燒結(jié)金屬纖維型隔離氣濾芯氣-液過濾實驗及現(xiàn)場高壓應(yīng)用

于文瀚，陳 鋒，任昱霖，張婉姝，吳小林，姬忠禮

(中國石油大學(xué)(北京) 機(jī)械與儲運工程學(xué)院 過程流體過濾與分離技術(shù)北京市重點實驗室，北京 102249)

天然氣不僅是清潔能源，而且是優(yōu)質(zhì)的化工原料[1]，天然氣的長距離運輸是中國的一項重點工程項目，其沿途壓氣站的安全穩(wěn)定運行是天然氣運輸至關(guān)重要的保障。干氣密封是一種干運轉(zhuǎn)、氣體潤滑、無接觸軸封，在長輸天然氣管道壓氣站離心壓縮機(jī)組獲得了廣泛的應(yīng)用[2]。在生產(chǎn)運行中，當(dāng)壓縮機(jī)組潤滑油存在于干氣密封動、靜環(huán)端面之間時，會導(dǎo)致動、靜環(huán)過熱，使密封系統(tǒng)產(chǎn)生脆裂而報廢[3]，引起壓縮機(jī)組故障。隔離氣的作用是為干氣密封系統(tǒng)隔絕潤滑油，防止油氣污染密封端面[4]，保障壓縮機(jī)組安全穩(wěn)定運行。因此，壓縮機(jī)組對于隔離氣的氣質(zhì)潔凈度有很高的要求，隔離氣濾芯的過濾性能會直接影響壓氣站及管道的安全生產(chǎn)運行。

隔離氣中的雜質(zhì)主要是空壓機(jī)潤滑油和超級冷卻劑液滴，為高效去除液滴雜質(zhì)，通常使用氣-液聚結(jié)濾芯作為隔離氣的凈化裝置。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對于氣-液聚結(jié)過濾理論已開展了廣泛的研究，研究的方向主要集中在考察濾材過濾性能影響因素[5-10]、濾芯和濾材的性能測試分析[11-12]以及對氣-液過濾機(jī)理的研究[13-16]等。Kampa等[13-14]研究了氣-液過濾過程中液體的運移，提出了“跳躍-通道”壓降半定量模型，并且解釋了潤濕壓降的產(chǎn)生機(jī)制；Chen等[16]采用親油和疏油玻璃纖維濾材進(jìn)行實驗，系統(tǒng)研究了孔徑對聚結(jié)濾材過濾性能的影響；王潤鵬等[10]研究了壓力由0.1 MPa升至0.7 MPa時濾芯內(nèi)的液體分布、濾材飽和度和過程壓降的變化規(guī)律。上述學(xué)者的研究主要針對玻璃纖維材料，而隔離氣濾芯的材料有玻璃纖維、聚酯纖維和燒結(jié)金屬纖維3種，燒結(jié)金屬多孔材料及由該材料構(gòu)成的濾材是一種運用廣泛的剛性過濾介質(zhì)[17]，具有機(jī)械強度高、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)點[18]。目前對于燒結(jié)金屬纖維過濾材料的研究主要集中在材料制備及性能分析[19-20]、氣-固和液-固過濾[21-22]等領(lǐng)域，國內(nèi)外學(xué)者對于其氣-液聚結(jié)過濾性能及機(jī)理鮮有研究，而且有關(guān)燒結(jié)金屬濾芯氣-液聚結(jié)過濾的性能尚未在現(xiàn)場實際運行工況下進(jìn)行過探究。

因此，筆者在實驗室和壓氣站現(xiàn)場分別設(shè)計搭建了隔離氣濾芯性能測試裝置，在2種工況下進(jìn)行實驗研究。在實驗室內(nèi)，對比研究了不同燒結(jié)氈孔徑、不同孔徑燒結(jié)氈排布以及不同過濾氣速對濾芯過濾性能的影響；在壓氣站現(xiàn)場，對比分析了實驗濾芯與壓氣站場現(xiàn)用濾芯的壓降和效率，研究了濾芯在實際工況下的過濾性能。通過上述對金屬濾芯過濾性能影響因素的分析，以及對濾芯在實際工況下過濾性能特性的研究，為進(jìn)一步優(yōu)化隔離氣凈化系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持和優(yōu)化方法，以期為隔離氣濾芯的設(shè)計與研發(fā)提供理論參考。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

