Natural Gas Dehydration
المهندس رائد العبيدي
تقليل انبعاثات وحدة التجفيف Reducing Dehydration Emissions
أن الغاية الأساسية من عملية التجفيف كما ذكرنا في الجزء الأول والجزء الثاني هي إزالة الرطوبة من الغاز الطبيعي لمنع التآكل وتكون الهيدرات Hydrates في الأنابيب. وقلنا أن العملية الأكثر شيوعاً هي عملية التجفيف بأستخدام TEG ، حيث يحصل تماس بين مادة تراي أثيلين كلايكول والغاز الطبيعي الرطب .
أن الكلايكول لا يمتص الرطوبة فقط ، بل سيمتص معه الميثان CH4 وغيره من المركبات العضوية الطيّارة Volatile Organic Compounds VOCs وغيرها من ملوثات الهواء الخطرة Hazardous Air Pollutants HAPs والموجودة في الغاز الطبيعي.
فقد ذكرت دراسة أعدتها وكالة حماية البيئة الأمريكية EPA ، أن هناك ما يزيد عن 38 ألف وحدة تجفيف بالكلايكول في الولايات المتحدة في عام 2001 ، مما يؤدي الى أنبعاث حوالي 18.6 مليار قدم مكعب من الميثان سنوياً الى الهواء الجوي. وتحتل صناعة الغاز الطبيعي المركز الثالث في مصادر أنبعاث الميثان بنسبة 17% . فيما تشكل أنبعاثات VOC و HAP من وحدات التجفيف 85% و 81% على التوالي من مجموع الأنبعاثات السنوية الناتجة من أنتاج الغاز الطبيعي.
وعلى ضوء هذه الأرقام فقد وضعت وكالة حماية البيئة الأمريكية EPA معايير لأقصى تقنيات السيطرة MACT والتي أجبرت مستعملي وحدات التجفيف بالكلايكول على تقليل أنبعاثات HAP من هذه الوحدات بنسبة 95%.
وبموجب معايير MACT فأن على مستخدمي وحدات التجفيف بالكلايكول نصب معدات سيطرة لتقليل الملوثات الناجمة عنها. فقد تم تطوير وحدات جديدة تتطابق مع هذه المعايير ، حيث تقوم هذه الوحدات بتقليل أنبعاثات HAP وغاز الميثان ، وتتلخص هذه الطريقة بجمع الأبخرة الهيدروكاربونية المنبعثة من وحدة التجفيف من Vent Stack ومن ثم تكثيفها لتكوين مركب هيدروكاربوني مفيد ، وبعض الماء ، كما يتم الأستفادة من الأبخرة المتبقية كمصدر للوقود لنفس الوحدة.
أن التقنية الجديدة تستخدم مبدأ تكثيف السائل ، وفصل الأطوار ، في حين لا يحتاج الماء الى معالجة ،وتقليل تلوث الهواء الى الحد الأقصى ، ويختلف التصميم الجديد بنصب مضخة جديدة تقلل انبعاث الميثان ، ونصب وحدة لمعالجة انبعاثات Vent Stack ، مع تصميم جديد للمسخنة Reboiler يقلل أستهلاك الغاز وأنبعاثاته.
وعازلة ثلاثية الطور Three-Phase Separator ووحدة لتبريد الكلايكول ويتجسد التعديل الرئيسي في هذا التصميم في وضع منظومة سيطرة على برج Vent Stack حيث يتم تجميع الهيدروكاربونات ومركبات HAPs في ضغط فراغي Vacuum وتكثيفها.
وقد حققت هذه الطريقة نجاحاً كبيراً حيث تم تقليل أنبعاثات HAP الى حوالي 99.74% .ولقد قللت هذه الطريقة من أنبعاثات BTEX الى حد كبير وهي (Benzene – Toluene – Ethyl benzene – Xylene).
لقد تم تجربة هذه التقنية في وحدة تجفيف تعالج 26 مليون قدم مكعب قياسي باليوم شمال غرب برغتون في ولاية كولورادو ، وقد كانت الرطوبة الزائدة الخارجة من برج Vent Stack تُسبب مشاكل مستمرة قبل تطبيق هذه التقنية ، كما أن التحاليل للغازات المنبعثة من برج Vent Stack كانت عبارة عن: اول وثاني اوكسيد الكاربون – الهيدروكاربونات – مركبات BTEX– مركبات HAPs بالاضافة الى الهيكسان.
