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)

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)

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,并進行了環(huán)境和經(jīng)濟分析,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,如它屬勞動密集型行業(yè),操作費用大,存在環(huán)境污染等問題。

由于近年來化學工業(yè)的進步,特別是鹽類、易吸收濕氣的干燥劑脫水設備的出現(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)性有機化合物(VOC)和危害空氣污染物 (HAP)的排放達99%,同時降低了操作和維護費用。

1 引言

2 設備描述

處理類型和設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)干燥脫水器是一個較為簡單的設備,它包括:填料口、入口、壓力表、排除口、干燥床、預干燥床、集鹽槽和排出連接器等,不需要內(nèi)部能源供給,適合偏遠場所的應用。濕氣進入容器底部附近,通過固體干燥劑床上升,當它上升時與干燥劑表面接觸,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,因為替換它更經(jīng)濟。在集鹽槽中的鹽水需要定期流放到儲鹽罐 (或產(chǎn)出水罐)或脫水 (蒸發(fā))池。儲存罐中的鹽水可以注入到工地附近的深井中或裝入到儲罐中送到適當?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干燥床頂部之前就可達到一定的平衡濕度。這個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小的干燥窗口 (觀察鏡)。

3 干燥劑脫水方法的優(yōu)勢分析

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)濟和環(huán)境兩方面分析其優(yōu)勢。計算結(jié)果是應用氯化鈣脫水劑得出的。進口氣流量 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氣的成本估計為40000美元。安裝和工程費用估計為投資費用的75%(30000美元)。

3.1.2 操作和維護費用

主要的操作和維護費用包括乙二醇儲罐注滿和維持乙二醇液面的費用,以及維護成本和勞動力成本。

注滿費用。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量為0.1 gal,這樣,CT=0.1×2.5×365×4.5=＄411/a

維護成本和勞動力成本。因為需要很多維護和維修作業(yè),勞動力成本按每周4小時計算,勞動力成本為每小時30美元,每年就要用6240美元。同樣,備件的費用估計為勞動力成本的一半,每年為3120美元。總的操作和維護費用估計為: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。出口濕度含量應該是管線要求的技術(shù)標準 (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有14 lb水被清除掉。按一般的經(jīng)驗法則,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,下一個較大的30 in(1 in=25.4 mm)外徑被選上。同時觀察到該容器在假設的條件下能夠處理3.078×106ft3/d的天然氣。一臺脫水器的費用為12850美元,兩臺脫水器的費用為25750美元,安裝費用通常為設備費用的50%～75%。最差的情形為75%,這時安裝費用約為19313美元。

所以,投資和安裝資本成本一共為45063美元。

3.2.2 操作和維護費用

主要的操作和維護費用是:干燥劑供給費用、鹽水處理費用和勞動力費用。

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

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

勞動力費用是假設操作者每周注入干燥劑每小時30美元,每周注入1小時。這樣,每年總計1560美元。因此,總的操作和維護費用為: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/出口水的含量、水-乙二醇比例、循環(huán)百分比和甲烷夾帶量。應用的循環(huán)百分比為150%。應用公式得到排出的氣為:

氣動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。考慮到流量,假定使用了6臺氣動控制閥,同時也假定氣動控制閥是高排出閥 (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,一臺高排出設備的年平均排放為126×103ft3天然氣。因此,6臺氣動控制閥每年甲烷排放量為756×103ft3天然氣。

計算乙二醇再沸器中燃料燃燒的氣體,這個計算假設再沸器熱負荷是每加侖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(假設壁厚/4in)。該容器整個長度64 in,其45%的體積充滿了氣 (供貨商數(shù)據(jù))。這樣,運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)。

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

4 結(jié)論

固體干燥劑脫水技術(shù)是一項成熟的技術(shù),它可以替代傳統(tǒng)的脫水方法,其特點是采用的設備簡單,投入成本低,減少了操作和維護費用,降低了揮發(fā)性有機化合物和危害空氣污染物的排放。

符號說明

D ——干燥劑日消耗量,lb/d

Q ——天然氣流量,106ft3/d

IWC ——進口水含量,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)量分數(shù))

ID ——內(nèi)徑,in

T——干燥劑填加時間間隔,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——氣體填充容器的百分比

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)