實驗液體介質(zhì)是國際測試標(biāo)準(zhǔn)中常用的癸二酸二辛酯(DEHS)，上海麥克林生化科技有限公司產(chǎn)品；燒結(jié)金屬氈濾材來自新鄉(xiāng)市勝達(dá)過濾凈化技術(shù)有限公司，材質(zhì)為不銹鋼；濾芯由燒結(jié)氈纏繞制成，根據(jù)燒結(jié)氈排布方式分為5種，分別記為濾芯A1、A2、A3、B1、B2；現(xiàn)場使用的濾芯(記為濾芯C)來自荷蘭INDUFIL公司；所有濾芯的有效過濾面積均為0.0112 m2。表1為濾芯及燒結(jié)氈濾材參數(shù)。圖1為濾芯的結(jié)構(gòu)示意圖。采用瑞典Biolin Scientific公司生產(chǎn)的Theta光學(xué)接觸角測定儀測定DEHS液滴在燒結(jié)氈表面的接觸角變化，初始液滴接觸角在55°～70°之間，且液滴在1 s內(nèi)完全浸入燒結(jié)氈，因此燒結(jié)氈為親油型濾材。

圖1 燒結(jié)金屬濾芯結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 隔離氣濾芯氣-液過濾性能實驗裝置及方法

1.2.1 實驗室實驗裝置及方法

根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)建立隔離氣濾芯氣-液過濾性能實驗裝置，如圖2所示。采用德國TOPAS公司生產(chǎn)的ATM 240型Laskin多分散氣溶膠發(fā)生器產(chǎn)生霧化液滴，液滴與潔凈的空氣在主管路混合后進(jìn)入被測濾芯，氣流從濾芯下端流入，由濾芯內(nèi)側(cè)經(jīng)金屬燒結(jié)氈過濾后向濾芯外側(cè)流動，隨后進(jìn)入下游管路；被濾芯攔截的液滴在燒結(jié)氈內(nèi)部聚結(jié)后形成大液滴，在重力的作用下從濾芯外側(cè)流入實驗腔體下端的集液箱內(nèi)。采用美國Alicat Scientific公司生產(chǎn)的MCR 500 slpm型質(zhì)量流量控制器(精度為±0.4%)保證主管路流量恒定；采用美國Rosemount公司生產(chǎn)的3051DP型差壓變送器(精度為±0.075%)測試濾芯的壓降；采用德國PALAS公司生產(chǎn)的Welas 3000型光學(xué)顆粒物粒徑譜儀對濾芯上、下游液滴的濃度和粒徑分布進(jìn)行測量，測試粒徑范圍為0.3～40 μm。實驗環(huán)境溫度維持在(25±1) ℃，實驗環(huán)境相對濕度維持在45%±5%，每根濾芯的實驗時間均維持在(6±0.5)h。

OPC—Optical particle counter；HEPA—High efficiency particulate air filter

1.2.2 現(xiàn)場試驗裝置及方法

為探究燒結(jié)金屬濾芯在現(xiàn)場工況下的實際性能，在某壓氣站搭建了可測試長輸天然氣管道壓縮機(jī)組隔離氣濾芯性能的裝置，如圖3所示。在線檢測裝置通過現(xiàn)場的隔離氣儀表管進(jìn)行采樣，使用壓力表測試氣體的壓力，現(xiàn)場隔離氣的工作壓力為絕對壓力0.75 MPa；樣品氣測壓后進(jìn)入光學(xué)粒子計數(shù)器(OPC)，測試濾芯上游和下游的液滴濃度及粒徑分布；隨后樣品氣經(jīng)過濾器和減壓閥進(jìn)行放空。需要說明的是，由于隔離氣是空壓機(jī)產(chǎn)生的壓縮空氣且輸送管路獨立于壓縮機(jī)組，因此壓縮機(jī)組的工作狀態(tài)對隔離氣的氣質(zhì)潔凈度及濾芯性能影響很小，出于安全考慮，本次試驗選擇在機(jī)組停機(jī)期間進(jìn)行。

