天然气聚结滤芯气液分离性能研究.pdf

第 4 4卷第 8期 2 0 1 5 年 8月 当 代 化 工 C o n t e m p o r a r y C h e m i c a l I n d u s t r y V o 1 ． 4 4．N O ． 8 A u g u s t，2 01 5 天然气聚结滤芯气液分离性能研究 张昱威 ，李方俊 北京化工大学， 北京 1 0 0 0 2 9 摘 要 随着天然气的广泛应用，提高天然气的气体品质就显得尤为重要。主要研究天然气气液过滤分 离。介绍了天然气生产和管输过程中主要的气液分离设备 ，其中聚结分离器的分离效率的高低主要取决于过滤 元件即聚结滤芯的聚结作用的好坏，并对国内自主生产的滤芯与国外成熟技术研发的滤芯进行比较，对国内外 滤芯的性能和效率优缺点进行重点分析研究，以便国内可以自主生产更适合的滤芯。研究表明国产滤芯的压降 性能要落后于国外滤芯，而在过滤效率方面则具有优势 ，所以需要根据实际需求选择合适的滤芯。 关键词天然气净化；气液分离；聚结分离器 ；滤芯性能测试 中图分类号 T E 9 3 文献标识码 A 文章编 号 1 6 7 1 0 4 6 0 2 0 1 5 0 8 1 9 4 8 0 4 Re s e a r c h o n Li qui d Re m o v a l Pe r f o r ma nc e o f Na t ur a l Ga s Co a l e s c e nc e Fi l t e r El e me nt Z H A NG Y u w e i ，L I F a n g - j u n B e ij i n g Un i v e r s i t y o f C h e mi c a l T e c h n o l o g y ， B e i j i n g 1 0 0 0 2 9 ，C h i n a Ab s t r a c t W i t h wi d e r a n d wi d e r a p p l i c a t i o n o f n a t u r a l g a s ， t o i mp r o v e t h e g a s q u a l i t y i s p a r t i c u l a r l y i mp o r t a n t ． I n t h i s p a p e r ， g a s l i q u i d fil t r a t i o n s e p a r a t i o n o f n a tur a l g a s wa s s t u d i e d ， a n d t h e ma i n g a s l i q u i d s e p a r a t o r wa s i n t r o d u c e d ． Th e s e p a r a t i o n e m c i e n c y o f c o a l e s c e n c e s e p a r a t o r ma i n l y d e p e n d s o n t h e q u a l i t y o f t h e fi l t e r e l e me n t ．Do me s t i c fi l t e r e l e me n t a n d f o r e i g n ma tur e fi l t e r e l e me n t we r e c o mp a r e d，p e r f o r ma n c e a n d e m c i e n c y o f d o me s t i c a n d f o r e i g n fi l t e r e l e me n t s we r e a n a l y z e d a s we l l a s t h e i r a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s ． S O t h a t o u r c o u n t r y c a n p r o d u c e mo r e s u i t a b l e fil t e r e l e me n t s ． Th e r e s u l t s s h o w t h a t p r e s s u r e d r o D p e r f o r r n a n c e o f d o me s t i c fi l t e r i S wo r s e t h a n t h a t o f f o r e i g n fi l t e r , b u t i t s fi l t e r e 踊 c i e n c y i S b e t t e r , i