Analiza instalacji absorpcyjnych

Gaz
Raport: Produkty, us∏ugi i technologie dla gazownictwa ziemnego
Analiza instalacji absorpcyjnych
stosowanych do glikolowego osuszania gazu ziemnego
Cezary Pokrzywniak, Pawe∏ Âcis∏owski
pod kierunkiem dr. hab. in˝. Stanis∏awa Nagy, prof. AGH
Gaz ziemny w z∏o˝u jest w sta∏ym kontakcie z wodà, dlatego w warunkach z∏o˝owych jest on nasycony parà wodnà. W Polsce, w zale˝noÊci od g∏´bokoÊci z∏o˝a, ciÊnienie gazu wynosi od 350 do 600
barów, a temperatura od 120 do 140ºC. W procesie eksploatacji gazu ze z∏o˝a nast´puje spadek ciÊnienia, któremu towarzyszy spadek temperatury, co powoduje wytràcanie si´ wody. Woda w gazie
mo˝e tworzyç hydraty i korki wodne oraz powodowaç korozj´ i erozj´ materia∏ów – zjawiska te
w bardzo niekorzystny sposób wp∏ywajà na rurociàgi oraz urzàdzenia i instalacje s∏u˝àce do eksploatacji i przesy∏u gazu.
N
ajbardziej rozpowszechnionym na Êwiecie typem instalacji do osuszania gazu ziemnego jest
metoda absorpcyjna wykorzystujàca glikole.
Rzadziej stosuje si´ adsorpcj´ na bazie tlenku glinu,
˝elu silikonowego, chlorku wapnia i inne. Glikole,
w odró˝nieniu od sta∏ych dysykantów, majà dobre
w∏asnoÊci higroskopijne przy relatywnie niskich kosztach eksploatacji. W instalacjach osuszania najcz´Êciej
wykorzystuje si´ glikol etylenowy (EG), glikol dietylenowy (DEG), glikol trietylenowy (TEG), glikol tetraetylenowy (TREG), glicerol oraz glikol propylenowy.
Instalacje te zwykle oparte sà na kolumnowej lub
wtryskowej technologii osuszania. W Polsce do po∏owy lat 90. w wi´kszoÊci przypadków technologia osuszania gazu wykorzystywa∏a metod´ wtryskowà. Glikol wtryskiwano zwykle bezpoÊrednio do rurociàgu
z przep∏ywajàcym gazem. W Polsce ta technologia stosowana by∏a mi´dzy innymi w kopalniach gazu ziemnego w ˚uchlowie, Za∏´czu, Paproci, Radlinie, Aleksandrówce, Grochowicach i Niechlowie.
Instalacja osuszania wtryskowego ma stosunkowo
prostà konstrukcj´ oraz charakteryzuje si´ niskimi
kosztami budowy i eksploatacji. Glikol wtryskiwany
jest do poziomego rurociàgu, gdzie poch∏ania wod´
znajdujàcà si´ w gazie, a nast´pnie bogaty w wod´ glikol separowany jest na specjalnych separatorach.
Niestety, metoda ta cechuje si´ wysokim wskaênikiem strat glikolu oraz niskà temperaturà uzyskiwanego punktu rosy wody. Wady te spowodowane sà du˝ymi trudnoÊciami z uzyskaniem stabilnego
i skutecznego rozpylenia glikolu w rurociàgu. Technologia ta nie pozwala na otrzymanie odpowiednio
du˝ej powierzchni kontaktu gaz–glikol. Dodatkowymi problemami w jej poprawnym funkcjonowaniu sà:
przytykanie i szlifowanie dysz, jak równie˝ du˝e pr´dkoÊci przep∏ywajàcego gazu powodujàce Êcinanie
30
i zbijanie rozpylanego glikolu w jeden strumieƒ oraz
kierowanie go na Êcianki kolektora (w metodzie wtryskowej zaleca si´, aby pr´dkoÊç nie przekracza∏a 1,5
m/s). Wszystkie te czynniki wp∏yn´∏y na decyzj´
o przejÊciu na osuszanie kolumnowe.
