基于顆粒在線檢測的天然氣過濾器運行特性分析

劉艷紅 李虎

摘 要：天然氣水合物是在高壓、低溫條件下形成的類冰狀籠型晶體化合物簇。天然氣的使用已成為未來能源發展的主要趨勢，水合物法儲運天然氣是近年來業內關注的熱點，但在工業應用過程中遇到的最典型的問題是其形成速度慢、轉化率低導致儲存能力不足。鑒于此，本文對顆粒在線檢測的天然氣過濾器運行特性進行分析，以供參考。

關鍵詞：金屬顆粒;金屬纖維;天然氣水合物;生成強化

1 原理和結構

過濾器內29根濾芯整齊排列，在捕集腔內形成蜂窩狀（圖1-a），其入口管道長度、出口管道長度、濾芯長度等尺寸如圖1-b所示。攜帶粉塵的氣體從入口管道流入過濾器捕集腔內，通過濾芯捕集，顆粒在捕集腔內被脫除，經過濾芯的中空流道進入收集腔，再經過氣體收集腔流出過濾器（圖1-c）。

2 納米顆粒的基本性質

納米材料是指在三維空間中至少一維在1～100納米范圍內的材料，是一種典型的介觀系統物質。納米材料可以根據不同的分類方法分為許多種類，其中有四種普遍接受的分類方法。納米粒子尺寸小，比表面積大，表面原子數量、表面能和表面張力與粒子尺寸成反比，這使得納米粒子具有以下特性：小尺寸效應、表面效應、量子尺寸效應和宏觀量子隧道效應，并由此衍生出許多傳統固體粒子所不具備的特殊性質。納米粒子的表面效應和小尺寸效應是影響水合物生長特性的主要方面。

3 天然氣質量的提升

3.1 天然氣產品質量標準

作為強制性國家標準，GB17820-2018《天然氣》是天然氣行業最重要的質量標準。本標準于1999年首次發布，對較高的熱值、總硫、硫化氫等質量指標提出了明確的技術要求。2012年，在充分調研部分國外輸氣管道和國際貿易的質量技術要求以及我國生產和輸送的天然氣質量狀況的基礎上，修訂了《天然氣》GB17820-1999，形成了《天然氣》GB17820-2012，允許一類氣和二類氣進入長輸管網。gb 17820-2018天然氣的新修訂版于2019年6月1日生效。與2012年版本相比，主要修訂了一類空氣和一類空氣的高溫、二氧化硫和硫化氫的一般測量結果。在這次修訂中，進入長管道的氣體也被標記為氣體類。與2012年版相比，進入長輸管道的天然氣熱量從31.4MJ/m3上升到34.0MJ/m3，二氧化硫排放限值從200mg/m3下降到20mg/m3，將硫水位從20mg/m3下降到6mg/m3。

3.2 進入長輸管道的天然氣質量標準

我國天然氣質量指標主要受GB17820-2018的限制。然而，隨著我國煤層氣、煤基天然氣、頁巖氣等非常規天然氣產量的不斷增加，我國天然氣供應模式已經從單一的國內生產氣轉變為多源多類型天然氣，通過干線混合輸送，通過網絡供應。不同氣源的天然氣和天然氣替代品氣質不同，物理性質也不同，如密度、壓縮系數等可能影響管道輸送和計量的指標，以及一些可能影響管道輸送的重要成分也可能不同。為此，在研究GB17820-2018和Q/SY30-2002《長輸天然氣管道質量要求》的基礎上，結合非常規天然氣和天然氣替代品的氣質特點，制定了GB/T 37124-2018《天然氣長輸管道進氣質量要求》，主要針對進入長輸天然氣管道的氣體，包括煤層氣、頁巖氣和煤制合成天然氣等。滿足煤層氣、頁巖氣和煤制合成天然氣生產、運輸和利用的評價和質量控制標準化要求，確保天然氣長輸管網安全穩定運行和下游用氣安全。