وقد أستحدثت وكالة البيئة الأمريكية تعريفاً جديداً وهو كفاءة كسر ملوثات الهواء الخطرة HAPs destruction efficiency وهو عبارة عن كمية الملوثات HAPs الداخلة الى المنظومة منقوصاً منها كمية الملوثات HAPs الخارجة من المنظومة مقسوماً على كمية الملوثات HAPs الداخلة الى المنظومة. وقد كانت أغلب هذه الملوثات منبعثة عن الماء المنتج والتسربات Leaks (أن وجدت) والغازات المنبعثة من المسخنة Reboiler ، حيث أن عمود حرق الغازات burner stack قد يحتوي على بعض الملوثات غير المحترقة مما يؤدي الى أنبعاثها الى الى الهواء الجوي ، أما الملوثات الذائبة في الماء فأنها تنبعث منه عند تصريفه.
لقد أستمرت تجربة هذا النموذج لمدة 7 ايام للحصول على المعلومات المطلوبة وتقييم التصميم الجديد ، والتأكد من أن الوحدة تعمل بشكل جيد. وقد تم قياس نسبة الملوثات والميثان بواسطة الكروموتوغرافيك Chromotographic كل 15 دقيقة ، حيث كان معدل الأنبعاث أقل من 0.0016 Ib/hr كما أن نسبة الرطوبة في الغاز الجاف الخارج كانت أقل من 7 Ib/MMscf أي أقل من 7 باوندات لكل مليون قدم مكعب قياسي وهو ضمن المواصفات القياسية للغاز الطبيعي المصدّر ، في حين كانت كمية الغاز المعالج بهذه الوحدة تتراوح بين 26.8 – 29.3 مليون قدم مكعب قياسي.
لقد لوحظ أن هذه المنظومة قامت بحرق كل الهيدروكاربونات غير المتكثفة بدون تصريفها الى الهواء الجوي كما استعملت بعض هذا الغاز في المنظومة. وقد تراوح معدل تدوير الكلايكول gpm 3.0 – 3.77 في حين كانت نسب اوكسيدات النتروجين NOx وأول أوكسيد الكاربون وثاني أوكسيد الكاربون وملوثات الهواء الخطرة HAPs المنبعثة من عمود حرق الغازات في المسخنة كالآتي: 0.0817 – 0.0005 – 111 – 0.0003 باوند/ ساعة على التوالي أما أنبعاثاتها من الوحدة فقد كانت غير محسوسة ، أما كفاءة كسر الملوثات الخطرة HAPs destruction efficiency أكثر من 99.74%.
تقليل أنبعاثات البنزين Benzene Emissions Reduction
قامت الجمعية الكندية لمنتجي النفط Canadian Association of Petroleum Producers بتشكيل مجموعة للعمل على أنبعاثات البنزين من وحدات التجفيف بالكلايكول وإعداد دراسة بهذا الخصوص ، وقد كان الغرض منها أيجاد طريقة فعالة للسيطرة على الأنبعاثات من وحدة التجفيف وخاصة أنبعاثات البنزين وزيادة الوعي بمخاطرها على صحة الأنسان وكيفية تقليل المخاطر الناجمة عن التعرض لهذه الأنبعاثات ، ومن ثم تبني طرق فاعلة للسيطرة على هذه الأنبعاثات.
أن البنزين يكون موجوداً بشكل طبيعي في الغاز ، ويتم أمتصاصه مع مجموعة من الهيدروكاربونات بواسطة الكلايكول في برج التلامس لينبعث بعدها من أعلى برج Vent Stack ويعتمد معدل الأمتصاص على معدل تدفق الكلايكول. وتحاول أغلب الشركات تحسين أداء وحدة التجفيف ولكن هذا قد يؤدي الى زيادة انبعاثات البنزين ، بسبب زيادة نسبة تدوير الكلايكول أو زيادة استخدام غاز النزع Stripping Gas .
أن أهم العوامل المؤثرة على أنبعاث البنزين هي:
– نسبة وجود البنزين في الغاز الطبيعي الداخل : حيث يكون موجود في بعض الأحيان (وليس في جميع الأحيان) في الغاز الطبيعي وتعتمد كمية البنزين الذي يتم أمتصاصه من الغاز الطبيعي على تركيز البنزين في الغاز الطبيعي الداخل.
– معدل تدوير الكلايكول Glycol Circulation Rate: حيث تكون كمية البنزين الذي يتم أمتصاصه متناسبة مع معدل تدوير الكلايكول.
– درجة حرارة برج الأمتصاص Absorber Temperature : أن درجة حرارة برج الأمتصاص تتأثر بشكل كبير بحرارة الكلايكول الداخل ، حيث أن زيادة درجة الحرارة تؤدي الى زيادة نسبة بخار الماء وزيادة تطاير البنزين مما يؤدي الى تقليل كفاءة أمتصاص البنزين في الكلايكول.
– ضغط برج الأمتصاص Absorber Pressure : ويتم تحديدها بواسطة ضغط الغاز الداخل ، وبزيادة ضغط برج الأمتصاص تزيد كمية البنزين الذي يمتصه الكلايكول.