W technologii osuszania kolumnowego glikol wtryskiwany (podawany) jest w górnà sekcj´ pionowej kolumny, natomiast gaz kierowany jest do jej dolnej
sekcji. Glikol grawitacyjnie sp∏ywa przez pó∏ki/wype∏nienie w dó∏, a gaz – przeciwpràdowo do glikolu
– przep∏ywa do góry. Sp∏ywajàcy glikol, dzi´ki wymuszonemu kontaktowi na pó∏kach/wype∏nieniach, poch∏ania wod´ z gazu na bardzo du˝ej powierzchni
kontaktu. Bogaty w wod´ glikol gromadzi si´ na dole
kolumny lub na p∏ycie przelewowej w kolumnie, skàd
jest kierowany do uk∏adu regeneracji. Natomiast gaz
z minimalnà zawartoÊcià wody opuszcza instalacje na
szczycie kolumny.
Zastosowanie przeciwpràdowego przep∏ywu oraz
du˝a powierzchnia kontaktu gaz–glikol zapewnia dyFot. 1. Instalacja wtryskowa. Podziemny Magazyn
Gazu Inchukalnsk, ¸otwa
02/2008
namicznà zmian´ warunków równowagi pomi´dzy
gazem, wodà i glikolem. Stopniowo pozbawiany wody
gaz styka si´ na swojej drodze z glikolem o coraz
wi´kszej koncentracji.
Na poczàtku wprowadzania tej metody na rynek,
kolumny absorpcyjne wyposa˝ane by∏y wy∏àcznie
w ró˝nego typu pó∏ki przelewowe. Obecnie w kolumnach absorpcyjnych wykorzystywanych w instalacjach
glikolowych najcz´Êciej stosuje si´ wype∏nienie strukturalne, które w porównaniu z kolumnà pó∏kowà charakteryzuje si´ znacznie lepszà efektywnoÊcià kontaktu glikolu z gazem (powierzchnia kontaktu), co
pozwala na zmniejszenie Êrednicy kolumny absorpcyjnej (kontaktora). Znacznie mniej popularne jest
wype∏nienie zasypowe. Niemniej jednak wcià˝ pojawiajà si´ nowe rozwiàzania, tak wype∏nieƒ pó∏kowych
(pó∏ki typu High Performance firmy Sulzer majà
o 80% wi´kszà przepustowoÊç i o 50% wy˝szà efektywnoÊç ni˝ pó∏ki konwencjonalne), jak i wype∏nieƒ
pakietowych (wype∏nienie typu Mellapak Plus firmy
Schemat 2. Pó∏ki typu High Performance firmy
Sulzer
Schemat 1. Kolumna absorpcyjna z wype∏nieniem
strukturalnym
Fot. 2. Wype∏nienie typu Mellapak Plus firmy
Sulzer
02/2008
31
Gaz
Raport: Produkty, us∏ugi i technologie dla gazownictwa ziemnego
Schemat 3. Zasada dzia∏ania pó∏ek typu Swirltube
firmy Shell
KGZ ˚uchlów, KGZ Za∏´cze i KGZ Radlin po przebudowie z wtryskowej na kolumnowà zmniejszy∏ si´
od 5 do 45%.
Typowa instalacja wtryskowa pozwala na osiàgni´cie punktu rosy wody w osuszonym gazie do –8°C.
Natomiast rozwiàzanie zastosowane w instalacji kolumnowej, wyposa˝onej w konwencjonalne wype∏nienie strukturalne, pozwala na osiàgniecie punktu rosy
wody w przedziale od –12°C do –28°C. Wykresy 5. i 6.
przedstawiajà porównanie uzyskiwanego punktu rosy
wody dla instalacji wtryskowej oraz kolumnowej. Dla
instalacji na KGZ ˚uchlów, KGZ Za∏´cze i KGZ Ra-
32
KGZ
Niechlów
KGZ
Grochowice
KGZ
Aleksandrówka
KGZ
Radlin
KGZ
Paproç
KGZ
Za∏´cze
9000
8000
7000
6000
5000
4000
3000
2000
KGZ
Wierzchowice
KGZ
KoÊcian-Broƒsko
0
KGZ
Radlin*
1000
KGZ
Bogdaj-Uciechów
Poprawnie zaprojektowana instalacja osuszania glikolowego powinna do minimum ograniczyç straty
glikolu. Na wykresach 1–6 przedstawione jest porównanie wielkoÊci strat glikolu dla instalacji wtryskowych i kolumnowych. W trzech przypadkach: KGZ
˚uchlów, KGZ Za∏´cze i KGZ Radlin, z przedstawionych danych wynika, ˝e po zmianie instalacji wtryskowej na kolumnowà straty glikolu zmniejszy∏y si´
od 6 do 45%.