OPC—Optical particle counter

1.3 性能表征及分析方法

實驗過程中記錄的壓降曲線稱為過程壓降曲線，當(dāng)壓降及下游液滴濃度均穩(wěn)定后，表明濾芯達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，此時的壓降和效率稱為穩(wěn)態(tài)壓降和穩(wěn)態(tài)效率，穩(wěn)態(tài)時的性能是評價氣-液聚結(jié)濾芯的重要指標(biāo)。通常效率較高的濾芯其壓降也較高，本研究中考慮到過濾效率和壓降兩方面因素的過濾性能品質(zhì)因子(FQ)對濾芯綜合性能進(jìn)行評價。過濾效率(η)和品質(zhì)因子的計算如式(1)和式(2)所示。

(1)

(2)

式中：Pe為穿透率，%；Cin和Cout分別為上、下游液滴計數(shù)濃度，Particle/cm3；Δp為濾芯的壓降，kPa。分析過濾效率通常使用累計過濾效率(ηc)和分級過濾效率(ηf)，累計過濾效率表示直徑大于等于d的液滴的過濾效率，其計算式如式(3)所示；分級過濾效率表示直徑等于d的液滴的過濾效率，其計算如式(4)所示，d為每個測量區(qū)間液滴的平均粒徑(直徑)，μm。

(3)

(4)

式中：Cin，≥d和Cout，≥d分別為上、下游粒徑大于等于d的液滴的計數(shù)濃度，Particle/cm3；Cin，d和Cout，d分別為上、下游粒徑等于d的液滴的計數(shù)濃度，Particle/cm3。

2 結(jié)果與討論

2.1 實驗室實驗結(jié)果

2.1.1 燒結(jié)氈孔徑對濾芯過濾性能的影響

為分析燒結(jié)氈孔徑對金屬濾芯過濾性能的影響，分別對濾芯A1、A2、A3進(jìn)行實驗，實驗主管路流量為100 L/min。圖4為3種濾芯在過濾過程中的壓降和穿透率曲線。由圖4可以看出，孔徑越大的濾芯達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時間越長，分析認(rèn)為，濾芯孔徑越大，過濾精度越低，在過濾初期攔截的液滴越少，液體在濾芯內(nèi)部運移和聚結(jié)至達(dá)到濾材飽和的時間越長，使濾芯達(dá)到穩(wěn)態(tài)階段的時間延長。3種濾芯的穿透率均先增加后降低，最后穩(wěn)定。在穩(wěn)態(tài)階段的初期，穿透率會略微上升，這是由于液膜此時在濾材背風(fēng)側(cè)外表面形成，引起二次夾帶現(xiàn)象。金屬濾芯在穩(wěn)態(tài)階段的穿透率明顯低于通道階段，金屬濾芯的過濾精度相對較低，液膜的形成會增加液滴慣性捕集作用，被液膜捕集的上游液滴數(shù)量遠(yuǎn)大于二次夾帶所增加的下游液滴數(shù)量，導(dǎo)致穿透率在液膜形成后降低。