– معدل تدفق الغاز Gas flow rate : تتأثر كمية البنزين الذي يتم أمتصاصه بواسطة الكلايكول بمعدل تدفق الغاز ، ولكن هذا العامل ليس له نفس تأثير العوامل التي تم ذكرها.
كيفية تقليل أنبعاثات البنزين :
أن طريقة التفكير الهندسي الأستباقي في تصميم وحدات التجفيف هو الشيء الأكثر تأثيراً في تقليل أنبعاثات البنزين ، حيث يجب أخذ الأمور التالية بنظر الأعتبار عند التصميم:
– معدل تدوير الكلايكول ، وتركيزه ونقاوته.
– درجة حرارة برج الأمتصاص.
– وجود وحدات سيطرة على الأنبعاثات.
الخطوات العملية تقليل أنبعاثات البنزين :
1. معدل تدوير الكلايكول:
وهو من أكثر العوامل تأثيراً على كمية البنزين التي تم أمتصاصها ، لذا يجب الحفاظ على معدل تدوير للكلايكول يضمن تجفيفاً جيداً ولا يزيد عن المعدلات المطلوبة كي لا تزيد كمية البنزين الذي يتم أمتصاصه. أو بأختصار أستخدام الحد الأدنى المقبول.
2. درجة حرارة برج الأمتصاص :
حيث يزيد أمتصاص البنزين في الضغوط العالية لبرج الأمتصاص ودرجات الحرارة الواطئة لنفس البرج ، لذا يتوجب ضبط ضغط برج لتلامس لتقليل أنبعاثات البنزين بالشكل الذي يضمن استمرار عملية التجفيف وتقليل انبعاثات البنزين الى الحد الأدنى.
أما درجة حرارة برج الأمتصاص ضبطها من خلال السيطرة على درجة حرارة الكلايكول المشبع ( في المبادل الحراري على سبيل المثال) أو من خلال ضبط درجة حرارة الغاز الداخل اليه من خلال نصب وحدات لتسخين الغاز قبل التجفيف (ملاحظة: في محطات الكبس لن تكون هناك حاجة الى تسخين الغاز حيث أنه يكون بدرجة حرارة عالية بعد خروجه من الكابسة).
3. عدد صواني برج الأمتصاص Absorber Trays :
حيث يزيد أمتصاص البنزين بزيادة عدد الصواني في برج الأمتصاص أو ارتفاع الحشوة (في أبراج الأمتصاص ذات الحشوة Packing Absorbers).
4. درجة حرارة المسخنة Reboiler Temperature :
أن الغاية الأساسية من المسخنة هو لزيادة كفاءة الأمتصاص. أن درجة الحرارة المثالية للمسخنة هي ما يساعد على زيادة تركيز الكلايكول ، أن التغييرات في درجة حرارة المسخنة (صعوداً أو نزولاً) عن درجة الحرارة المثالية قد يجعل من عملية التجفيف عملية غير كفوءة ، حيث أن درجات الحرارة الأعلى يؤدي الى تجفيف كاف لكنه قد يؤدي الى فقدان الكلايكول ، وزيادة في أستهلاك غاز الوقود.
أما عندما تكون درجات الحرارة أوطأ من درجة الحرارة المثالية فذلك سيؤدي الى قلة كفاءة عملية أمتصاص الماء وقد يدفع المشغل الى زيادة معدل تدوير الكلايكول.
5. غاز النزع Stripping Gas :
وهو عبارة عن غاز وقود جاف يتم حقنه في جزء النزع من المسخنة ، وذلك لأعادة تنشيط الكلايكول عالي التركيز ، ويجب أن تكون معدلات مناسبة لهذا الغاز لأن الكميات الزائدة منه سوف تذهب الى الجو على أية حال. لذا فالدراسة توصي بتقليل غاز النزع الى الحد الأدنى.
6. خزان Flash Tank:
والغاية منه إزالة الغاز الذائب من الكلايكول المشبع وتحسين عملية إعادة تركيز الكلايكول ، وهو يزيد من فاعلية وحدات التكثيف في السيطرة على أنبعاثات البنزين.
7. أمور أخرى:
أن أضافة الحشوة أو المزيد من الصواني Trays الى برج الأمتصاص يزيد كفاءة عملية التجفيف وتقليل نقطة الندى Dew Point . أن الملوثات الموجودة في النفط والغاز مثل الماء المنتج ، الزيوت Lubricants ، المواد الكيمياوية التي يتم إضافتها الى النفط والغاز oil well chemicals ، والصدأ قد تُقلل كفاءة الكلايكول في أمتصاص الماء. أما الهيدروكاربونات الأثقل فأنها تزيد قابلية الكلايكول على أمتصاص البنزين، مما يؤدي الى تقليل كفاءة العملية ، لذلك يمكن زيادة الكفاءة من خلال نصب مرشحات معينة Filters قبل وحدة التجفيف.
