編譯:劉宇 (大慶油田公司天然氣分公司三大隊(duì))

審校:劉英懷 (大慶油田勘探開發(fā)研究院)

天然氣脫水:用氯化鈣代替乙二醇方法的可行性分析

編譯:劉宇 (大慶油田公司天然氣分公司三大隊(duì))

審校:劉英懷 (大慶油田勘探開發(fā)研究院)

天然氣脫水是天然氣加工處理過程中的重要環(huán)節(jié),目前,天然氣脫水常用方法有四種:①溶劑吸收法;②固體吸附法;③膜分離技術(shù);④直接冷卻法。而乙二醇脫水是天然氣脫水采用的常用方法之一。文中分析了乙二醇脫水方法存在的主要問題,探討了用固體干燥劑代替乙二醇脫水方法的可行性,并進(jìn)行了環(huán)境和經(jīng)濟(jì)分析,其結(jié)果表明固體干燥劑脫水方法既節(jié)能,又在建立和諧環(huán)境方面優(yōu)于其他方法。

天然氣脫水 固體干燥劑 氯化鈣 乙二醇 節(jié)能 尼日利亞

在天然氣脫水方法中乙二醇脫水是最常用的方法。但是,該方法存在一些問題,如它屬勞動(dòng)密集型行業(yè),操作費(fèi)用大,存在環(huán)境污染等問題。

由于近年來化學(xué)工業(yè)的進(jìn)步,特別是鹽類、易吸收濕氣的干燥劑脫水設(shè)備的出現(xiàn),最重要的是正確的操作方法使鹽類脫水方法能夠替代乙二醇脫水系統(tǒng)。

研究表明,用易吸收濕氣的干燥劑脫水器代替乙二醇脫水系統(tǒng)降低甲烷、揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC)和危害空氣污染物 (HAP)的排放達(dá)99%,同時(shí)降低了操作和維護(hù)費(fèi)用。

1 引言

2 設(shè)備描述

處理類型和設(shè)備取決于使用的固體干燥劑。有很多種干燥劑可用于天然氣脫水,但在本文中僅考慮氯化鈣干燥劑。

氯化鈣作為干燥劑從1920年就開始用于天然氣和空氣的脫水。由于它吸濕,有能力從周圍的環(huán)境中吸收和清除水蒸氣。這種鹽清除水蒸氣的能力是基于鹽的水合物和周圍的水蒸氣壓力之間的壓力差。這種鹽自然吸附和吸收濕氣,逐漸溶解形成鹽溶液。用這種類型的干燥劑,從氣態(tài)烴中可吸出大量的濕氣

固態(tài)干燥脫水器是一個(gè)較為簡(jiǎn)單的設(shè)備,它包括:填料口、入口、壓力表、排除口、干燥床、預(yù)干燥床、集鹽槽和排出連接器等,不需要內(nèi)部能源供給,適合偏遠(yuǎn)場(chǎng)所的應(yīng)用。濕氣進(jìn)入容器底部附近,通過固體干燥劑床上升,當(dāng)它上升時(shí)與干燥劑表面接觸,干燥鹽吸附天然氣中的濕氣。氯化鈣是一種溶解鹽,所以,隨著濕氣的進(jìn)入開始不斷脫水,鹽滴在表面形成,鹽滴向下滴入容器底部的集鹽槽中。氯化鈣是不能再生的,因?yàn)樘鎿Q它更經(jīng)濟(jì)。在集鹽槽中的鹽水需要定期流放到儲(chǔ)鹽罐 (或產(chǎn)出水罐)或脫水 (蒸發(fā))池。儲(chǔ)存罐中的鹽水可以注入到工地附近的深井中或裝入到儲(chǔ)罐中送到適當(dāng)?shù)牡胤教幚怼?/p>

只要干床保持在一定的厚度,天然氣在干燥劑的作用下在到達(dá)干燥床頂部之前就可達(dá)到一定的平衡濕度。這個(gè)工作鹽床要定期填加。多數(shù)裝置最少用兩套容器以免影響天然氣的生產(chǎn)。由于天然氣中的濕氣被吸出,干燥床上干燥劑的深度慢慢降低。為了觀察方便,有些制造商在容器上安裝了一個(gè)小的干燥窗口 (觀察鏡)。

