天然气脱水:用氯化钙代替乙二醇方法的可行性分析

编译:刘宇 (大庆油田公司天然气分公司三大队)

审校:刘英怀 (大庆油田勘探开发研究院)

天然气脱水:用氯化钙代替乙二醇方法的可行性分析

编译:刘宇 (大庆油田公司天然气分公司三大队)

审校:刘英怀 (大庆油田勘探开发研究院)

天然气脱水是天然气加工处理过程中的重要环节,目前,天然气脱水常用方法有四种:①溶剂吸收法;②固体吸附法;③膜分离技术;④直接冷却法。而乙二醇脱水是天然气脱水采用的常用方法之一。文中分析了乙二醇脱水方法存在的主要问题,探讨了用固体干燥剂代替乙二醇脱水方法的可行性,并进行了环境和经济分析,其结果表明固体干燥剂脱水方法既节能,又在建立和谐环境方面优于其他方法。

天然气脱水 固体干燥剂 氯化钙 乙二醇 节能 尼日利亚

在天然气脱水方法中乙二醇脱水是最常用的方法。但是,该方法存在一些问题,如它属劳动密集型行业,操作费用大,存在环境污染等问题。

由于近年来化学工业的进步,特别是盐类、易吸收湿气的干燥剂脱水设备的出现,最重要的是正确的操作方法使盐类脱水方法能够替代乙二醇脱水系统。

研究表明,用易吸收湿气的干燥剂脱水器代替乙二醇脱水系统降低甲烷、挥发性有机化合物(VOC)和危害空气污染物 (HAP)的排放达99%,同时降低了操作和维护费用。

1 引言

2 设备描述

处理类型和设备取决于使用的固体干燥剂。有很多种干燥剂可用于天然气脱水,但在本文中仅考虑氯化钙干燥剂。

氯化钙作为干燥剂从1920年就开始用于天然气和空气的脱水。由于它吸湿,有能力从周围的环境中吸收和清除水蒸气。这种盐清除水蒸气的能力是基于盐的水合物和周围的水蒸气压力之间的压力差。这种盐自然吸附和吸收湿气,逐渐溶解形成盐溶液。用这种类型的干燥剂,从气态烃中可吸出大量的湿气

固态干燥脱水器是一个较为简单的设备,它包括:填料口、入口、压力表、排除口、干燥床、预干燥床、集盐槽和排出连接器等,不需要内部能源供给,适合偏远场所的应用。湿气进入容器底部附近,通过固体干燥剂床上升,当它上升时与干燥剂表面接触,干燥盐吸附天然气中的湿气。氯化钙是一种溶解盐,所以,随着湿气的进入开始不断脱水,盐滴在表面形成,盐滴向下滴入容器底部的集盐槽中。氯化钙是不能再生的,因为替换它更经济。在集盐槽中的盐水需要定期流放到储盐罐 (或产出水罐)或脱水 (蒸发)池。储存罐中的盐水可以注入到工地附近的深井中或装入到储罐中送到适当的地方处理。

只要干床保持在一定的厚度,天然气在干燥剂的作用下在到达干燥床顶部之前就可达到一定的平衡湿度。这个工作盐床要定期填加。多数装置最少用两套容器以免影响天然气的生产。由于天然气中的湿气被吸出,干燥床上干燥剂的深度慢慢降低。为了观察方便,有些制造商在容器上安装了一个小的干燥窗口 (观察镜)。

3 干燥剂脱水方法的优势分析

通常管道输送天然气的湿度要求为7 lb(水)/106ft3(气) (1 lb=0.454 kg,1 ft3=28.317 dm3)。本文仅从干燥剂脱水器的经济和环境两方面分析其优势。计算结果是应用氯化钙脱水剂得出的。进口气流量 2.5×106ft3/d,压力是464.7 psia(1 psi=6.895 kPa),温度为47℉。

3.1 乙二醇脱水成本

3.1.1 投资和安装成本

采用乙二醇脱水方法的工厂处理在464.7 psia压力下、温度为47℉、2.5×106ft3/d气的成本估计为40000美元。安装和工程费用估计为投资费用的75%(30000美元)。

3.1.2 操作和维护费用

主要的操作和维护费用包括乙二醇储罐注满和维持乙二醇液面的费用,以及维护成本和劳动力成本。

注满费用。乙二醇成本为＄4.5/gal(1 gal=3.785 L),处理每百万立方英尺天然气乙二醇消费量为0.1 gal,这样,CT=0.1×2.5×365×4.5=＄411/a

维护成本和劳动力成本。因为需要很多维护和维修作业,劳动力成本按每周4小时计算,劳动力成本为每小时30美元,每年就要用6240美元。同样,备件的费用估计为劳动力成本的一半,每年为3120美元。总的操作和维护费用估计为:411+6240+3120=9771(＄/a)

3.2 固体干燥剂脱水成本

3.2.1 投资和安装成本

估算所使用干燥剂脱水器的大小,应该先知道气的入口和出口含湿量。在压力450 psia、47℉的条件下,每百万立方英尺天然气可含21 lb水。出口湿度含量应该是管线要求的技术标准 (为每百万立方英尺气中含7 lb水)。这样,每百万立方英尺气中应有14 lb水被清除掉。按一般的经验法则,1 lb干燥剂可清除3 lb湿气。这样,D=Q·(IWC-OWC)·R=2.5×(21-7)×1/3=11.67 lb(干燥剂)/d

