煤層氣集氣站過濾裝置濾芯性能試驗(yàn)及優(yōu)化

杜曉冬，王景悅，王仙之，郭簡，趙磊，屈麗彬

中國石油華北油田山西煤層氣分公司，山西晉城048000

煤層氣集氣站過濾裝置濾芯性能試驗(yàn)及優(yōu)化

杜曉冬，王景悅，王仙之，郭簡，趙磊，屈麗彬

中國石油華北油田山西煤層氣分公司，山西晉城048000

在煤層氣集輸過程中，需在集氣站設(shè)置組合式過濾裝置，以便對粉煤灰顆粒進(jìn)行過濾，因此需對過濾裝置常用幾種濾芯的過濾精度和效率進(jìn)行評價(jià)，以優(yōu)化濾芯的使用方式。文章介紹了對聚酯纖維濾芯、復(fù)合膜濾芯、高鎳濾芯進(jìn)行現(xiàn)場及試驗(yàn)室試驗(yàn)的結(jié)果，得到了三類濾芯在現(xiàn)場使用中的過濾效率、壓降數(shù)據(jù)以及三類濾芯未使用時(shí)的試驗(yàn)室初始壓降數(shù)據(jù)，對比分析了濾芯的過濾效率，并提出了濾芯現(xiàn)場使用的一些建議。

煤層氣；集輸；粉煤灰；濾芯；過濾效率；評價(jià)

0 引言

在煤層氣集輸過程中，由于原料氣常含有較多顆粒微小的粉煤灰，這給壓縮機(jī)、閥門、儀表等現(xiàn)場儀器、設(shè)備造成許多不利影響，因此在集氣站設(shè)置了專門針對粉煤灰的組合式過濾裝置。決定組合式過濾裝置過濾效果的核心零件是濾芯，目前采用的濾芯主要有聚酯纖維濾芯和復(fù)合膜濾芯，它們的應(yīng)用效果都較好。但實(shí)際工程中，在過濾分離裝置后的管道中仍然發(fā)現(xiàn)有大粒徑的煤粉，為了評價(jià)專門針對粉煤灰的組合式過濾裝置的過濾效果，開展了濾芯性能測試試驗(yàn)，對幾種常用濾芯的過濾精度和效率進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，以便對濾芯的使用方式進(jìn)行優(yōu)化，這對保證集氣站各設(shè)備的正常運(yùn)行有重要意義。

1 濾芯特點(diǎn)及試驗(yàn)原理

1.1 濾芯特點(diǎn)

此次試驗(yàn)的三種濾芯分別是：老式聚酯纖維濾芯、復(fù)合膜濾芯、高鎳濾芯。其中老式聚酯纖維和復(fù)合膜濾芯都是非金屬濾芯，高鎳濾芯屬于金屬濾芯，其表面進(jìn)行了鍍鎳處理。其中非金屬濾芯成本較低，過濾效果較理想，一直以來在各大行業(yè)都得到了廣泛的應(yīng)用；金屬濾芯表面鍍鎳可以有效防腐，而煤層氣除了含有大量煤粉灰、水蒸氣之外還常含有腐蝕性氣體，且過濾孔徑固定，所以高鎳濾芯也是不錯(cuò)的選擇。

1.2 試驗(yàn)裝置及原理現(xiàn)場測試主要采用自行研制的氣溶膠在線顆粒粒徑譜儀，該類型儀器采用光散射原理實(shí)現(xiàn)對顆粒物濃度與粒徑分布的測量，歐洲各國過濾介質(zhì)與分離設(shè)備性能的檢測廣泛應(yīng)用該原理。該儀器能夠?qū)崿F(xiàn)在線數(shù)據(jù)采集與分析，可設(shè)定采樣次數(shù)、采樣時(shí)間、采樣間隔、采樣體積單元大小以及樣品密度等參數(shù)，可進(jìn)行單獨(dú)的測定試驗(yàn)，也可以進(jìn)行連續(xù)的試驗(yàn)。在測定完成后，可對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出質(zhì)量分?jǐn)?shù)、體積分?jǐn)?shù)、分級效率以及相對數(shù)量、體積、質(zhì)量的中位粒徑等數(shù)據(jù)。

在線監(jiān)測的流程見圖1?，F(xiàn)場測試時(shí)將氣溶膠在線顆粒粒徑譜儀分別連接至粉塵過濾器進(jìn)出口壓力表放空口處，試驗(yàn)室檢測時(shí)則將其連接至伸入取樣管道中的采樣嘴，以保證等速取樣，確保取到具有代表性的顆粒物樣品。