圖4 3種濾芯在過濾過程中壓降(Δp)及穿透率(Pe)的變化

圖5為3種濾芯的穩(wěn)態(tài)過濾效率對比。濾芯A1和A2的孔徑較小，對于粒徑在0.3～1 μm范圍的亞微米級液滴有很高的過濾效率，該粒徑范圍的液滴主要以攔截的方式被燒結(jié)氈捕獲，當(dāng)液滴跟隨氣流流線運動剛好與纖維表面接觸時，液滴的動量會降低，被纖維攔截而沉積在纖維表面，孔徑較小的濾材意味著單位面積上有更多的纖維，使液滴與纖維表面接觸的概率增加，從而增強了液滴的攔截效應(yīng)；對于粒徑在1 μm以上的液滴，孔徑較大的濾芯A3效率更高，分析認(rèn)為，較小的孔徑，其孔隙更大，氣流剪切力更大，氣流將液膜吹起形成氣泡，氣泡逐漸增大而后發(fā)生破裂，破裂的液膜在液體表面張力的作用下形成液滴，隨后進(jìn)入下游，造成二次夾帶現(xiàn)象[5]。

圖5 3種濾芯的穩(wěn)態(tài)過濾效率(η)

總體而言，對于亞微米級液滴，孔徑小的金屬燒結(jié)氈濾芯具有更好的過濾效率；對于微米級液滴，孔徑大的金屬燒結(jié)氈濾芯過濾效果更好；對于二次夾帶現(xiàn)象，孔徑越小的燒結(jié)氈二次夾帶現(xiàn)象越嚴(yán)重。在實驗中，對濾芯C的過濾性能也進(jìn)行了測試，其穩(wěn)態(tài)壓降為19.8 kPa，穩(wěn)態(tài)效率為99.34%，過濾性能與濾芯A1相近，故選擇濾芯A1作為后續(xù)現(xiàn)場的試驗濾芯。

2.1.2 燒結(jié)氈排布對濾芯過濾性能的影響

為探究不同孔徑燒結(jié)氈排布方式對于過濾性能的影響，對濾芯B1和B2進(jìn)行實驗，實驗主管路流量為100 L/min。圖6為濾芯B1和B2的壓降和穿透率變化曲線。由圖6中壓降曲線可以看出，2種濾芯在過濾過程中的壓降都經(jīng)歷了2次跳躍，這是因為金屬濾芯2層聚結(jié)層被保護(hù)網(wǎng)隔開，且液膜厚度都是微米級[23]，聚結(jié)層的間隔距離超過了液膜的厚度，使第一層聚結(jié)層形成了液膜，從而引起了壓降的二次跳躍。從圖6中穿透率曲線可以看出，由于濾芯B2的第二層聚結(jié)層過濾精度較低，達(dá)到穩(wěn)態(tài)前，濾芯B2穿透率高于濾芯B1；濾芯達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，形成了穩(wěn)定的液膜，由于第一層聚結(jié)層過濾精度最高，未被過濾的小液滴在第二層聚結(jié)層也難以捕獲，與第二層液膜二次夾帶產(chǎn)生的液滴一起進(jìn)入下游，導(dǎo)致下游液滴數(shù)量升高，穿透率隨之上升。

圖6 濾芯B1和B2在過濾過程中壓降(Δp)及穿透率(Pe)的變化

圖7為濾芯B1和B2的穩(wěn)態(tài)過濾效率曲線。由圖7可以看出，2種濾芯第一層聚結(jié)層過濾精度相同，對于粒徑在0.3～5 μm范圍液滴的過濾效率相近；對于粒徑在5 μm以上的大液滴，2種濾芯均出現(xiàn)二次夾帶現(xiàn)象，其中，第二層聚結(jié)層孔徑較小的濾芯B1二次夾帶現(xiàn)象更嚴(yán)重，這是氣流在濾芯B1第二層聚結(jié)層的孔隙速度更大造成的。結(jié)合圖5的結(jié)果分析，燒結(jié)氈孔徑遞增排布濾芯的過濾效率在大液滴處明顯高于單一孔徑燒結(jié)氈濾芯，是因為第二層較大孔徑的聚結(jié)層對氣體在孔隙間的流動進(jìn)行了減速，使氣流的剪切力減小，降低了對第二層液膜的破壞效果，從而減少了二次夾帶現(xiàn)象，提升了大直徑液滴的過濾效率。

