含濕量對(duì)10 μm以上顆粒旋風(fēng)分離性能影響的實(shí)驗(yàn)

羅　璇，李智博，鄒振春，謝冬梅

(承德石油高等專(zhuān)科學(xué)校 熱能工程系，河北　承德　067000)

西部氣田有井口壓力高、含砂量大等特點(diǎn)[1]。由于西氣東輸在設(shè)計(jì)時(shí)的輸送壓力為10 MPa，天然氣在長(zhǎng)距離輸送時(shí)壓力損失會(huì)很大[2]，為了克服這些壓力損失，保證輸氣正常運(yùn)行，必須要每隔一段距離使用壓縮機(jī)進(jìn)行增壓[3]。為了防止天然氣開(kāi)采及輸送過(guò)程中夾帶的少量沙粒、焊渣以及管道中產(chǎn)生的一些銹蝕類(lèi)顆粒加速磨損壓縮機(jī)等設(shè)備，天然氣必須先經(jīng)過(guò)除塵系統(tǒng)的凈化處理，之后再進(jìn)入壓縮機(jī)。在天然氣輸氣過(guò)程中對(duì)顆粒的凈化采用的是兩級(jí)凈化系統(tǒng)，首先通過(guò)旋風(fēng)分離器對(duì)天然氣進(jìn)行粗分離，然后通過(guò)過(guò)濾器等設(shè)備對(duì)小粒徑的固體顆粒進(jìn)行精細(xì)過(guò)濾[4]。一般的多管旋風(fēng)分離器的設(shè)計(jì)前提是假設(shè)天然氣是干燥的，沒(méi)有考慮天然氣輸送過(guò)程會(huì)產(chǎn)生一定量的凝析油和游離水，這樣使得多管旋風(fēng)分離器在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生了一系列影響安全生產(chǎn)的問(wèn)題。因此，研究氣體在較低含塵濃度的工況下天然氣用旋風(fēng)分離器同時(shí)分離液滴和固體顆粒時(shí)的分離性能是十分重要的。

1　國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者已經(jīng)對(duì)旋風(fēng)分離器進(jìn)行了大量的研究。孫福江和王永偉等針對(duì)常規(guī)旋風(fēng)分離器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)，并開(kāi)發(fā)出了一種新型的氣液旋風(fēng)分離器[5]。中油遼河油田鉆采工藝研究院的朱斌改進(jìn)了氣液旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)，并分別對(duì)優(yōu)化結(jié)構(gòu)前后的氣液旋風(fēng)分離器進(jìn)行了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[6]。吳小林等針對(duì)天然氣凈化用旋風(fēng)分離器進(jìn)行了氣液分離性能的研究[7]。針對(duì)氣液旋風(fēng)分離器出口處存在復(fù)雜的液體被夾帶的現(xiàn)象，S.Nagdew等通過(guò)數(shù)值計(jì)算的方法研究了氣液旋風(fēng)分離器的工作性能[8]。荷蘭人TerLinden針對(duì)一臺(tái)蝸殼式旋風(fēng)分離器，在入口氣速為10.7 m/s，入口壓力為0的情況下，最早測(cè)出了旋風(fēng)分離器的流場(chǎng)[9]。另外，在三相分離器的應(yīng)用方面，勝利油田的樁1接轉(zhuǎn)站通過(guò)技術(shù)改造，應(yīng)用三相分離器技術(shù)解決了處理量小、設(shè)備工藝?yán)匣⒆詣?dòng)化程度低的問(wèn)題，取得了較好的效果[10]。

2　實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)方法

2.1　實(shí)驗(yàn)裝置

單管旋風(fēng)分離器粉塵加濕的三相分離實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中用到的測(cè)量裝置包括Welas3000在線(xiàn)測(cè)量裝置、加料器、畢托管風(fēng)速測(cè)量裝置和壓差計(jì)等。實(shí)驗(yàn)使用的旋風(fēng)分離器筒體直徑為150 mm，采用軸向的進(jìn)口結(jié)構(gòu)，加料入口直徑為70 mm，實(shí)驗(yàn)在常溫下進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)室所用風(fēng)機(jī)采用負(fù)壓吸氣方式，進(jìn)口風(fēng)速通過(guò)事先安裝好在進(jìn)氣管道上的畢托管測(cè)定，風(fēng)速控制通過(guò)改變安裝在集氣室與風(fēng)機(jī)之間的閥門(mén)來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