3 干燥劑脫水方法的優(yōu)勢(shì)分析

通常管道輸送天然氣的濕度要求為7 lb(水)/106ft3(氣) (1 lb=0.454 kg,1 ft3=28.317 dm3)。本文僅從干燥劑脫水器的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境兩方面分析其優(yōu)勢(shì)。計(jì)算結(jié)果是應(yīng)用氯化鈣脫水劑得出的。進(jìn)口氣流量 2.5×106ft3/d,壓力是464.7 psia(1 psi=6.895 kPa),溫度為47℉。

3.1 乙二醇脫水成本

3.1.1 投資和安裝成本

采用乙二醇脫水方法的工廠處理在464.7 psia壓力下、溫度為47℉、2.5×106ft3/d氣的成本估計(jì)為40000美元。安裝和工程費(fèi)用估計(jì)為投資費(fèi)用的75%(30000美元)。

3.1.2 操作和維護(hù)費(fèi)用

主要的操作和維護(hù)費(fèi)用包括乙二醇儲(chǔ)罐注滿和維持乙二醇液面的費(fèi)用,以及維護(hù)成本和勞動(dòng)力成本。

注滿費(fèi)用。乙二醇成本為＄4.5/gal(1 gal=3.785 L),處理每百萬立方英尺天然氣乙二醇消費(fèi)量為0.1 gal,這樣,CT=0.1×2.5×365×4.5=＄411/a

維護(hù)成本和勞動(dòng)力成本。因?yàn)樾枰芏嗑S護(hù)和維修作業(yè),勞動(dòng)力成本按每周4小時(shí)計(jì)算,勞動(dòng)力成本為每小時(shí)30美元,每年就要用6240美元。同樣,備件的費(fèi)用估計(jì)為勞動(dòng)力成本的一半,每年為3120美元?？偟牟僮骱途S護(hù)費(fèi)用估計(jì)為:411+6240+3120=9771(＄/a)

3.2 固體干燥劑脫水成本

3.2.1 投資和安裝成本

估算所使用干燥劑脫水器的大小,應(yīng)該先知道氣的入口和出口含濕量。在壓力450 psia、47℉的條件下,每百萬立方英尺天然氣可含21 lb水。出口濕度含量應(yīng)該是管線要求的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) (為每百萬立方英尺氣中含7 lb水)。這樣,每百萬立方英尺氣中應(yīng)有14 lb水被清除掉。按一般的經(jīng)驗(yàn)法則,1 lb干燥劑可清除3 lb濕氣。這樣,D=Q·(IWC-OWC)·R=2.5×(21-7)×1/3=11.67 lb(干燥劑)/d

用下述方程可得到容器的大小尺寸:

這樣,下一個(gè)較大的30 in(1 in=25.4 mm)外徑被選上。同時(shí)觀察到該容器在假設(shè)的條件下能夠處理3.078×106ft3/d的天然氣。一臺(tái)脫水器的費(fèi)用為12850美元,兩臺(tái)脫水器的費(fèi)用為25750美元,安裝費(fèi)用通常為設(shè)備費(fèi)用的50%～75%。最差的情形為75%,這時(shí)安裝費(fèi)用約為19313美元。

所以,投資和安裝資本成本一共為45063美元。

3.2.2 操作和維護(hù)費(fèi)用

主要的操作和維護(hù)費(fèi)用是:干燥劑供給費(fèi)用、鹽水處理費(fèi)用和勞動(dòng)力費(fèi)用。

干燥劑供給費(fèi)用。根據(jù)經(jīng)銷商的價(jià)格,氯化鈣每磅為0.65～1.2美元。研究是以氯化鈣每磅為1.2美元進(jìn)行的,所以,

鹽水處理費(fèi)用。為了使氣處理達(dá)到每百萬立方英尺氣中含7 lb水的技術(shù)指標(biāo),產(chǎn)出非常少的鹽水。

勞動(dòng)力費(fèi)用是假設(shè)操作者每周注入干燥劑每小時(shí)30美元,每周注入1小時(shí)。這樣,每年總計(jì)1560美元。因此,總的操作和維護(hù)費(fèi)用為:5152+35+1560=＄6718/a

3.3 兩者比較

3.3.1 天然氣排放量降低

總的天然氣節(jié)約量=乙二醇脫水器排放-固態(tài)干燥劑排放= (再沸器排出的氣體+氣動(dòng)控制閥排出的氣+乙二醇脫水器作為燃料燃燒的氣體)-從干燥脫水器損失的氣體

