天然氣聚結濾芯氣液分離性能研究

張昱威，李方俊

（北京化工大學, 北京 100029）

天然氣聚結濾芯氣液分離性能研究

張昱威，李方俊

（北京化工大學, 北京 100029）

隨著天然氣的廣泛應用，提高天然氣的氣體品質就顯得尤為重要。主要研究天然氣氣液過濾分離。介紹了天然氣生產和管輸過程中主要的氣液分離設備，其中聚結分離器的分離效率的高低主要取決于過濾元件即聚結濾芯的聚結作用的好壞，并對國內自主生產的濾芯與國外成熟技術研發的濾芯進行比較，對國內外濾芯的性能和效率優缺點進行重點分析研究，以便國內可以自主生產更適合的濾芯。研究表明國產濾芯的壓降性能要落后于國外濾芯，而在過濾效率方面則具有優勢，所以需要根據實際需求選擇合適的濾芯。

天然氣凈化；氣液分離；聚結分離器；濾芯性能測試

從氣井井場、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，這些雜質如不及時除掉，會對采氣、輸氣、脫硫和天然氣用戶帶來很大的危害，影響生產的正常運行[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增加管道阻力，降低輸氣管道的氣質，還會對金屬產生強烈的沖蝕，導致管線破裂，同時影響設備、閥門和儀表的正常運轉，使壓縮機、燃氣輪機的葉片磨損加速、使用壽命縮短。液態水與烴類等組分在溫度降低時易凝結，將限制管線中天然氣的流動，降低輸氣量，嚴重時會形成冰堵。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，對金屬造成腐蝕，會使管壁厚度大面積減薄或產生局部坑蝕，對設備造成腐蝕和開裂[2-4]。因此將天然氣中夾帶的固體顆粒物和液滴分離出來，提高天然氣的氣質就顯得尤為重要。

目前國內外研究者將研究重點主要在對固體顆粒物的過濾分離研究，但對氣液過濾分離的研究較少，大部分僅停留在分離器的結構以及過濾機理。李逵[5]對大型天然氣過濾工藝和裝置的應用進行了概述提出了一些建議和改進的思路。對于氣液分離過濾器的效率和壓降問題，還需要做更多的研究。

1 氣/液分離設備比較

天然氣生產和管輸過程中主要的氣液分離設備有:旋風分離器、絲網氣液分離器、高效聚結過濾分離器。各類過濾分離過濾機理和過濾效率比較如表1。

表1 氣液分離設備機理和過濾效率Table 1 Principle and efficiency of liquid/gas separator

1.1 旋風分離器

旋風分離器是利用氣體在分離器內高速旋轉而產生離心力將液滴從氣流中分離出來，分離出的液滴匯集在設備內表面靠重力排出。主要用于分離掉天然氣中大部分大于10μm的顆粒物質。旋風分離器具有結構簡單、無運動部件、分離效率較好和阻力低不易堵塞等優點，特別適合于高溫、高壓和有腐蝕的工況下使用。但是旋風分離器對小于 10μm的液滴過濾效果并不理想，同時過濾效率受氣體流量影響顯著，當流量較小時，分離效率顯著下降[6]。

1.2 絲網氣液分離器

絲網氣液分離器，也叫除沫網。用細金屬絲或其他材料制作成絲網層，通常安裝在立式設備的頂部。當含液氣體通過除沫網時，濾層絲網網格阻礙氣流前進，使氣流在繞過絲網時不斷的改變運動速度和運動方向，而液滴則由于慣性沖擊、攔截、布朗擴散、靜電吸附等作用被攔截到纖維或除沫網表面，同其他液滴聚結成大液滴，最后由于重力作用集留于容器底部。絲網氣液分離器的優點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，而且對于含液量較高的氣體過濾分離效果好，精度較高且設備成本低。主要缺點也過濾效率是受氣體流量影響，當流量減小時，分離效率會下降，當流量過大時，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 氣液聚結分離器

氣液聚結分離器通常為立式結構，分為上下兩部分。氣體先從進氣口進入下部的一級旋風分離，經過沉降分離作用過濾出氣體中夾帶的大于300μ m的大液滴，然后向上通過管板進到上部二級聚結區。氣體從聚結濾芯內部流向外部后從頂部的出氣口排出。聚結濾芯為多層結構，最里層為不銹鋼內骨架支撐層，中間層是多褶的玻璃纖維聚結層，聚結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，以滿足聚結濾芯強度上的要求。

