天然氣聚結(jié)濾芯氣液分離性能研究

張昱威，李方俊

（北京化工大學(xué), 北京 100029）

天然氣聚結(jié)濾芯氣液分離性能研究

張昱威，李方俊

（北京化工大學(xué), 北京 100029）

隨著天然氣的廣泛應(yīng)用，提高天然氣的氣體品質(zhì)就顯得尤為重要。主要研究天然氣氣液過(guò)濾分離。介紹了天然氣生產(chǎn)和管輸過(guò)程中主要的氣液分離設(shè)備，其中聚結(jié)分離器的分離效率的高低主要取決于過(guò)濾元件即聚結(jié)濾芯的聚結(jié)作用的好壞，并對(duì)國(guó)內(nèi)自主生產(chǎn)的濾芯與國(guó)外成熟技術(shù)研發(fā)的濾芯進(jìn)行比較，對(duì)國(guó)內(nèi)外濾芯的性能和效率優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)分析研究，以便國(guó)內(nèi)可以自主生產(chǎn)更適合的濾芯。研究表明國(guó)產(chǎn)濾芯的壓降性能要落后于國(guó)外濾芯，而在過(guò)濾效率方面則具有優(yōu)勢(shì)，所以需要根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的濾芯。

天然氣凈化；氣液分離；聚結(jié)分離器；濾芯性能測(cè)試

從氣井井場(chǎng)、集氣站或凈化廠輸出的天然氣，可能攜帶有泥沙、碎石、銹塊、氣田水、凝析液、凈化劑溶劑等固體顆粒物或液體液滴雜質(zhì)，這些雜質(zhì)如不及時(shí)除掉，會(huì)對(duì)采氣、輸氣、脫硫和天然氣用戶帶來(lái)很大的危害，影響生產(chǎn)的正常運(yùn)行[1]。其主要危害有以下幾方面：天然氣中的固體顆粒污染物不僅會(huì)增加管道阻力，降低輸氣管道的氣質(zhì)，還會(huì)對(duì)金屬產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖蝕，導(dǎo)致管線破裂，同時(shí)影響設(shè)備、閥門和儀表的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，使壓縮機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)的葉片磨損加速、使用壽命縮短。液態(tài)水與烴類等組分在溫度降低時(shí)易凝結(jié)，將限制管線中天然氣的流動(dòng)，降低輸氣量，嚴(yán)重時(shí)會(huì)形成冰堵。而且液相水與二氧化碳或硫化氫相混合即生成具有腐蝕性的酸，對(duì)金屬造成腐蝕，會(huì)使管壁厚度大面積減薄或產(chǎn)生局部坑蝕，對(duì)設(shè)備造成腐蝕和開(kāi)裂[2-4]。因此將天然氣中夾帶的固體顆粒物和液滴分離出來(lái)，提高天然氣的氣質(zhì)就顯得尤為重要。

目前國(guó)內(nèi)外研究者將研究重點(diǎn)主要在對(duì)固體顆粒物的過(guò)濾分離研究，但對(duì)氣液過(guò)濾分離的研究較少，大部分僅停留在分離器的結(jié)構(gòu)以及過(guò)濾機(jī)理。李逵[5]對(duì)大型天然氣過(guò)濾工藝和裝置的應(yīng)用進(jìn)行了概述提出了一些建議和改進(jìn)的思路。對(duì)于氣液分離過(guò)濾器的效率和壓降問(wèn)題，還需要做更多的研究。

1 氣/液分離設(shè)備比較

天然氣生產(chǎn)和管輸過(guò)程中主要的氣液分離設(shè)備有:旋風(fēng)分離器、絲網(wǎng)氣液分離器、高效聚結(jié)過(guò)濾分離器。各類過(guò)濾分離過(guò)濾機(jī)理和過(guò)濾效率比較如表1。

表1 氣液分離設(shè)備機(jī)理和過(guò)濾效率Table 1 Principle and efficiency of liquid/gas separator

1.1 旋風(fēng)分離器

旋風(fēng)分離器是利用氣體在分離器內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生離心力將液滴從氣流中分離出來(lái)，分離出的液滴匯集在設(shè)備內(nèi)表面靠重力排出。主要用于分離掉天然氣中大部分大于10μm的顆粒物質(zhì)。旋風(fēng)分離器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、分離效率較好和阻力低不易堵塞等優(yōu)點(diǎn)，特別適合于高溫、高壓和有腐蝕的工況下使用。但是旋風(fēng)分離器對(duì)小于 10μm的液滴過(guò)濾效果并不理想，同時(shí)過(guò)濾效率受氣體流量影響顯著，當(dāng)流量較小時(shí)，分離效率顯著下降[6]。