4 天然氣氣質檢測新技術

4.1 GC-μTCD氣相色譜微型熱導檢測技術

傳統的分析模式是從實驗室返回樣品進行分析。隨著檢測技術的發展，新的分析模式是執行一個分析程序，逐步將儀器轉換成較小、便攜和在線的系統，以滿足生產現場的檢測要求。該新型GC-μc色溫微溫度計是基于硅半導體技術中輸入、分離和測試系統的集成，形成了一系列適應用戶實際需要的即插即用模塊，可研究H2S、COS等10多種二氧化硫材料，分析時間短，精度高，檢測范圍廣。微架構體積更小，相較于傳統色域，可提供線上辨識功能。

4.2 氧含量測定技術

采用基于電化學原理的燃料電池全密封氧傳感器是國際氧測量的最新方法之一。燃料電池氧傳感器由高活性氧和鉛電極組成，這些電極未浸在椰子溶液中。在南極，氧氣被還原為氫根和陽極化鉛濃度。反應公式如下：

O2+2H2O+4e→4OH-

2Pb+4OH-→2Pb（OH）2+4e

根據管道天然氣中氧含量的檢測要求，結合GB/T37124-2018中關于長輸管道中氧的摩爾分數不大于0.1%的規定，利用便攜式電化學微氧分析儀對不同濃度氮氣中氧的一次氣體標準物質進行了相關實驗。六個樣品的差值與標準值的比值均小于3%，表明該方法的測量結果與標準值吻合較好。

5 結果與分析

5.1 天然氣水合物生成

利用納米銅與不銹鋼纖維這兩種介質，不僅能在水合反應體系中構建親水性表面的網絡結構，也可以利用金屬的熱傳導性將水合反應熱向釜外傳遞。SDS溶液體系與復配溶液體系中生成天然氣水合物的實驗條件與結果，將儲氣量累計達到儲氣終值的90%時所用時間記為t90。對比兩種天然氣水合物生成體系的實驗結果發現，在復合懸浮溶液體系中，水合物形成不僅表現出更好的儲氣能力，而且表現出比SDS溶液體系更快的氣體吸收速率。

5.2 水合物生成強化機理分析

復合懸浮溶液體系中納米銅可以提供較大的比表面積，粗糙的金屬表面為天然氣水合物提供結晶點，促進成核;納米銅的高導熱性也可以增強溶液的導熱速率，加快移除表面活性劑溶液水合過程的水合熱，相比于表面活性劑溶液的儲氣特性有了很大改善，但相鄰納米銅顆粒之間水合熱的傳遞要通過水合物層，無法形成一個連續的金屬導熱體系。不銹鋼纖維既可以提供粗糙的表面，為水合物成核提供結晶點，較大的比表面積又可以增加氣液接觸面積，金屬的高導熱特性與其具備的連續性可以幫助快速移除體系中的水合產熱。

分析納米銅與不銹鋼纖維在水合過程中的強化導熱性能，假設水合物是從釜壁向釜內、從不銹鋼纖維和納米銅表面向四周生長，水合熱從水合物反應區域向低溫反應釜壁傳遞。水合物在納米銅顆粒表面生成時，水合反應熱可能進入顆粒內部積聚，其速度大于從反應體系中向釜外傳遞熱量的速度，因而反應過程前期水合體系溫度升高。熱量可以通過溶液或附近的納米銅粒子快速傳遞到較低溫度的區域，相鄰納米銅顆粒之間的水合熱借助溶液與懸浮金屬的傳導，最終通過選擇小熱阻的路徑傳遞到反應釜壁。

6 結束語

濾芯更換標準的確定是國內外研究的重點和難點。對于高壓天然氣過濾器，隨運行時間增長進、出口壓差不斷增大的同時，除塵效率呈下降趨勢，這是因為濾芯纖維會被粉塵堵塞導致壓差升高，同時，濾材表面老化，大粒徑顆粒穿透，使除塵效率下降。發現由于濾材被粉塵堵塞，濾芯使用末期除塵效率維持在較低水平。開展了不同孔隙率濾芯的粉塵捕集實驗，實驗結果表明壓差曲線斜率突然升高的節點可以作為濾芯壽命突降的拐點。發現在粉塵濃度一定時，當氣體輸量增加時，壓差加速上升，同時，后期除塵效率呈降低趨勢。

參考文獻：

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