3.3.2 乙二醇脫水器排放

從乙二醇再生器中排出的氣體總量取決于氣體的流量、進(jìn)/出口水的含量、水-乙二醇比例、循環(huán)百分比和甲烷夾帶量。應(yīng)用的循環(huán)百分比為150%。應(yīng)用公式得到排出的氣為:

氣動(dòng)控制閥在乙二醇脫水器中通常用來監(jiān)控和調(diào)節(jié)氣體和液體流量、溫度和壓力。在特定的環(huán)境,控制器調(diào)節(jié)脫水器和分離氣的氣體和液體流量、脫水器再生器的溫度和閃蒸罐壓力?？紤]到流量,假定使用了6臺(tái)氣動(dòng)控制閥,同時(shí)也假定氣動(dòng)控制閥是高排出閥 (在操作過程中每年排出50×103ft3以上的天然氣)。根據(jù)GRI/EPA研究結(jié)果,一臺(tái)高排出設(shè)備的年平均排放為126×103ft3天然氣。因此,6臺(tái)氣動(dòng)控制閥每年甲烷排放量為756×103ft3天然氣。

計(jì)算乙二醇再沸器中燃料燃燒的氣體,這個(gè)計(jì)算假設(shè)再沸器熱負(fù)荷是每加侖1124 Btu(1 Btu=1.055 kJ),天然氣熱值為1127 Btu/ft3。

因此,總的乙二醇脫水器排出氣量每年為970.5×103ft3。

3.3.3 固體干燥劑脫水器排放

從干燥劑脫水器損失的氣通過計(jì)算容器每次排出的氣量得出。30 in外徑的容器,其內(nèi)徑大約29.25 in(假設(shè)壁厚/4in)。該容器整個(gè)長(zhǎng)度64 in,其45%的體積充滿了氣 (供貨商數(shù)據(jù))。這樣,運(yùn)用波義耳定律得到損失氣量:

3.3.4 節(jié)約的總氣量

節(jié)約的總氣量=乙二醇脫水器排放-固體干燥劑脫水器排放=970.5×103-18.5×103=952×103(ft3/a)。

安裝一臺(tái)干燥劑脫水器,代替一臺(tái)乙二醇脫水器,處理2.5×106ft3/d的天然氣,其結(jié)果:節(jié)約資金和安裝費(fèi)用總數(shù)為24937美元,減少氣排放952×103ft3/a。這個(gè)天然氣量如果排入到大氣中就會(huì)引起巨大的污染。同時(shí),節(jié)約下來的氣在天然氣價(jià)格＄3/103ft3時(shí),價(jià)值2856美元。

4 結(jié)論

固體干燥劑脫水技術(shù)是一項(xiàng)成熟的技術(shù),它可以替代傳統(tǒng)的脫水方法,其特點(diǎn)是采用的設(shè)備簡(jiǎn)單,投入成本低,減少了操作和維護(hù)費(fèi)用,降低了揮發(fā)性有機(jī)化合物和危害空氣污染物的排放。

符號(hào)說明

D ——干燥劑日消耗量,lb/d

Q ——天然氣流量,106ft3/d

IWC ——進(jìn)口水含量,lb/106ft3

OWC ——出口水含量,lb/106ft3

BDC ——鹽水處理成本,＄/a

R——干燥劑-水比例 (質(zhì)量分?jǐn)?shù))

ID ——內(nèi)徑,in

T——干燥劑填加時(shí)間間隔,d

H ——工作鹽床高度,in

BD ——體積密度,lb/ft3

DRC——干燥劑供給成本,＄

Wb——日產(chǎn)鹽水,lb/d

CB ——鹽水處理成本,＄/bbl

DEN ——CaCl2鹽水密度,lb/bbl

CT——乙二醇儲(chǔ)罐注滿和液面維持成本,＄/a

GVA ——再沸器排放氣量,103ft3/a

GW R ——乙二醇-水比例,gal/lb

OC ——循環(huán)百分比

M ——甲烷夾帶量,ft3/gal

HD ——再沸器的熱負(fù)荷,Btu/gal

HV ——天然氣的熱值,Btu/ft3

GF——再沸器中燃料燃燒氣量,103ft3/a

GL D ——干燥劑脫水器中損失的氣量,ft3/a

HOD ——脫水器容器高度,ft

P1——空氣壓力,psia

P2——天然氣壓力,psig

П——pi

%G——?dú)怏w填充容器的百分比

W r——去除的水=IWC-OWC

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.3.014

資料來源于美國《SPE 106975》

2009-12-25)