‌شود.

وجود H₂S اهمیت ویژه‌ای دارد؛ زیرا این گاز علاوه بر سمیت بسیار بالا، در حضور آب می‌تواند شرایط خوردگی را تشدید کند و از نظر ایمنی فرایند نیز یک خطر جدی به شمار می‌رود.

بنابراین، کنترل ترکیبات گوگردی صرفاً برای بهبود کیفیت محصول نیست؛ بلکه با ایمنی، حفاظت از تجهیزات و رعایت الزامات زیست‌محیطی ارتباط مستقیم دارد.

۲. چرا باید گوگرد را از نفت و گاز جدا کرد؟

حذف گوگرد از جریان‌های نفتی و گازی چند هدف اساسی را دنبال می‌کند:

کاهش آلایندگی محیط زیست

در صورت احتراق سوخت‌های حاوی گوگرد، ترکیبات گوگردی می‌توانند به دی‌اکسید گوگرد (SO₂) تبدیل شوند. انتشار این گاز در جو در شکل‌گیری آلودگی هوا و باران اسیدی نقش دارد.

حفاظت از تجهیزات صنعتی

برخی ترکیبات گوگردی، به‌خصوص H₂S در شرایط مناسب، می‌توانند باعث خوردگی و آسیب به تجهیزات، خطوط انتقال و مخازن شوند.

محافظت از کاتالیست‌ها

در بسیاری از فرایندهای پالایشگاهی و پتروشیمی، کاتالیست‌ها نسبت به ترکیبات گوگردی حساس هستند. ورود گوگرد به این واحدها ممکن است موجب مسمومیت کاتالیست و کاهش فعالیت آن شود.

تولید سوخت با کیفیت بالاتر

استانداردهای سوخت در بسیاری از کشورها محدودیت‌های مشخصی برای میزان گوگرد تعیین می‌کنند. به همین دلیل، پالایشگاه‌ها باید از روش‌های مناسب برای کاهش گوگرد استفاده کنند.

نکته مهم این است که حذف گوگرد از جریان نفتی یا گازی با بازیابی گوگرد یکسان نیست. در مرحله اول، ترکیبات گوگردی از جریان اصلی جدا یا به ترکیبات دیگری تبدیل می‌شوند؛ در مرحله بعد، بخشی از گوگرد جداشده می‌تواند به شکل گوگرد عنصری بازیابی شود.

۳. سولفید هیدروژن چگونه به گوگرد قابل فروش تبدیل می‌شود؟

یکی از مهم‌ترین فناوری‌های مورد استفاده برای بازیابی گوگرد در صنایع نفت و گاز، فرایند کلاوس (Claus Process) است.

در بسیاری از واحدهای شیرین‌سازی گاز و پالایشگاه‌ها، سولفید هیدروژن ابتدا از جریان گازی جدا می‌شود. برای مثال، در واحدهای آمینی، محلول آمین H₂S را جذب می‌کند و سپس در واحد احیا، گاز غنی از H₂S از محلول جدا می‌شود.

این جریان گازی که معمولاً گاز اسیدی (Acid Gas) نامیده می‌شود، می‌تواند خوراک واحد بازیابی گوگرد باشد.

مراحل اصلی فرایند کلاوس

فرایند کلاوس به‌طور کلی از دو بخش اصلی تشکیل شده است:

الف) مرحله حرارتی

در این مرحله، بخشی از سولفید هیدروژن با اکسیژن به‌صورت کنترل‌شده واکنش می‌دهد و دی‌اکسید گوگرد تولید می‌کند:

2H₂S + 3O₂ → 2SO₂ + 2H₂O

هدف این مرحله، ایجاد نسبت مناسب بین H₂S و SO₂ برای واکنش بعدی است.