圖1 粉塵在線檢測流程示意

具體在線檢測操作是從壓力表口引入待測氣體，緩慢開啟球閥1、2，將質(zhì)量流量設(shè)置為在線檢測儀器所需狀態(tài)，啟動氣溶膠粒徑譜儀進(jìn)行連續(xù)采樣。

1.4 檢測指標(biāo)

測試濾芯的性能一般包括濾芯的壓降、濾前濾后的粒徑變化、以及過濾效率等指標(biāo)。在現(xiàn)場實(shí)際中常用某個(gè)粒徑的顆粒累積效率來衡量濾芯的過濾能力，即是指過濾器對大于等于該粒徑的所有顆粒的過濾效率，其計(jì)算公式為：

式中η——累積過濾效率；

∑dFe（x）、∑dFf（x）——進(jìn)口、出口處大于等于該相應(yīng)粒徑x的體積分布的累積值；

Ce、Cf——進(jìn)口、出口處相應(yīng)粒徑的體積分?jǐn)?shù)。

然而大部分觀眾之所以配合節(jié)慶權(quán)力運(yùn)作，正體現(xiàn)了菲律賓鄉(xiāng)村社會運(yùn)作對資本集聚的倚賴程度。節(jié)慶中你來我往的儀式性配合，恰恰是拉德克利夫-布朗（A.R. Radcliffe-Brown）所說的“社會直接或間接作用于個(gè)人的道德力量”［13］241，在道德力量對個(gè)人的作用下，節(jié)慶儀式在個(gè)人的大腦中形成了一個(gè)有組織的情感傾向體系并維持該體系的存在；為了維持社會凝聚力的目的，人們根據(jù)需要來改變、合并這些本能傾向，使社會生活成為可能。

2 現(xiàn)場試驗(yàn)

取樊9站內(nèi)使用的老式聚酯纖維濾芯、高鎳濾芯、復(fù)合膜濾芯的過濾器同時(shí)進(jìn)行測試。現(xiàn)場測試選取站內(nèi)2號和3號兩組粉塵過濾裝置的4臺過濾分離器進(jìn)行測試。在進(jìn)出口管道壓力表放空口處分別安裝在線測試儀器，測試這4個(gè)過濾器的濾前、濾后固體粉塵含量（濃度和粒徑）。上述試驗(yàn)中每天的測試時(shí)間均為6 h，一共測試5 d。現(xiàn)場工況是輸氣量約22 300 Nm3/h，溫度約10.3℃，壓力約0.05 MPa，濾芯表觀氣速約0.35 m/s。

現(xiàn)場過濾器壓降數(shù)據(jù)見表1，從表1中可以看出，輸氣量降低以后，各過濾器的壓降明顯低于第3天所測得的值。而在不改變輸氣量的情況下，過濾器壓降是隨著運(yùn)行時(shí)間的延長而逐漸上升的。

表1 現(xiàn)場過濾器壓降數(shù)據(jù)/kPa

現(xiàn)場測試5 d的累積效率數(shù)據(jù)曲線見圖2，從圖2可以看出，就過濾器對10 μm以上顆粒的累積過濾效率而言，在現(xiàn)場測試的時(shí)間段內(nèi)，3號過濾裝置的2臺過濾器的累積過濾效率一直保持在100%，而2號過濾裝置的2臺過濾器的累積過濾效率均出現(xiàn)過低于100%的情況。

圖2 測試5天的過濾器濾芯累積效率曲線

過濾器入口濃度測試表明，過濾器進(jìn)口的粉塵質(zhì)量濃度處于較低的水平（在0.23~10.14 mg/m3范圍內(nèi)波動），因此，現(xiàn)場測試的5天內(nèi)，過濾器的壓降增長不明顯。

3 試驗(yàn)室試驗(yàn)

在試驗(yàn)室測試時(shí)，共用了9根濾芯（未使用過的老式聚酯纖維濾芯、高鎳濾芯及復(fù)合膜濾芯各1根，使用過的上述三種濾芯各2根）來對新舊濾芯的氣固性能進(jìn)行測定。

根據(jù)現(xiàn)場工況及試驗(yàn)室能承受的最大氣速，調(diào)整試驗(yàn)室的操作參數(shù)為：管路氣流量為127 m3/h，濾管表觀氣速0.15 m/s，入口粉塵質(zhì)量濃度1 g/m3，氣體溫度5.6℃，相對濕度24.5%，檢測用粉塵為800目滑石粉，質(zhì)量中位粒徑為6.5 μm，粒徑測量區(qū)間0.5～25 μ m。