用下述方程可得到容器的大小尺寸:

这样,下一个较大的30 in(1 in=25.4 mm)外径被选上。同时观察到该容器在假设的条件下能够处理3.078×106ft3/d的天然气。一台脱水器的费用为12850美元,两台脱水器的费用为25750美元,安装费用通常为设备费用的50%～75%。最差的情形为75%,这时安装费用约为19313美元。

所以,投资和安装资本成本一共为45063美元。

3.2.2 操作和维护费用

主要的操作和维护费用是:干燥剂供给费用、盐水处理费用和劳动力费用。

干燥剂供给费用。根据经销商的价格,氯化钙每磅为0.65～1.2美元。研究是以氯化钙每磅为1.2美元进行的,所以,

盐水处理费用。为了使气处理达到每百万立方英尺气中含7 lb水的技术指标,产出非常少的盐水。

劳动力费用是假设操作者每周注入干燥剂每小时30美元,每周注入1小时。这样,每年总计1560美元。因此,总的操作和维护费用为:5152+35+1560=＄6718/a

3.3 两者比较

3.3.1 天然气排放量降低

总的天然气节约量=乙二醇脱水器排放-固态干燥剂排放= (再沸器排出的气体+气动控制阀排出的气+乙二醇脱水器作为燃料燃烧的气体)-从干燥脱水器损失的气体

3.3.2 乙二醇脱水器排放

从乙二醇再生器中排出的气体总量取决于气体的流量、进/出口水的含量、水-乙二醇比例、循环百分比和甲烷夹带量。应用的循环百分比为150%。应用公式得到排出的气为:

气动控制阀在乙二醇脱水器中通常用来监控和调节气体和液体流量、温度和压力。在特定的环境,控制器调节脱水器和分离气的气体和液体流量、脱水器再生器的温度和闪蒸罐压力。考虑到流量,假定使用了6台气动控制阀,同时也假定气动控制阀是高排出阀 (在操作过程中每年排出50×103ft3以上的天然气)。根据GRI/EPA研究结果,一台高排出设备的年平均排放为126×103ft3天然气。因此,6台气动控制阀每年甲烷排放量为756×103ft3天然气。

计算乙二醇再沸器中燃料燃烧的气体,这个计算假设再沸器热负荷是每加仑1124 Btu(1 Btu=1.055 kJ),天然气热值为1127 Btu/ft3。

因此,总的乙二醇脱水器排出气量每年为970.5×103ft3。

3.3.3 固体干燥剂脱水器排放

从干燥剂脱水器损失的气通过计算容器每次排出的气量得出。30 in外径的容器,其内径大约29.25 in(假设壁厚/4in)。该容器整个长度64 in,其45%的体积充满了气 (供货商数据)。这样,运用波义耳定律得到损失气量:

3.3.4 节约的总气量

节约的总气量=乙二醇脱水器排放-固体干燥剂脱水器排放=970.5×103-18.5×103=952×103(ft3/a)。

安装一台干燥剂脱水器,代替一台乙二醇脱水器,处理2.5×106ft3/d的天然气,其结果:节约资金和安装费用总数为24937美元,减少气排放952×103ft3/a。这个天然气量如果排入到大气中就会引起巨大的污染。同时,节约下来的气在天然气价格＄3/103ft3时,价值2856美元。

4 结论

固体干燥剂脱水技术是一项成熟的技术,它可以替代传统的脱水方法,其特点是采用的设备简单,投入成本低,减少了操作和维护费用,降低了挥发性有机化合物和危害空气污染物的排放。

符号说明

D ——干燥剂日消耗量,lb/d

Q ——天然气流量,106ft3/d

IWC ——进口水含量,lb/106ft3

OWC ——出口水含量,lb/106ft3

BDC ——盐水处理成本,＄/a

R——干燥剂-水比例 (质量分数)

ID ——内径,in

T——干燥剂填加时间间隔,d

H ——工作盐床高度,in

BD ——体积密度,lb/ft3

DRC——干燥剂供给成本,＄

Wb——日产盐水,lb/d

CB ——盐水处理成本,＄/bbl

DEN ——CaCl2盐水密度,lb/bbl

CT——乙二醇储罐注满和液面维持成本,＄/a

GVA ——再沸器排放气量,103ft3/a

GW R ——乙二醇-水比例,gal/lb

OC ——循环百分比

M ——甲烷夹带量,ft3/gal

HD ——再沸器的热负荷,Btu/gal

HV ——天然气的热值,Btu/ft3

GF——再沸器中燃料燃烧气量,103ft3/a

GL D ——干燥剂脱水器中损失的气量,ft3/a

HOD ——脱水器容器高度,ft

P1——空气压力,psia

P2——天然气压力,psig

П——pi

%G——气体填充容器的百分比

W r——去除的水=IWC-OWC

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

资料来源于美国《SPE 106975》

2009-12-25)