W zale˝noÊci od zawartoÊci wody w gazie, st´˝enia
glikolu, sk∏adu gazu oraz ciÊnienia i temperatury wartoÊç dozowanego glikolu do instalacji powinna byç
ró˝na dla ró˝nych uk∏adów osuszania. Na wykresach
3. i 4. przedstawione jest porównanie zu˝ycia glikolu
dla instalacji wtryskowej oraz kolumnowej. Na podstawie tych danych mo˝na stwierdziç, ˝e wskaênik zu˝ycia glikolu dla instalacji osuszania w kopalniach
Wykres 2. Straty glikolu dla instalacji kolumnowej
[kg/rok]
KGZ
Za∏´cze*
Porównanie
instalacji
wtryskowych
i kolumnowych
KGZ
˚uch∏ów*
Sulzer ma o 20-45% wi´kszà przepustowoÊç ni˝ pakietowe wype∏nienie konwencjonalne). Jednym z nowych rozwiàzaƒ stosowanych w kolumnach absorpcyjnych sà pó∏ki typu Swirltube opracowane przez
firm´ Shell, które pozwalajà na zwi´kszenie przepustowoÊci do 50% oraz efektywnoÊci do 90% w porównaniu z pó∏kami konwencjonalnymi.
10000
9000
8000
7000
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
KGZ
˚uchlów
Wykres 1. Straty glikolu dla instalacji wtryskowej
[kg/rok]
* dane po wymianie instalacji wytryskowej na kolumnowà
02/2008
60
40
40
20
20
0
0
dlin po wymianie instalacji wtryskowej na kolumnowà
punkt rosy wody zwi´kszy∏ si´ od 2,5 do 2,9 razy.
Podsumowanie
Instalacje wtryskowe, z uwagi na swojà ma∏à efektywnoÊç oraz du˝e straty glikolu, nie sà obecnie stosowane do osuszania gazu ziemnego. Mimo niewàtpliwej zalety, jakà jest niski koszt inwestycyjny, pracujàce
instalacje poddawane sà modernizacji, a nowobudowane majà wy∏àcznie uk∏ady kolumnowe. Poprawnie
Wykres 5. Ârednia temperatura punktu rosy wody
dla instalacji wtryskowej [°C]
0
KGZ
Wierzchowice
60
KGZ
KoÊcian-Broƒsko
80
KGZ
Radlin*
80
KGZ
Bogdaj-Uciechów
100
KGZ
Niechlów
100
KGZ
Grochowice
120
KGZ
Aleksandrówka
120
KGZ
Radlin
140
KGZ
Paproç
140
KGZ
Za∏´cze
160
KGZ
˚uch∏ów
160
KGZ
Za∏´cze*
Wykres 4. Âredni wskaênik zu˝ycia glikolu dla
instalacji kolumnowej [kg/mln Nm3]
KGZ
˚uch∏ów*
Wykres 3. Âredni wskaênik zu˝ycia glikolu dla
instalacji wtryskowej [kg/mln Nm3]
* dane po wymianie instalacji wytryskowej na kolumnowà
dobrana instalacja kolumnowa powinna byç wyposa˝ona w wysokosprawny filtr koalescencyjny (np. firmy
Pall – schemat 4.) przed kolumnà absorpcyjnà (zabezpieczajàcy instalacj´ przed przedostaniem si´ wody do
instalacji) oraz w wysokosprawny filtr koalescencyjny
za kolumnà absorpcyjnà (zabezpieczajàcy instalacj´
przed stratami glikolu). Znaczne ró˝nice w stratach
Wykres 6. Ârednia temperatura punktu rosy wody
dla instalacji kolumnowej [°C]
0
–5
–1
–10
–2
–3
–15
–4
–5
–20
KGZ
Wierzchowice
KGZ
KoÊcian-Broƒsko
KGZ
Radlin*
KGZ
Bogdaj-Uciechów
KGZ
Niechlów
KGZ
Grochowice
KGZ
Aleksandrówka
KGZ
Radlin
KGZ
Paproç
KGZ
Za∏´cze
KGZ
˚uch∏ów
–8
KGZ
Za∏´cze*
–25
–7
KGZ
˚uch∏ów*
–6
* dane po wymianie instalacji wytryskowej na kolumnowà
02/2008
33
Gaz
Raport: Produkty, us∏ugi i technologie dla gazownictwa ziemnego
glikolu w poszczególnych kopalniach (przedstawione
na wykresie 1. i 2.) wynikajà g∏ównie z jakoÊci zastosowanej separacji za instalacjà osuszania (modernizacji
poddawane by∏y wy∏àcznie kolumny absorpcyjne bez
filtrów przed i za kolumnà). Pracujàce w kopalni KGZ
Schemat 4. Filtr koalescencyjny wyposa˝ony
w elementy filtracyjne firmy Pall
Wymagania stawiane przez Polskà Norm´ PN-C-04752:2002 „Gaz ziemny. JakoÊç gazu w sieci przesy∏owej” dla temperatury punktu rosy wody przy ciÊnieniu
5,5 MPa w okresie od 1 kwietnia do 30 wrzeÊnia wynoszà
3,7°C, dla temperatury punktu rosy wody przy ciÊnieniu
5,5 MPa w okresie od 1 paêdziernika do 31 marca wynoszà
–5,0°C. W celu ich spe∏nienia nale˝y usunàç z gazu znajdujàcà si´ w nim wod´.