ب) مرحله کاتالیستی

در مرحله بعد، H₂S باقی‌مانده با SO₂ واکنش داده و گوگرد عنصری تولید می‌کند:

2H₂S + SO₂ → 3S + 2H₂O

این واکنش در بسترهای کاتالیستی انجام می‌شود. کاتالیست‌هایی مانند آلومینای فعال و در برخی طراحی‌ها تیتانیا می‌توانند برای تسهیل واکنش مورد استفاده قرار گیرند.

پس از واکنش، گوگرد تولیدشده با سرد کردن جریان گازی و میعان، به شکل مایع جدا می‌شود. با استفاده از چند مرحله کاتالیستی و جداسازی متوالی گوگرد، میزان بازیابی افزایش پیدا می‌کند.

در واحدهای پیشرفته، ممکن است از فناوری‌های تصفیه گاز خروجی کلاوس (Tail Gas Treating) نیز استفاده شود تا ترکیبات گوگردی باقی‌مانده در گاز خروجی کاهش یابند.

نکته: میزان بازیابی گوگرد به طراحی واحد، ترکیب خوراک، تعداد مراحل، شرایط عملیاتی و تجهیزات تصفیه گاز خروجی وابسته است؛ بنابراین نمی‌توان یک راندمان ثابت را برای تمام واحدهای کلاوس در نظر گرفت.

۴. گوگرد بازیابی‌شده به چه شکل تولید و نگهداری می‌شود؟

گوگرد خروجی از واحد بازیابی معمولاً در ابتدا به شکل مایع و در دمای بالاتر از نقطه ذوب آن وجود دارد.

این گوگرد پس از جمع‌آوری می‌تواند به روش‌های مختلفی به محصول قابل حمل و عرضه تبدیل شود:

•  گوگرد گرانول
• گوگرد دانه‌ای یا پریل
• گوگرد کلوخه‌ای
• گوگرد مایع

انتخاب شکل محصول به نیاز بازار، امکانات ذخیره‌سازی، روش حمل‌ونقل و مشخصات مورد نیاز مصرف‌کننده بستگی دارد.

گوگرد مایع باید در شرایط دمایی کنترل‌شده نگهداری شود تا از جامد شدن آن در خطوط و تجهیزات جلوگیری شود. از طرف دیگر، در ذخیره‌سازی و جابه‌جایی گوگرد باید الزامات ایمنی، کنترل انتشار گازهای خطرناک و جلوگیری از تشکیل گردوغبار قابل اشتعال رعایت شود.

کیفیت گوگرد تولیدشده نیز با توجه به کاربرد نهایی اهمیت دارد. عواملی مانند خلوص، رطوبت، خاکستر و برخی ناخالصی‌ها می‌توانند در ارزش تجاری محصول تأثیرگذار باشند.

۵. گوگرد بازیابی‌شده در چه صنایعی مصرف می‌شود؟

شاید مهم‌ترین بخش ماجرا همین‌جا باشد. گوگردی که در پالایشگاه یا کارخانه فرآورش گاز از جریان اصلی جدا شده، می‌تواند به ماده اولیه صنایع مختلف تبدیل شود.

۵-۱. تولید اسید سولفوریک

یکی از مهم‌ترین کاربردهای گوگرد عنصری، تولید اسید سولفوریک (H₂SO₄) است.

در فرایند صنعتی تولید اسید سولفوریک، گوگرد سوزانده شده و دی‌اکسید گوگرد تولید می‌شود:

S + O₂ → SO₂

سپس SO₂ در حضور کاتالیست مناسب، معمولاً کاتالیست‌های پایه وانادیوم، به SO₃ اکسید می‌شود:

2SO₂ + O₂ ⇌ 2SO₃

در نهایت، با جذب و تبدیل مناسب SO₃، اسید سولفوریک تولید می‌شود.

اسید سولفوریک یکی از مواد پایه و پرمصرف در صنایع شیمیایی است و در تولید کودهای شیمیایی، صنایع معدنی، پالایش فلزات، مواد شیمیایی و بسیاری از فرایندهای صنعتی کاربرد دارد.