t i S n e c e s s a r y t o s e l e c t t h e a p p r o p r i a t e fi l t e r a c c o r d i n g t o t h e a c t u a l n e e d s ． Ke y wo r d s Na t u r a l g a s p u r i fi c a t i o n ； Ga s l i q u i d s e p a r a t o r ； Co a l e s c e n c e s e p a r a t o r ； F i l t e r p e r f o r m a n c e t e s t 从气井井场 、 集气站或净化厂输出的天然气 ， 可能携带有泥沙 、碎石 、锈块 、气 田水 、凝析液、 净化剂溶剂等固体颗粒物或液体液滴杂质 ，这些杂 质如不及时除掉 ，会对采气 、输气 、脱硫和天然气 用户带来很大的危害 ，影响生产的正常运行⋯ 。其 主要危害有以下几方面天然气中的固体颗粒污染 物不仅会增加管道阻力，降低输气管道的气质，还 会对金属产生强烈的冲蚀 ，导致管线破裂，同时影 响设备、阀门和仪表的正常运转，使压缩机、 燃气 轮机的叶片磨损加速、使用寿命缩短。液态水与烃 类等组分在温度降低时易凝结 ，将 限制管线中天然 气的流动，降低输气量，严重时会形成冰堵。而且 液相水与二氧化碳或硫化氢相混合即生成具有腐蚀 性的酸，对金属造成腐蚀，会使管壁厚度大面积减 薄或产生局部坑蚀 ，对设备造成腐蚀和开裂口 。因 此将天然气中夹带的固体颗粒物和液滴分离出来， 提高天然气的气质就显得尤为重要。 目前 国内外研究者将研究重点主要在对 固体颗 粒物的过滤分离研究，但对气液过滤分离的研究较 少 ，大部分仅停留在分离器的结构以及过滤机理 。 李逵 寸 大型天然气过滤工艺和装置的应用进行 了 概述提出了一些建议和改进的思路。对 于气液分离 过滤器的效率和压降问题，还需要做更多的研究。 1 气腋 分离设备比较 天然气生产和管输过程中主要的气液分离设备 有 旋风分离器 、丝网气液分离器 、高效聚结过滤分 离器。 各类过滤分离过滤机理和过滤效率比较如表 1 。 表 1 气液分离设备机理和过滤效率 Ta b l e 1 Pr i n c i p l e a n d e f f i c i e n c y o f l i q u i d ／ g a s s e p a r a t o r 旋风分离器 丝网气液分离器 气液聚结分离器 1 ． 1 旋风分离器 旋风分离器是利用气体在分离器内高速旋转而 收稿 日期 2 0 1 5 - 0 6 0 4 作者简介 张昱威 1 9 9 0 一 ， 男， 北京人， 在读硕士， 2 0 1 3年毕业于北京化工大学安全工程专业， 研究方向 天然气过滤。 E - m a i l 3 0 9 6 3 7 7 0 1 q q ． c o m 第 4 4卷第 8期 张昱威，等天然气聚结滤芯气液分离性能研究 1 9 4 9 产生离心力将液滴从气流 中分离出来 ，分离出的液 滴汇集在设备 内表面靠重力排出。主要用于分离掉 天然气 中大部分大于 l 0 m 的颗粒物质。旋风分离 器具有结构简单、无运动部件、分离效率较好和阻 力低不易堵塞等优点，特别适合于高温、高压和有 腐蚀的工况下使用。但是旋风分离器对小于 l 0 m 的液滴过滤效果并不理想，同时过滤效率受气体流 量影响显著，当流量较s J , N ，分离效率显著下降嘲 。 1 ． 2 丝网气液分离器 丝 网气液分离器 ，也叫除沫网。用细金属丝或 其他材料制作成丝 网层 ，通常安装在立式设备 的顶 部 。当含液气体通过除沫 网时 ，滤层丝网网格 阻碍 气流前进 ，使气流在绕过丝网时不 断的改变运动速 度和运动方向，而液滴则由于惯性冲击、拦截、布 朗扩散 、静电吸附等作用被拦截到纤维或除沫网表 面，同其他液滴聚结成大液滴，最后由于重力作用 集 留于容器底部。丝网气液分离器 的优点是可 以有 效分离大于 5 m 的液滴，拦截液滴的表面积也比 挡板式分离器更大，而且对于含液量较高的气体过 滤分离效果好，精度较高且设备成本低。主要缺点 也过滤效率是受气体流量影响，当流量减小时，分 离效率会下降，当流量过大时 ，则 由于被捕集 的液 滴又被湍流的气流夹带返 回N--相混合流中 。 1 ． 3 气液聚结分离器 气液聚结分离器通常为立式结构， 分为上下两 部分。气体先从进气口进入下部的一级旋风分离， 经过沉降分离作用过滤出气体中夹带的大于 3 0 0 m的大液滴 ，然后 向上通过管板进到上部二级聚结 区。气体从聚结滤芯内部流向外部后从顶部的出气 口排出。聚结滤芯为多层结构 ，最里层为不锈钢内 骨架支撑层 ，中间层是多褶的玻璃纤维聚结层 ，聚 结层的是 由滤孔直径逐渐变大的多层玻璃纤维组 成 。