圖7 濾芯B1和B2的穩(wěn)態(tài)過濾效率(η)

2.1.3 過濾氣速對濾芯過濾性能的影響

通過使用不同的實驗主管路流量(50、100、150 L/min)對濾芯的過濾氣速(實驗主管路流量與濾芯過濾面積的比值，m/s)進(jìn)行改變，研究不同過濾氣速對于燒結(jié)金屬濾芯過濾性能的影響，實驗濾芯為A1和B2。圖8為濾芯A1在不同實驗主管路流量下的過程壓降及累計過濾效率曲線。由圖8可見，實驗主管路流量增加，濾芯的過濾氣速升高，穩(wěn)態(tài)壓降升高，二次夾帶現(xiàn)象減少，大直徑液滴的過濾效率升高。分析認(rèn)為，氣速提升使燒結(jié)氈更多的孔隙被氣體填充，減少了液膜的面積，從而降低了因液膜破裂造成的二次夾帶現(xiàn)象。圖9為濾芯B2在不同實驗主管路流量下的過程壓降及累計過濾效率曲線。由圖9可見，濾芯B2的穩(wěn)態(tài)壓降隨著過濾氣速的升高而增加，大直徑液滴的過濾效率隨之降低。分析認(rèn)為，第一層液膜的形成對氣流進(jìn)行了減速，減小了氣流的剪切力，從而減少了第二層液膜的破裂，在實驗主管路流量50 L/min下的氣流剪切力不足以破壞濾芯背風(fēng)側(cè)的液膜，此時未發(fā)生二次夾帶現(xiàn)象。因此，高氣速工況時單層濾芯效果更好，低氣速工況時，孔徑遞增的雙層濾芯效果更好。

圖8 濾芯A1在不同實驗流量下的過程壓降(Δp)和累積過濾效率(ηc)曲線

圖9 濾芯B2在不同實驗流量下的過程壓降(Δp)和累積過濾效率(ηc)曲線

2.2 壓氣站現(xiàn)場試驗結(jié)果

為探究燒結(jié)金屬濾芯在現(xiàn)場高壓工況下的實際應(yīng)用性能，在長輸天然氣管道某壓氣站內(nèi)搭建了隔離氣濾芯測試裝置，選擇與濾芯C實驗室測試結(jié)果相近的濾芯A1進(jìn)行現(xiàn)場試驗。圖10為壓氣站現(xiàn)場隔離氣中液滴直徑分布。由于現(xiàn)場空壓機(jī)出口處設(shè)置了過濾裝置，因此隔離氣濾芯上游的雜質(zhì)主要是0.2～0.6 μm范圍內(nèi)的亞微米級液滴。

圖10 壓氣站現(xiàn)場實際工況下隔離氣液滴平均粒徑(直徑)(d)分布

圖11為壓氣站現(xiàn)場實際工況下濾芯A1和濾芯C的過程壓降曲線。濾芯A1和濾芯C達(dá)到穩(wěn)態(tài)分別需要10 d和4 d。由于現(xiàn)場濾芯的壓降達(dá)到特定值時將進(jìn)行更換，因此濾芯A1具有更長的使用壽命，同時濾芯A1的穩(wěn)態(tài)壓降比濾芯C低7 kPa。由于較高的壓力使氣體密度和濾芯內(nèi)部液體持液量增加，增大了氣流的阻力，使2種濾芯的穩(wěn)態(tài)壓降都要比常壓測試結(jié)果高10～13 kPa。