1.2 絲網(wǎng)氣液分離器

絲網(wǎng)氣液分離器，也叫除沫網(wǎng)。用細(xì)金屬絲或其他材料制作成絲網(wǎng)層，通常安裝在立式設(shè)備的頂部。當(dāng)含液氣體通過(guò)除沫網(wǎng)時(shí)，濾層絲網(wǎng)網(wǎng)格阻礙氣流前進(jìn)，使氣流在繞過(guò)絲網(wǎng)時(shí)不斷的改變運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向，而液滴則由于慣性沖擊、攔截、布朗擴(kuò)散、靜電吸附等作用被攔截到纖維或除沫網(wǎng)表面，同其他液滴聚結(jié)成大液滴，最后由于重力作用集留于容器底部。絲網(wǎng)氣液分離器的優(yōu)點(diǎn)是可以有效分離大于5μm的液滴，攔截液滴的表面積也比擋板式分離器更大，而且對(duì)于含液量較高的氣體過(guò)濾分離效果好，精度較高且設(shè)備成本低。主要缺點(diǎn)也過(guò)濾效率是受氣體流量影響，當(dāng)流量減小時(shí)，分離效率會(huì)下降，當(dāng)流量過(guò)大時(shí)，則由于被捕集的液滴又被湍流的氣流夾帶返回到二相混合流中[7]。

1.3 氣液聚結(jié)分離器

氣液聚結(jié)分離器通常為立式結(jié)構(gòu)，分為上下兩部分。氣體先從進(jìn)氣口進(jìn)入下部的一級(jí)旋風(fēng)分離，經(jīng)過(guò)沉降分離作用過(guò)濾出氣體中夾帶的大于300μ m的大液滴，然后向上通過(guò)管板進(jìn)到上部二級(jí)聚結(jié)區(qū)。氣體從聚結(jié)濾芯內(nèi)部流向外部后從頂部的出氣口排出。聚結(jié)濾芯為多層結(jié)構(gòu)，最里層為不銹鋼內(nèi)骨架支撐層，中間層是多褶的玻璃纖維聚結(jié)層，聚結(jié)層的是由濾孔直徑逐漸變大的多層玻璃纖維組成。外部是排液層，最外部通常還有外骨架，以滿足聚結(jié)濾芯強(qiáng)度上的要求。

氣液聚結(jié)濾芯具有更高的去除液滴效率。0.3 μm液滴累積效率99.8%以上；1μm液滴累積效率99.99%。直接攔截和慣性碰撞攔截不同，是利用微孔攔截氣流中的液滴。所以聚結(jié)過(guò)濾分離器在氣體流量減小時(shí)，分離效率會(huì)升高，而且其過(guò)濾精度高、分離效果最好、設(shè)備成本也較低，占地面積小，是去除天然氣中夾帶液滴的較好選擇，在西二線中應(yīng)用較為普遍。

氣液聚結(jié)分離器的氣液分離效率的高低主要取決于過(guò)濾元件即聚結(jié)濾芯的聚結(jié)作用的好壞。進(jìn)口濾芯生產(chǎn)工藝較為先進(jìn)，所以分離精度和效率都較高，但是價(jià)格成本相應(yīng)較高。所以為了解決輸送管線運(yùn)行成本高的問(wèn)題，各大天然氣運(yùn)輸管線上都嘗試采用了國(guó)內(nèi)研發(fā)生產(chǎn)的濾芯。因此對(duì)國(guó)產(chǎn)濾芯和進(jìn)口濾芯的性能檢測(cè)及對(duì)比就顯得尤為重要。影響濾芯性能的參數(shù)有很多，其中最重要的便是效率和阻力。效率關(guān)系到能否滿足使用要求，阻力則關(guān)系到設(shè)備配備的費(fèi)用，高效率和低壓降是濾芯追求的目標(biāo)。筆者選擇兩支國(guó)內(nèi)某廠家生產(chǎn)的天然氣濾芯與國(guó)外廠家生產(chǎn)的天然氣濾芯分別進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)研究了國(guó)產(chǎn)濾芯和國(guó)外濾芯在初始?jí)航怠庖哼^(guò)濾過(guò)程壓降和氣液過(guò)濾穩(wěn)態(tài)過(guò)濾效率方面的不同及優(yōu)缺點(diǎn)。

2 氣液分離濾芯性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置和方法

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置由測(cè)試用分離器（內(nèi)裝測(cè)試濾芯）、風(fēng)道系統(tǒng)、液滴發(fā)生器、液滴取樣與檢測(cè)裝置組成如1所示。