外部是排液层 ，最外部通常还有外骨架 ，以满 足聚结滤芯强度上的要求 。 气液聚结滤芯具有更高的去除液滴效率。0 ． 3 lq q 液滴累积效率 9 9 ． 8 ％以上； 1 m液滴累积效率 9 9 ． 9 9 ％。直接拦截和惯性碰撞拦截不 同，是利用微 孔拦截气流中的液滴。所以聚结过滤分离器在气体 流量减小时， 分离效率会升高， 而且其过滤精度高、 分离效果最好、设备成本也较低，占地面积小，是 去除天然气 中夹带液滴的较好选择 ，在西二线 中应 用较为普遍 。 气液 聚结分 离器的气液分离效率 的高低 主要 取决于过滤元件即聚结滤芯的聚结作用的好坏。进 口滤芯生产工艺较为先进 ，所 以分离精度和效率都 较高，但是价格成本相应较高。所以为了解决输送 管线运行成本高的问题 ，各大天然气运输管线上都 尝试采用了国内研发生产的滤芯。因此对 国产滤芯 和进 口滤芯的性能检测及对 比就显得尤为重要 。影 响滤芯性能的参数有很多 ，其中最重要的便是效率 和阻力。效率关系到能否满足使用要求，阻力则关 系到设备配备的费用，高效率和低压降是滤芯追求 的目标。笔者选择两支 国内某厂家生产的天然气滤 芯与 国外厂家生产 的天然气滤芯分别进行对 比实 验 ，重点研究 了国产滤芯和国外滤芯在初始压降 、 气液过滤过程压降和气液过滤稳态过滤效率方面的 不同及优缺点 。 2 气液分离滤芯性能测试实验装置和 方法 2 ． 1 实验装置 实验装置由测试用分离器 内装测试滤芯 、 风道系统、 液滴发生器、液滴取样与检测装置组成 如 1 所示 。 用液滴发生器发生满足测试要求的液滴 。用清 洁的压缩空气将液滴喷射人滤芯检测系统的上游， 并保证液滴到达滤芯检测系统上游的取样 口前分布 均匀。使用采样装置对被测滤芯上游、下游的液滴 分别取样 ，再利用光学粒子计数器测量液滴的浓度 和粒径分布 ，进而计算 出被测滤芯的过滤效率 。测 量上游液滴浓度时 ，大多数情况下采样空气必须经 过稀释，稀释是为了降低上游浓度过高造成光学粒 子技术的重合误差，采样空气的稀释可通过稀释器 实现。 风道系统采用离心式风机实现吸风负压操作 ， 整 个风道系统要求严密。 风道的内壁应平整光滑， 无锈 蚀。采样管道内的风速应不小于 2 m ／ s 。液滴发生装 置发生的介质为癸二酸二辛脂 D 0 S ， 这种介质在室温 下基本不会发 ， 保证测试的准确性。 风速及风量的测 量通过标准皮托管和微型压差计结合来确定 ， 采用 U 型压力计测量滤芯内外压差， 精度为 1 0 P a 。 2 ． 2 实验结果与分析 实验 中 B 1 2 、B 2 4分别为两支国产天然气聚结 滤芯，外径为 1 1 4 m m，有效过滤长度为 8 9 0 mm。 检测使用液体为癸二酸二辛脂 D O S ， 雾化液滴加 液量为 3 ． 2 L ／ h ， 风机抽风量为 8 6 ． 5 m ／ h ， 环境温度 1 2 c C，湿度 4 5 ％R H，压力为大气压力。 1 9 5 0 当 代 化 工 图 2 是三支天然气聚结滤芯 B 1 2 、B 2 4和 P e r r y 的初始压降与表观气速的对应关系。由图中可以看 出，表观气速在 0 ． 0 6 ～ 0 ． 1 6 m ／ s 的范围，三支滤芯的 压降与表观气速呈线性关系。 B 2 4的初始压降最低，． B 1 2的最高 ，进 口滤芯 P e r r y介于两者之间，说明 B 1 2滤芯比较厚 ，孔隙率较小 ，滤芯压差较大。 l 一 空气过滤器；2 - 温度计 ；3 - 湿度计 ；4 - 斜管微压计 ； 5 - 皮托管 ；6 - 风道系统 ；7 - 上游采样装置 ；8 - 液滴发生装置；9 - U型压力计； 1 0 一 稀释器 1 1 - 传感器；1 2 一 计数器 ；1 3 一 被测试滤芯；1 4 一 分离器 ；1 5 一 下游采样装置；1 6 一 分量控制阀门；1 7 一 离心风机 图 1 气液分离性能测试装置图 Fi g ． 1 Th e g a s - l i q u i d s e p a r a ti o n p e r f o r ma n c e t e s ti n g d e v i c e 在天然气 聚结滤芯气液分离过程中，随着过滤 聚结过程的发生 ，滤芯的压降会不断增加。图 3是 B 1 2 、B 2 4 、P e r r y三支滤芯的过滤过程压降与测试 时间的对应关系。由图可知，三支滤芯的压降最终 都达到了稳定状态。 0． 2 5 0． 2 0 o． 1 5 世 E 墨o ．1 0 0．05 0． O 4 0 06 0 ． 0 8 0 ． 1 0 0． 1 2 0 1 4 0． 1 6 0 ． 1 8 表观气速／ m s 图2 滤芯初始压降 Fi g ． 