كما أن لضغط برج الأمتصاص دوراً كبيراً في هذا الموضوع ، حيث أن ذوبانية البنزين Benzene Solubility تزيد بزيادة الضغط ، أما الغاز الذي يكون بضغط عال فتكون له قابلية محدودة لحمل الماء مما يساعد على تقليل تدفق الكلايكول .
معدات السيطرة على الأنبعاثات:
حيث يتوجب إضافة مجموعة من المعدات لتقليل هذه الأنبعاثات ، أو الحد منها ، ومن هذه المعدات:
1. المكثفات Condensers :
وتقوم بتقليل درجة حرارة الغازات التي يتم تصريفها من Vent Stack ، ليتم بعدها تجميع هذه السوائل لغرض معالجتها أو تصريفها ، وأهم أنواع المكثفات هي التي مكثفات التبريد بالهواء – مكثفات التبريد بالماء – مكثفات التبريد بالغاز ، ومكثفات التبريد بالماء يقل أستخدامها في المناطق الباردة بسبب مشاكل الأنجماد ، وهناك تقنية لتوجيه الغازات المنبعثة من Still Column الى خزان أرضي أو تحت باطن الأرض لغرض تبريده وخاصة ً في المناطق الباردة حيث تكون لحرارة الجو المنخفضة عاملاً مساعداً للتبريد ، ويمكن بعدها إعادة توجيه الخارج من الخزان الى المشاعل flares أو المحارق Incinerators .
2. الطرق الحرارية :
وتتضمن منظومات المشاعل flares system أو المحارق Incinerators ولكلا المنظومتين دور فاعل في السيطرة على أنبعاثات البنزين ، ولكن هذه المنظومات كانت منصوبة أصلاً للسيطرة على أنبعاثات كبريتيد الهيدروجين.
المشاعل :
ويتضمن تجميع كافة الغازات والأبخرة الى خزان حيث يتم تجميع السوائل المتكثفة وتصريفها ، أما الغازات المنبعثة من الخزان فيتم حرقها في مشعل الضغط الواطيء LP flare . ويجب أن يتم نصب كابح اللهب Flame Arrestor لمنع رجوع اللهب الى المنظومة. ويمكن للمشاعل أن تقوم بتدمير مركبات BTEX من خلال حرقها ، كما تم تصميم مشاعل حديثة لغرض ضمان الأحتراق الكامل لهذه المركبات .
المحارق Incinerators :
يمكن نصب محرقة قبل المكثفات ، حيث أن الحرق بدرجات حرارة عالية يؤدي الى حرق كامل يصل الى أكثر من 99% لهذه المركبات. أن موقع وأرتفاع المحرقة يجب أن يكون مبنياً على متطلبات وأسس السلامة ومراعاة محددات تراكيز الغازات السامة ، كما يجب أخذ غاز الوقود بنظر الأعتبار أثناء التفكير بأعتبارات الكلفة عند نصب هذه المحارق.
معالجة المخلفات:
مرشحات الكلايكول Glycol Filters:
هناك نوعان أساسيان من المرشحات هما: مرشحة الكاربون المنشط Activated carbon filters ومرشحة wet filter ، أن مخلفات هذه المرشحات تعتبر خطرة جداً بسبب قابليتها على الأحتراق أو الأشتعال.
مخلفات الكلايكول :
يمكن أن يصبح الكلايكول ملوثاً بالكلوريدات بشكل خاص مما يفقده كفاءته في أمتصاص الماء، ولا تعتبر مخلفات الكلايكول خطرة إلا إذا كانت نقطة الوميض أقل من 61°C ، أن مخلفات الكلايكول لا يجب تصريفها الى الهواء الجوي أو الى المحيط.
المكثفات Condensates :
هناك مصدران للمكثفات (الماء والهيدروكاربونات) ، ومن ثم وحدات التجفيف التي تنتج مزيج (الماء – الكلايكول – الهيدروكاربون) من الأبخرة المتكثفة. ويتوجب فصل هذه المكثفات بواسطة عازلات.ويمكن حقن هذه المكثفات في أحد الابار أو اي من طرق التصريف الأخرى ، أن معرفة حجم ونوعية المكثفات يمكن أن يساعد في أختيار الطريقة ذات الجدوى الأقتصادية.
Resources:
1. Oil & Gas Journal .
2. Canadian Association of Petroleum Producers and Canadian Gas Association, A Management Strategy for Air Emissions from Glycol Dehydrators.