KoÊcian-Broƒsko filtry koalescencyjne firmy Pall pozwalajà ograniczyç straty glikolu praktycznie do minimum, a uk∏ad regeneracji glikolu wykorzystujàcy gaz
stripingowy umo˝liwia uzyskanie temperatury punktu
rosy poni˝ej –30 °C. Koszty budowy takiej instalacji sà
kilkukrotnie wy˝sze ni˝ instalacji wtryskowej, otrzymujemy jednak za to instalacj´ technologicznà spe∏niajàcà wymagania wi´kszoÊci norm Êwiatowych
w pe∏nym zakresie uzyskania punktu rosy wody w osuszonym gazie przy jednoczesnym utrzymaniu niskich
kosztów eksploatacji, co przy za∏o˝eniach ˝ywotnoÊci
takich uk∏adów (20–25 lat) przek∏ada si´ na wymierne
korzyÊci finansowe.
Cezary Pokrzywniak
Pawe∏ Âcis∏owski
pod kierunkiem dr. hab. in˝. Stanis∏awa Nagy, prof. AGH
PBG S.A.
ul. Skórzewska 35
Wysogotowo k/ Poznania
62-081 Przeêmierowo, Polska
e-mail: [email protected]
www.pbg-sa.pl
Zdj´cia: PBG S.A.
Literatura
• Cezary Pokrzywniak: „Glikolowe instalacje osuszania gazu ziemnego w instalacjach przemys∏owych”, Pierwsza Mi´dzynarodowa
Konferencja Naukowo-Techniczna w Poznaniu „Nowe technologie u˝ytkowania gazu ziemnego w instalacjach przemys∏owych
i domowych”, Poznaƒ, Politechnika Poznaƒska, 25–26 wrzeÊnia
2006.
• Cezary Pokrzywniak: „Analiza rozwiàzaƒ technicznych i efektywnoÊci stosowanych procesów glikolowego osuszania gazu
ziemnego”, Wiertnictwo-Nafta-Gaz, Tom 24, Zeszyt 1, 2007,
ss. 381–389.
34
• Cezary Pokrzywniak: „Porównanie rozwiàzaƒ technicznych typowego procesu glikolowego osuszania gazu ziemnego i procesu
z zastosowaniem gazu stripingowego w aspekcie finansowym
oraz uzyskanej efektywnoÊci”, „Nowoczesne Technologie w PrzemyÊle”, wydanie 4(10)/2007, ss. 18–22.
• Francis S. Manning, Richard E. Tompson: „Oilfield Processing
of Petroleum, Volume One: Natural Gas”, PennWell Publishing
Company, 1991.
• Artur L. Kohl, Richard B. Nielsen: „Gas Purifications”, wydanie
5, Gulf Publishing Company 1997.
• R. K. Sinnott: „Coulson & Richardson’s Chemical Engineering”
Volume 6, wydanie 3, Chemical Engineering Design, 2004.
• „Engineering Data Book” Volume II, wydanie 12, Gas Processors Association 2004.
• Boyun Guo, Ali Ghalambor: „Natural Gas Engineering Handbook”, Gulf Publishing Company, 2005.
• John M. Campbell: „Gas Conditioning and Processing, Volume
2: The Equipment Modules”, wydanie 8, John M. Campbell and
Company 2004.
• Materia∏y reklamowe firmy Sulzer Chemtech.
• Materia∏y uzyskane od Polskiego Górnictwa Naftowego i Gazownictwa SA w Warszawie.
02/2008