۵-۲. صنعت کودهای شیمیایی و کشاورزی

بخش مهمی از گوگرد مصرفی جهان به‌صورت مستقیم یا غیرمستقیم در زنجیره تولید کودهای شیمیایی استفاده می‌شود.

یکی از مهم‌ترین مسیرها، تولید اسید سولفوریک و استفاده از آن در تولید کودهای فسفاته است. برای مثال، در تولید اسید فسفریک از سنگ فسفات، اسید سولفوریک نقش اساسی دارد.

گوگرد همچنین یک عنصر غذایی ضروری برای رشد گیاهان است و در ساخت برخی کودهای گوگردی و اصلاح‌کننده‌های خاک مورد استفاده قرار می‌گیرد.

۵-۳. صنایع شیمیایی

گوگرد در تولید طیف گسترده‌ای از ترکیبات شیمیایی نقش دارد. برخی از این ترکیبات در تولید مواد اولیه صنعتی، مواد شیمیایی واسطه و محصولات تخصصی به کار می‌روند.

از جمله کاربردهای مهم گوگرد و مشتقات آن می‌توان به تولید سولفیت‌ها، سولفات‌ها، سولفیدها و ترکیبات مختلف گوگردی اشاره کرد.

۵-۴. صنایع لاستیک و پلیمر

گوگرد در فرایند ولکانیزاسیون (Vulcanization) لاستیک کاربرد دارد.

در این فرایند، گوگرد با ایجاد پیوندهای عرضی میان زنجیره‌های پلیمری، خواص مکانیکی لاستیک را بهبود می‌دهد. نتیجه این فرایند می‌تواند افزایش استحکام، مقاومت در برابر تغییر شکل و بهبود رفتار حرارتی محصول باشد.

به همین دلیل، گوگرد در تولید تایر، قطعات لاستیکی و بسیاری از محصولات پلیمری اهمیت دارد.

۵-۵. صنایع معدنی و فلزی

اسید سولفوریک تولیدشده از گوگرد در برخی فرایندهای استخراج و فرآوری فلزات نیز کاربرد دارد. برای مثال، در فرآوری برخی سنگ‌های معدنی، از اسید برای انحلال و بازیابی فلزات استفاده می‌شود.

بنابراین، گوگرد بازیابی‌شده از نفت و گاز می‌تواند به‌صورت غیرمستقیم در زنجیره تولید فلزات و مواد معدنی نیز نقش داشته باشد.

۶. آیا بازیابی گوگرد فقط یک الزام زیست‌محیطی است؟

خیر. بازیابی گوگرد علاوه بر کاهش انتشار آلاینده‌ها، می‌تواند یک فرصت اقتصادی و صنعتی باشد.

اگر پالایشگاه یا کارخانه فرآورش گاز بتواند گوگرد موجود در جریان‌های فرایندی را به‌درستی بازیابی کند، محصولی به دست می‌آورد که در بازارهای صنعتی قابل عرضه است.

البته اقتصادی بودن این فرایند به عوامل مختلفی وابسته است:

•  مقدار گوگرد موجود در خوراک
• ظرفیت واحد بازیابی
• هزینه سرمایه‌گذاری و بهره‌برداری
• مصرف انرژی و مواد شیمیایی
• هزینه نگهداری و تعمیرات
• کیفیت گوگرد تولیدشده
• فاصله تا بازار مصرف و هزینه حمل‌ونقل
• شرایط عرضه و تقاضای بازار گوگرد

در برخی مناطق، به‌ویژه مناطقی که منابع گاز ترش قابل توجهی دارند، حجم گوگرد بازیابی‌شده می‌تواند بسیار زیاد باشد. در چنین شرایطی، توسعه صنایع پایین‌دستی مصرف‌کننده گوگرد اهمیت بیشتری پیدا می‌کند.

از سوی دیگر، افزایش تولید گوگرد بدون توسعه بازارهای مصرف می‌تواند باعث انباشت محصول و ایجاد چالش‌های ذخیره‌سازی و بازاریابی شود.