氣液聚結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。所以聚結過濾分離器在氣體流量減小時，分離效率會升高，而且其過濾精度高、分離效果最好、設備成本也較低，占地面積小，是去除天然氣中夾帶液滴的較好選擇，在西二線中應用較為普遍。

氣液聚結分離器的氣液分離效率的高低主要取決于過濾元件即聚結濾芯的聚結作用的好壞。進口濾芯生產工藝較為先進，所以分離精度和效率都較高，但是價格成本相應較高。所以為了解決輸送管線運行成本高的問題，各大天然氣運輸管線上都嘗試采用了國內研發生產的濾芯。因此對國產濾芯和進口濾芯的性能檢測及對比就顯得尤為重要。影響濾芯性能的參數有很多，其中最重要的便是效率和阻力。效率關系到能否滿足使用要求，阻力則關系到設備配備的費用，高效率和低壓降是濾芯追求的目標。筆者選擇兩支國內某廠家生產的天然氣濾芯與國外廠家生產的天然氣濾芯分別進行對比實驗，重點研究了國產濾芯和國外濾芯在初始壓降、氣液過濾過程壓降和氣液過濾穩態過濾效率方面的不同及優缺點。

2 氣液分離濾芯性能測試實驗裝置和方法

2.1 實驗裝置

實驗裝置由測試用分離器（內裝測試濾芯）、風道系統、液滴發生器、液滴取樣與檢測裝置組成如1所示。

用液滴發生器發生滿足測試要求的液滴。用清潔的壓縮空氣將液滴噴射入濾芯檢測系統的上游，并保證液滴到達濾芯檢測系統上游的取樣口前分布均勻。使用采樣裝置對被測濾芯上游、下游的液滴分別取樣，再利用光學粒子計數器測量液滴的濃度和粒徑分布，進而計算出被測濾芯的過濾效率。測量上游液滴濃度時，大多數情況下采樣空氣必須經過稀釋，稀釋是為了降低上游濃度過高造成光學粒子技術的重合誤差，采樣空氣的稀釋可通過稀釋器實現。

風道系統采用離心式風機實現吸風負壓操作，整個風道系統要求嚴密。風道的內壁應平整光滑，無銹蝕。采樣管道內的風速應不小于2 m/s。液滴發生裝置發生的介質為癸二酸二辛脂(DOS),這種介質在室溫下基本不會發，保證測試的準確性。風速及風量的測量通過標準皮托管和微型壓差計結合來確定，采用U型壓力計測量濾芯內外壓差，精度為10 Pa[8]。

2.2 實驗結果與分析

實驗中B12、B24分別為兩支國產天然氣聚結濾芯，外徑為114 mm，有效過濾長度為890 mm。檢測使用液體為癸二酸二辛脂（DOS），霧化液滴加液量為3.2 L/h,風機抽風量為86.5 m3/h,環境溫度12℃，濕度45%RH，壓力為大氣壓力。

圖2是三支天然氣聚結濾芯B12、B24和Perry的初始壓降與表觀氣速的對應關系。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系。B24的初始壓降最低，B12的最高，進口濾芯 Perry介于兩者之間，說明B12濾芯比較厚，孔隙率較小，濾芯壓差較大。

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

在天然氣聚結濾芯氣液分離過程中，隨著過濾聚結過程的發生，濾芯的壓降會不斷增加。圖3是B12、B24、Perry三支濾芯的過濾過程壓降與測試時間的對應關系。由圖可知，三支濾芯的壓降最終都達到了穩定狀態。

圖2 濾芯初始壓降Fig.2 Initial pressure drop of filter candle

國產濾芯B12、B24的壓降變化過程基本相似，大致變化可以劃分為四個階段，初始階段、碰撞聚結階段、穩態聚結階段。初始階段，濾芯的壓降變化較小，主要是由于小液滴在聚結層表面被攔截并附著在纖維表面，少量的液滴沒有造成濾芯孔隙率的明顯改變，對氣流的阻礙作用較小，所以壓降變化較平緩。隨著過濾聚結作用的發生，達到碰撞聚結階段。