試驗(yàn)室試驗(yàn)對新濾芯（未使用過的）進(jìn)行了初始壓降測試，測試結(jié)果見圖3。

圖3 新濾芯初始壓降曲線

從圖3可以看出，隨著流量的增加，高鎳濾芯的初始壓降最大，復(fù)合膜濾芯略小于高鎳濾芯，老式聚酯纖維濾芯的初始壓降最低。

試驗(yàn)室試驗(yàn)對新濾芯及舊濾芯分別進(jìn)行了效率測試，其結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 新濾芯效率對比

圖5 舊濾芯效率對比

從圖4、圖5的數(shù)據(jù)可以看出，老式聚酯纖維濾芯的效率優(yōu)于復(fù)合膜濾芯，高鎳濾芯略次之，但它們之間的差別較小。整體來說三種濾芯對3 μm、5μm、10 μm及以上粒徑顆粒的累積過濾效率都能達(dá)到99.96%以上，都是高過濾效率的濾芯。

4 結(jié)論及建議

通過現(xiàn)場與試驗(yàn)室的試驗(yàn)，我們得到如下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）從現(xiàn)場測定得到的老式聚酯纖維、復(fù)合膜、高鎳三種濾芯累積過濾效率曲線及數(shù)據(jù)可以看出，濾芯出口處均有不同程度的大顆粒穿透現(xiàn)象。

（2）通過試驗(yàn)室測試對比了三種新濾芯的初始壓降，發(fā)現(xiàn)高鎳濾芯的初始壓降最高，復(fù)合膜濾芯次之，老式聚酯纖維濾芯的壓降最低。

（3）試驗(yàn)室測定的三種濾芯對于3、5、10 μm粒徑顆粒的累積過濾效率都能達(dá)到99.96%以上。

（4）根據(jù)現(xiàn)場輸氣量、濾芯尺寸及數(shù)量可以計(jì)算出現(xiàn)場濾芯的過濾表觀氣速可達(dá)21 m/m in（0.35 m/s），而工業(yè)中常用的氣固過濾所采用的表觀氣速一般不超過2.5 m/m in，過高的表觀氣速會導(dǎo)致壓降上升過快，并且也會造成顆粒的穿透。

（5）應(yīng)充分考慮集氣站輸氣量和濾芯所能承受的最大過濾氣速，以確定過濾分離裝置濾芯的型號和根數(shù)。建議過濾裝置的結(jié)構(gòu)采用臥式，過濾方式采用外進(jìn)內(nèi)出的方式可減少大顆粒穿透的情況。

（6）濾芯的面積越大，能過濾的粉煤灰越多。在選用濾芯時(shí)可考慮采用皺褶結(jié)構(gòu)的濾芯，以提高過濾效果，降低壓降上升的速率。

[1]GB/T 6165-2008，高效空氣過濾器性能試驗(yàn)方法[S].

[2]ASHRAE 52.2-2007，Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Rem oval Efficiency by Particle Size[S].

[3]BS EN 1822-5-2009，High efficiency air filters（EPA，HEPA and ULPA）Part 5:Determ ining the efficiency of filter elements[S].

Performance Test and Optimization of Filter Cartridge at CBM Booster Station

DuXiaodong，Wang J ingyue，Wang Xianzhi，Guo J ian，Zhao Lei，QuLibin
ShanxiCBM Branchof PetroChina HuabeiOilfield Company，J incheng 048000，China

Based onthe laboratory test and field test of three kinds of filtercartridges used at a CBM boosterstation，i.e. polyester，composite membrane and high content of nickel，the efficiency and pressure drop data of these filter cartridges for field use are obtained.Also，the initial pressure drop data without these filter cartridges from laboratory test are got.The filtration efficiencies of the filter cartridges are compared and analyzed.At last，suggestions about filtercartridges applicationinfield are put forward.

CBM；gathering and transportation；fly ash；filtercartridge；filtrationefficiency；evaluation

國家科技重大專項(xiàng)“山西沁水盆地煤層氣水平井開發(fā)示范工程”（2011ZX05061）；中國石油天然氣股份有限公司科技重大專項(xiàng)“煤層氣勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)研究與示范工程”（2010E-2206）

10.3969/j.issn.1001-2206.2015.03.015

杜曉冬（1972-），女，河北唐山人，工程師，1995年畢業(yè)于西南石油學(xué)院檢測技術(shù)與儀器專業(yè)，現(xiàn)從事煤層氣田地面工程及集輸工作。

2014-12-05；

2015-03-30