用液滴發(fā)生器發(fā)生滿足測(cè)試要求的液滴。用清潔的壓縮空氣將液滴噴射入濾芯檢測(cè)系統(tǒng)的上游，并保證液滴到達(dá)濾芯檢測(cè)系統(tǒng)上游的取樣口前分布均勻。使用采樣裝置對(duì)被測(cè)濾芯上游、下游的液滴分別取樣，再利用光學(xué)粒子計(jì)數(shù)器測(cè)量液滴的濃度和粒徑分布，進(jìn)而計(jì)算出被測(cè)濾芯的過(guò)濾效率。測(cè)量上游液滴濃度時(shí)，大多數(shù)情況下采樣空氣必須經(jīng)過(guò)稀釋，稀釋是為了降低上游濃度過(guò)高造成光學(xué)粒子技術(shù)的重合誤差，采樣空氣的稀釋可通過(guò)稀釋器實(shí)現(xiàn)。

風(fēng)道系統(tǒng)采用離心式風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)吸風(fēng)負(fù)壓操作，整個(gè)風(fēng)道系統(tǒng)要求嚴(yán)密。風(fēng)道的內(nèi)壁應(yīng)平整光滑，無(wú)銹蝕。采樣管道內(nèi)的風(fēng)速應(yīng)不小于2 m/s。液滴發(fā)生裝置發(fā)生的介質(zhì)為癸二酸二辛脂(DOS),這種介質(zhì)在室溫下基本不會(huì)發(fā)，保證測(cè)試的準(zhǔn)確性。風(fēng)速及風(fēng)量的測(cè)量通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)皮托管和微型壓差計(jì)結(jié)合來(lái)確定，采用U型壓力計(jì)測(cè)量濾芯內(nèi)外壓差，精度為10 Pa[8]。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)中B12、B24分別為兩支國(guó)產(chǎn)天然氣聚結(jié)濾芯，外徑為114 mm，有效過(guò)濾長(zhǎng)度為890 mm。檢測(cè)使用液體為癸二酸二辛脂（DOS），霧化液滴加液量為3.2 L/h,風(fēng)機(jī)抽風(fēng)量為86.5 m3/h,環(huán)境溫度12℃，濕度45%RH，壓力為大氣壓力。

圖2是三支天然氣聚結(jié)濾芯B12、B24和Perry的初始?jí)航蹬c表觀氣速的對(duì)應(yīng)關(guān)系。由圖中可以看出，表觀氣速在0.06～0.16 m/s的范圍，三支濾芯的壓降與表觀氣速呈線性關(guān)系。B24的初始?jí)航底畹?，B12的最高，進(jìn)口濾芯 Perry介于兩者之間，說(shuō)明B12濾芯比較厚，孔隙率較小，濾芯壓差較大。

圖1 氣液分離性能測(cè)試裝置圖Fig.1 The gas-liquid separation performance testing device

在天然氣聚結(jié)濾芯氣液分離過(guò)程中，隨著過(guò)濾聚結(jié)過(guò)程的發(fā)生，濾芯的壓降會(huì)不斷增加。圖3是B12、B24、Perry三支濾芯的過(guò)濾過(guò)程壓降與測(cè)試時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。由圖可知，三支濾芯的壓降最終都達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)。

圖2 濾芯初始?jí)航礔ig.2 Initial pressure drop of filter candle

國(guó)產(chǎn)濾芯B12、B24的壓降變化過(guò)程基本相似，大致變化可以劃分為四個(gè)階段，初始階段、碰撞聚結(jié)階段、穩(wěn)態(tài)聚結(jié)階段。初始階段，濾芯的壓降變化較小，主要是由于小液滴在聚結(jié)層表面被攔截并附著在纖維表面，少量的液滴沒(méi)有造成濾芯孔隙率的明顯改變，對(duì)氣流的阻礙作用較小，所以壓降變化較平緩。隨著過(guò)濾聚結(jié)作用的發(fā)生，達(dá)到碰撞聚結(jié)階段。

圖3 濾芯過(guò)濾過(guò)程壓降Fig.3 Pressure drop of filtration of filter candle

從圖中可以看出壓降在碰撞聚結(jié)階段有一個(gè)較為顯著的上升過(guò)程，這主要是由于，隨著氣液兩相流的向前流動(dòng)，小液滴被帶到纖維的深層，并且在纖維表面不斷發(fā)生碰撞并聚結(jié)成大液滴，使纖維上附著的液滴不斷增多、增大，導(dǎo)致纖維直徑增大，濾芯的空隙率不斷變小，因此壓降急速上升。隨著過(guò)濾聚結(jié)過(guò)程的不斷發(fā)生，過(guò)濾達(dá)到穩(wěn)定聚結(jié)階段，此時(shí)有液體從濾芯中排出，濾芯所捕集的液滴量與從濾芯中排出的液體量達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的階段，濾芯內(nèi)部的持液量為定值，此時(shí)濾芯的壓降也隨時(shí)間基本保持不變。而國(guó)外Perry濾芯的壓降變化較為平緩，不存在明顯的壓降上升階段。由圖可以看出國(guó)產(chǎn)濾芯B12、B24的排液效果不佳，液體堵塞孔隙現(xiàn)象較嚴(yán)重，造成濾芯阻力較高，所以濾芯壓降上升較快，穩(wěn)態(tài)壓降較初始?jí)航迪啾让黠@增加。而進(jìn)口Perry濾芯孔隙率較大，排液效果較好，液體在濾芯內(nèi)部并沒(méi)有明顯堵塞孔隙，壓降的變化也比較平緩，并不存在明顯的壓降上升階段，而且總體壓降增加幅度較小，穩(wěn)態(tài)壓降較初始?jí)航迪啾炔o(wú)明顯增加。