به همین دلیل، نگاه اقتصادی به گوگرد باید فراتر از فروش محصول خام باشد و امکان تبدیل آن به محصولات با ارزش افزوده بالاتر نیز بررسی شود.

۷. آینده گوگرد؛ از محصول جانبی تا ماده اولیه فناوری‌های جدید

با توسعه صنایع نفت و گاز و افزایش ظرفیت واحدهای حذف ترکیبات گوگردی، موضوع مدیریت و مصرف گوگرد بازیابی‌شده اهمیت بیشتری پیدا کرده است.

در کنار کاربردهای سنتی مانند تولید اسید سولفوریک و کودهای شیمیایی، پژوهش‌های جدید به دنبال استفاده از گوگرد در حوزه‌هایی مانند مواد پیشرفته، ذخیره‌سازی انرژی، ترکیبات پلیمری و فناوری‌های نوین هستند.

یکی از حوزه‌های مورد توجه، توسعه مواد گوگردی برای کاربردهای مرتبط با باتری‌های لیتیوم-گوگرد است. این فناوری به دلیل ظرفیت نظری بالای گوگرد مورد توجه پژوهشگران قرار گرفته، هرچند چالش‌هایی مانند عمر چرخه‌ای، پایداری و عملکرد الکترودها همچنان نیازمند توسعه و بهینه‌سازی هستند.

همچنین تبدیل گوگرد به مواد پلیمری و کامپوزیتی گوگرددار از دیگر مسیرهای تحقیقاتی است که می‌تواند در آینده به ایجاد بازارهای جدید برای گوگرد بازیابی‌شده کمک کند.

البته همه این کاربردها هنوز در یک سطح از بلوغ صنعتی قرار ندارند. برخی مانند تولید اسید سولفوریک و کودهای فسفاته، مسیرهای تجاری تثبیت‌شده‌ای هستند؛ درحالی‌که برخی فناوری‌های نوین همچنان در مرحله تحقیق، توسعه یا تجاری‌سازی محدود قرار دارند.

جمع‌بندی

گوگرد موجود در نفت خام و گاز طبیعی، اگرچه یکی از ناخالصی‌های مهم و چالش‌برانگیز در صنایع هیدروکربنی محسوب می‌شود، اما پس از جداسازی و بازیابی می‌تواند به یک ماده اولیه ارزشمند تبدیل شود.

فناوری‌هایی مانند فرایند کلاوس این امکان را فراهم می‌کنند که سولفید هیدروژن، به‌عنوان یکی از ترکیبات خطرناک جریان‌های نفت و گاز، به گوگرد عنصری تبدیل شود. این گوگرد سپس می‌تواند در تولید اسید سولفوریک، کودهای شیمیایی، محصولات لاستیکی و سایر صنایع مورد استفاده قرار گیرد.

بنابراین، بازیابی گوگرد تنها یک اقدام برای کنترل آلایندگی نیست؛ بلکه بخشی از زنجیره ارزش صنعت نفت و گاز و نمونه‌ای از تبدیل محصولات جانبی فرایندهای صنعتی به مواد اولیه قابل استفاده است.

در صنعت شیمی، گاهی ارزشمندترین فرصت‌ها در موادی پنهان شده‌اند که در نگاه اول فقط یک ناخالصی یا محصول جانبی به نظر می‌رسند.

منابع و مطالعات بیشتر

U.S. Geological Survey (USGS), Sulfur Statistics and Information.

U.S. Environmental Protection Agency (EPA), AP-42, Section 8.13: Sulfur Recovery.

Shell Global, Claus Process – Sulphur Recovery Technology.

Wagenfeld, J.-G. et al. (2019), Sustainable applications utilizing sulfur, a by-product from oil and gas industry: A state-of-the-art review, Waste Management, 95, 78–89. DOI: 10.1016/j.wasman.2019.06.002.