圖11 壓氣站現(xiàn)場實際工況下濾芯的過程壓降(Δp)曲線

圖12為壓氣站現(xiàn)場實際工況下濾芯A1和濾芯C的累積過濾效率曲線?？梢?，濾芯A1的過濾效率變化規(guī)律與實驗室測試結(jié)果相近，但是穩(wěn)態(tài)時在粒徑0.8～1.3 μm處的過濾效率出現(xiàn)了下降；相比實驗室的實驗結(jié)果，發(fā)生二次夾帶現(xiàn)象的液滴粒徑明顯減小，直徑大于1.5 μm的液滴被完全捕獲。分析認(rèn)為，隔離氣壓力較高，氣流的剪切力更大，導(dǎo)致濾芯出氣側(cè)液膜面積更小，此時，造成二次夾帶的主要原因是過濾氣速高，使一部分已經(jīng)從氣相中分離的大液滴再次被氣流帶入下游，現(xiàn)場工況下的液滴較小，二次夾帶的粒徑也偏小。粒徑在0.2～0.6 μm濾芯C的液滴過濾效率維持在95%左右，稍高于濾芯A1；濾芯A1和濾芯C發(fā)生二次夾帶的液滴直徑范圍基本一致，且濾芯C的二次夾帶更嚴(yán)重，在液滴直徑范圍0.6～1.6 μm的過濾效率比濾芯A1低10百分點左右，濾芯A1對隔離氣的氣質(zhì)潔凈度有很大的提升。

圖12 壓氣站現(xiàn)場實際工況下的累積過濾效率(ηc)曲線

總體而言，與常壓實驗相比，濾芯A1和濾芯C在壓氣站現(xiàn)場的穩(wěn)態(tài)壓降升高了10～13 kPa；累計過濾效率下降了5百分點左右，二次夾帶現(xiàn)象發(fā)生的液滴直徑范圍從5～10 μm減小到0.6～2 μm。綜合品質(zhì)因子結(jié)果分析，在現(xiàn)場實際工況下，濾芯A1和濾芯C的品質(zhì)因子分別為0.110和0.092 kPa-1，濾芯A1比濾芯C高0.018 kPa-1，且二次夾帶更少，具有更好的過濾性能。

3 結(jié) 論

(1)對不同燒結(jié)氈孔徑、不同孔徑燒結(jié)氈排布的濾芯過濾性能變化特性進(jìn)行了實驗研究，分析了濾芯聚結(jié)層孔徑及排布對過濾性能的影響。對于單層燒結(jié)金屬纖維濾芯，孔徑越小對亞微米級液滴的過濾效果越好，但是二次夾帶現(xiàn)象越嚴(yán)重；對于孔徑遞增的雙層燒結(jié)金屬纖維濾芯，第一層聚結(jié)層孔徑相同的濾芯對于亞微米級液滴的捕獲效果基本相同，第二層聚結(jié)層孔徑較大的濾芯二次夾帶現(xiàn)象減少。

(2)對不同實驗主管路流量下的濾芯過濾性能進(jìn)行了實驗研究，分析了不同過濾氣速對濾芯性能的影響。對于單層燒結(jié)金屬濾芯，氣速越高，穩(wěn)態(tài)壓降越大，大直徑液滴的過濾效率越高；對于雙層燒結(jié)金屬濾芯，氣速越高，穩(wěn)態(tài)壓降越大，大直徑液滴的過濾效率越低。單層濾芯適用于高氣速的工況，孔徑遞增的雙層濾芯適用于低氣速的工況。

(3)對壓氣站現(xiàn)場實際工況(絕對壓力0.75 MPa)下的隔離氣濾芯性能進(jìn)行對比試驗。濾芯A1的品質(zhì)因子比濾芯C高0.018 kPa-1，且二次夾帶更少，對于隔離氣的氣質(zhì)潔凈度有很大的提升，為隔離氣凈化系統(tǒng)的優(yōu)化提供了可靠的設(shè)計方案。

(4)綜合實驗室實驗與壓氣站現(xiàn)場試驗結(jié)果分析，高壓工況(絕對壓力0.75 MPa)對濾芯的性能有一定的影響，相比于實驗室實驗(常壓工況)，累積過濾效率下降5百分點左右，穩(wěn)態(tài)壓降升高10～13 kPa。