圖3 濾芯過濾過程壓降Fig.3 Pressure drop of filtration of filter candle

從圖中可以看出壓降在碰撞聚結階段有一個較為顯著的上升過程，這主要是由于，隨著氣液兩相流的向前流動，小液滴被帶到纖維的深層，并且在纖維表面不斷發生碰撞并聚結成大液滴，使纖維上附著的液滴不斷增多、增大，導致纖維直徑增大，濾芯的空隙率不斷變小，因此壓降急速上升。隨著過濾聚結過程的不斷發生，過濾達到穩定聚結階段，此時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到一個相對穩定的階段，濾芯內部的持液量為定值，此時濾芯的壓降也隨時間基本保持不變。而國外Perry濾芯的壓降變化較為平緩，不存在明顯的壓降上升階段。由圖可以看出國產濾芯B12、B24的排液效果不佳，液體堵塞孔隙現象較嚴重，造成濾芯阻力較高，所以濾芯壓降上升較快，穩態壓降較初始壓降相比明顯增加。而進口Perry濾芯孔隙率較大，排液效果較好，液體在濾芯內部并沒有明顯堵塞孔隙，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，穩態壓降較初始壓降相比并無明顯增加。

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2μm以上液滴，累積效率可以達到99.999%以上，而且對于0.3～2μm區間內的較小粒徑的液滴，聚結分離效率比較理想，累積效率也達到了99.5%以上。而進口濾芯Perry雖然對2μm以上液滴，累積效率也達到99.999%也上，但是對于較小微粒的液滴，過濾效果并不理想，對于3μm的液滴累積效率只達到了70%。

3 結論與建議

本文介紹了各類天然氣氣液分離設備的機理和過濾效率，不同的方法設備具有不用的優缺點，其中氣液聚結分離器具有過濾精度高，分級效率高，可靠性高等特點。測試了國內外生產的天然氣聚結濾芯的除液性能，并對三支濾芯的壓降與效率做出了綜合評價，得出以下結論：

（1）國產濾芯B12、B24開始過濾時壓降增長緩慢；伴隨聚結分離的進行，纖維表面附著的液滴導致孔隙率減小，壓降急劇上升；最后液滴聚結排出，達到液體進入與排出的平衡，壓降也穩定不變。進入穩態過濾階段以后，濾芯壓降和過濾器出口濃度都比較穩定。而 Perry的濾芯壓降在整個過程都是緩慢上升，一直到平穩。

（2）過濾表觀氣速越大，濾芯的壓降也越大，兩者呈線性關系。

（3）國產濾芯B12、B24對于2μm以下的較小液滴效果較好聚結分離效果，累積效率相比于Perry等國外濾芯高有明顯的優勢。

綜上所述，以上三支濾芯，按壓降性能來說Perry濾芯起始壓降較低，聚結過程中壓降上升較緩慢，整體壓降性能最佳，B24次之，B12最差。按過濾效率來說，B24濾芯最佳，對于各粒徑的累積效率都較高。B12次之，Perry濾芯最差。因此在實際選用中應該根據需要來綜合考慮。

［1］ 畢思永．長輸天然氣管道過濾器[J].石油科技論壇，2014，1(1)：55-57.

［2］ 姬忠禮. 天然氣輸送用過濾分離設備性能測定與分析[J].中國石油大學學報，2013，37(5)：145-155.

［3］ 楊雪. 天然氣聚結過濾濾芯除液性能測試與分析[D]. 北京：中國石油大學，2008.

［4］ 李昌東，李銳，陳良. 天然氣過濾器的進化效果分析和改進措施[J].城市燃氣，2009，9(5)：8-10.

［5］ 李逵. 大型天然氣過濾器的現狀與改進措施[J].石油礦場機械，2004，33(5)：124-126.

［6］ 李旭. 天然氣用旋風分離器氣固分離性能試驗研究[D]. 北京：中國石油大學，2008.

［7］ 虢國成. 天絲網氣液分離器分離機理分析研究[J].食品與機械，2010，14(5)：98-101．

［8］ 傅偉慶、王成、姬忠禮等. SY/T 6883-2012 輸氣管道工程過濾分離設備規范[S]. 北京：石油工業出版社，2012.

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年畢業于北京化工大學安全工程專業，研究方向：天然氣過濾。E-mail：309637701@qq.com。