實(shí)驗(yàn)中使用的固體顆粒為200目石英粉。實(shí)驗(yàn)所用主要的儀器的型號(hào)和規(guī)格見(jiàn)表1。

2.2　實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)前，先利用烘干機(jī)對(duì)200目石英粉進(jìn)行2 h的烘干處理，使其內(nèi)部所含水分被蒸發(fā)出去，粉塵含濕量(粉塵含濕量為濕粉塵中與干燥粉塵同時(shí)并存液體的質(zhì)量與濕粉塵的質(zhì)量的比值)為0；實(shí)驗(yàn)時(shí)，利用精密電子天平對(duì)一定質(zhì)量的200目石英粉進(jìn)行均勻加濕處理，通過(guò)對(duì)所加水分質(zhì)量的控制實(shí)現(xiàn)將其含濕量調(diào)整到需要的數(shù)值。

表1　實(shí)驗(yàn)主要儀器型號(hào)及規(guī)格

在實(shí)驗(yàn)中，粉塵含濕量分別取8‰(通常情況下不進(jìn)行加濕的粉塵的含濕量)、10‰、15‰、20‰、25‰和30‰，粉塵進(jìn)口濃度分別取30 mg/m3、50 mg/m3、100 mg/m3、200 mg/m3、300 mg/m3和500 mg/m3，進(jìn)口風(fēng)速可以通過(guò)利用畢托管并對(duì)風(fēng)機(jī)的調(diào)節(jié)來(lái)進(jìn)行控制，單管旋風(fēng)分離器的進(jìn)口風(fēng)速分別取12 m/s、14 m/s、16 m/s和18 m/s(這是為了使本實(shí)驗(yàn)的工況條件更接近于天然氣壓氣站現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)口風(fēng)速在10～20 m/s的真實(shí)情況)。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，利用測(cè)速畢托管并控制風(fēng)機(jī)的閥門(mén)來(lái)調(diào)節(jié)進(jìn)口風(fēng)速，在某一特定工況下，利用Welas3000在線(xiàn)測(cè)量裝置對(duì)特定進(jìn)口濃度下分離性能的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行在線(xiàn)測(cè)量。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1　粉塵含濕量對(duì)10 μm以上顆粒分離效率的影響

10 μm以上顆粒的分離效率如圖2所示，圖2a)、b)、c)、d)分別是進(jìn)口風(fēng)速為18 m/s、16 m/s、14 m/s 和12 m/s時(shí)不同含濕量不同進(jìn)口粉塵濃度的10μm以上顆粒的平均分離效率以及上下的偏差值。

3.2　粉塵含濕量對(duì)10 μm以上顆粒在粉塵中所占比例的影響

10 μm以上顆粒在進(jìn)口粉塵中所占比例的高低也會(huì)很大程度上影響粉塵整體的分離效率，因此對(duì)10 μm以上顆粒在進(jìn)口粉塵中所占的比例的統(tǒng)計(jì)是十分必要的。

表2為不同含濕量情況下10 μm以上顆粒在進(jìn)口粉塵中所占的比例，這其中有各個(gè)工況下的比例，還有相同粉塵含濕量、不同風(fēng)速條件下10 μm以上顆粒在進(jìn)口粉塵中所占的比例的平均值。

表2　含濕量對(duì)10 μm以上顆粒粒徑分布的影響

4　結(jié)論

1)在進(jìn)口風(fēng)速相同、進(jìn)口粉塵濃度相同的情況下，粉塵中10 μm以上顆粒的分離效率會(huì)隨著含濕量的增大而增大，這個(gè)結(jié)果與粉塵總的分離效率的變化趨勢(shì)是一致的，驗(yàn)證了粉塵分離效率隨含濕量的增大而增大的變化關(guān)系。

2)10 μm以上顆粒在粉塵中所占比例是不隨進(jìn)口風(fēng)速變化的，而是隨著粉塵含濕量的變化而變化，粉塵含濕量增加，則10 μm以上顆粒在粉塵中所占比例也會(huì)相應(yīng)的有所增加，并且增加幅度是隨著含濕量增加而逐漸變小的。

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