2 I n i t i a l p r e s s u r e d r o p o f fi l t e r c a n d l e 国产滤芯 B 1 2 、 B 2 4的压降变化过程基本相似 ， 大致 变化可以划分为四个阶段 ，初始阶段 、碰撞聚 结阶段 、稳态聚结阶段 。初始阶段 ，滤芯的压降变 化较小，主要是由于小液滴在聚结层表面被拦截并 附着在纤维表面，少量的液滴没有造成滤芯孔隙率 的明显改变，对气流的阻碍作用较小，所以压降变 化较平缓。随着过滤聚结作用的发生 ，达到碰撞 聚 结 阶段。 世 萋0 0 - z 煺0． 1 2 斗 I 0 6 2 O．03l 2 测 试时间／ s 图 3 滤芯过滤过程压降 Fi g ． 3 Pr e s s u r e dr o p o f fi l t r a t i o n o f fil t e r c a n d l e 00 从图中可以看出压降在碰撞 聚结阶段有一个较 第 4 4卷第 8期 张昱威，等天然气聚结滤芯气液分离性能研究 1 9 5 1 为显著的 上 升过程， 这主 要 是由 于， 随着 气液 两相 3 结论与建议 流的 向前流动 ，小液滴被带到纤维的深层 ，并且在 纤维表面不断发生碰撞并聚结成大液滴，使纤维上 附着的液滴不断增多、增大，导致纤维直径增大， 滤芯的空隙率不断变小，因此压降急速上升。随着 过滤聚结过程 的不断发生 ， 过滤达到稳定聚结阶段 ， 此时有液体从滤芯中排出，滤芯所捕集的液滴量与 从滤芯中排出的液体量达到一个相对稳定 的阶段 ， 滤芯内部的持液量为定值 ，此时滤芯的压降也随时 间基本保持不变。而国外 P e r G 滤芯的压降变化较 为平缓，不存在明显的压降上升阶段。由图可以看 出国产滤芯 B 1 2 、B 2 4的排液效果不佳，液体堵塞 孔隙现象较严重，造成滤芯阻力较高，所以滤芯压 降上升较快 ，稳态压降较初始压降相比明显增加。 而进口 P e r r y滤芯孔隙率较大，排液效果较好，液 体在滤芯内部并没有明显堵塞孔隙，压降的变化也 比较平缓 ，并不存在明显 的压降上升阶段 ，而且总 体压降增加幅度较小，稳态压降较初始压降相比并 无明显增加。 图 4是 B1 2 、1 3 2 4 、P e r r y三支滤芯的累积效率 与粒径间的关系。 ● 静 蓑 O ． 3 O ． 5 l 2 4 8 粒径／ m 图 4 滤芯 累积效 率 Fi g ． 4 Cumu l a t i v e e ffi c i e n c y o f fil t e r c a n d l e 由图 4可知 ，B 1 2 、B 2 4的累积效率基本一样 ， 对 2 m以上液滴，累积效率可以达到 9 9 ．9 9 9 ％以 上 ，而且对于 0 ． 3 ～ 2 I ．z m区间内的较小粒径 的液滴 ， 聚结分离效率 比较理想 ，累积效率也达到了 9 9 ． 5 ％ 以上。而进 口滤芯 P e r r y虽然对 2 m以上液滴 ，累 积效率也达到 9 9 ．9 9 9 ％也上，但是对于较小微粒的 液滴，过滤效果并不理想，对于 3 m的液滴累积 效率只达到了 7 0 ％。 本文介绍了各类天然气气液分离设备的机理和 过滤效率， 不同的方法设备具有不用的优缺点，其 中气液聚结分离器具有过滤精度高，分级效率高， 可靠性高等特点。测试了国内外生产的天然气聚结 滤芯的除液l生 能，并对三支滤芯的压降与效率做出 了综合评价 ，得出以下结论 1 国产滤芯 B 1 2 、B 2 4开始过滤时压降增长 缓慢；伴随聚结分离的进行，纤维表面附着的液滴 导致孔隙率减小，压降急剧上升；最后液滴聚结排 出， 达到液体进人与排出的平衡， 压降也稳定不变。 进入稳态过滤 阶段 以后 ，滤芯压降和过滤器出口浓 度都比较稳定。而 P e r r y的滤芯压降在整个过程都 是缓慢上升 ，一直到平稳。 2 过滤表观气速越大，滤芯的压降也越大， 两者呈线性关系。 3 国产滤芯 B 1 2 、B 2 4对于 2 m 以下的较 小液滴效果较好聚结分离效果 ，累积效率相比于 P e r r y 等国外滤芯高有明显的优势。 综上所述 ，以上三支滤芯 ，按压降性能来说 P e r r y 滤芯起始压降较低， 聚结过程中压降上升较缓 慢，整体压降陛能最佳，B 2 4次之，B 1 2最差。按 过滤效率来说 ，B 2 4滤芯最佳 ，对于各粒径的累积 效率都较高。B 1 2 次之， P e r r y 滤芯最差。因此在实 际选用中应该根据需要来综合考虑。 参考文献 [ 1 ] 毕思永．长输天然气管道过滤器[ J 1 l石油科技论坛 ，2 O 1 4 ，l 1 5 5 - 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