圖4是B12、B24、Perry三支濾芯的累積效率與粒徑間的關(guān)系。

圖4 濾芯累積效率Fig.4 Cumulative efficiency of filter candle

由圖4可知，B12、B24的累積效率基本一樣，對(duì)2μm以上液滴，累積效率可以達(dá)到99.999%以上，而且對(duì)于0.3～2μm區(qū)間內(nèi)的較小粒徑的液滴，聚結(jié)分離效率比較理想，累積效率也達(dá)到了99.5%以上。而進(jìn)口濾芯Perry雖然對(duì)2μm以上液滴，累積效率也達(dá)到99.999%也上，但是對(duì)于較小微粒的液滴，過(guò)濾效果并不理想，對(duì)于3μm的液滴累積效率只達(dá)到了70%。

3 結(jié)論與建議

本文介紹了各類天然氣氣液分離設(shè)備的機(jī)理和過(guò)濾效率，不同的方法設(shè)備具有不用的優(yōu)缺點(diǎn)，其中氣液聚結(jié)分離器具有過(guò)濾精度高，分級(jí)效率高，可靠性高等特點(diǎn)。測(cè)試了國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的天然氣聚結(jié)濾芯的除液性能，并對(duì)三支濾芯的壓降與效率做出了綜合評(píng)價(jià)，得出以下結(jié)論：

（1）國(guó)產(chǎn)濾芯B12、B24開(kāi)始過(guò)濾時(shí)壓降增長(zhǎng)緩慢；伴隨聚結(jié)分離的進(jìn)行，纖維表面附著的液滴導(dǎo)致孔隙率減小，壓降急劇上升；最后液滴聚結(jié)排出，達(dá)到液體進(jìn)入與排出的平衡，壓降也穩(wěn)定不變。進(jìn)入穩(wěn)態(tài)過(guò)濾階段以后，濾芯壓降和過(guò)濾器出口濃度都比較穩(wěn)定。而 Perry的濾芯壓降在整個(gè)過(guò)程都是緩慢上升，一直到平穩(wěn)。

（2）過(guò)濾表觀氣速越大，濾芯的壓降也越大，兩者呈線性關(guān)系。

（3）國(guó)產(chǎn)濾芯B12、B24對(duì)于2μm以下的較小液滴效果較好聚結(jié)分離效果，累積效率相比于Perry等國(guó)外濾芯高有明顯的優(yōu)勢(shì)。

綜上所述，以上三支濾芯，按壓降性能來(lái)說(shuō)Perry濾芯起始?jí)航递^低，聚結(jié)過(guò)程中壓降上升較緩慢，整體壓降性能最佳，B24次之，B12最差。按過(guò)濾效率來(lái)說(shuō)，B24濾芯最佳，對(duì)于各粒徑的累積效率都較高。B12次之，Perry濾芯最差。因此在實(shí)際選用中應(yīng)該根據(jù)需要來(lái)綜合考慮。

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Research on Liquid Removal Performance of Natural Gas Coalescence Filter Element

ZHANG Yu-wei，LI Fang-jun
（Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029，China）

With wider and wider application of natural gas, to improve the gas quality is particularly important. In this paper, gas-liquid filtration separation of natural gas was studied, and the main gas-liquid separator was introduced. The separation efficiency of coalescence separator mainly depends on the quality of the filter element. Domestic filter element and foreign mature filter element were compared，performance and efficiency of domestic and foreign filter elements were analyzed as well as their advantages and disadvantages, so that our country can produce more suitable filter elements. The results show that pressure drop performance of domestic filter is worse than that of foreign filter, but its filter efficiency is better, it is necessary to select the appropriate filter according to the actual needs.

Natural gas purification; Gas-liquid separator; Coalescence separator; Filter performance test

TE93

A

1671-0460（2015）08-1948-04

2015-06-04

張昱威（1990-），男，北京人，在讀碩士，2013年畢業(yè)于北京化工大學(xué)安全工程專業(yè)，研究方向：天然氣過(guò)濾。E-mail：309637701@qq.com。