劉 震　姬忠禮　吳小林　趙峰霆

1.中國(guó)石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院　2.過(guò)程流體過(guò)濾與分離技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室3.中國(guó)石油大學(xué)（北京）化學(xué)工程學(xué)院

高含硫天然氣過(guò)濾單元性能優(yōu)化

劉 震1, 2姬忠禮1, 2吳小林2, 3趙峰霆2, 3

1.中國(guó)石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院2.過(guò)程流體過(guò)濾與分離技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室3.中國(guó)石油大學(xué)（北京）化學(xué)工程學(xué)院

劉震等.高含硫天然氣過(guò)濾單元性能優(yōu)化.天然氣工業(yè)，2016,36(3):87-92.

為了避免高含硫天然氣濕氣輸送過(guò)程中所夾帶的固體顆粒和液體雜質(zhì)對(duì)天然氣凈化裝置和效果的不良影響，在脫硫工藝前端設(shè)置了由預(yù)過(guò)濾器和聚結(jié)過(guò)濾器所組成的兩級(jí)過(guò)濾單元。針對(duì)某高含硫天然氣凈化廠原料氣過(guò)濾單元存在的聚結(jié)過(guò)濾器濾芯壓降不上升、無(wú)法通過(guò)壓降來(lái)判斷濾芯更換時(shí)間等問(wèn)題，利用兩級(jí)過(guò)濾性能評(píng)價(jià)系統(tǒng)對(duì)比了不同過(guò)濾性能預(yù)過(guò)濾器濾芯和聚結(jié)過(guò)濾器濾芯組合的過(guò)濾性能，發(fā)現(xiàn)其原因在于聚結(jié)過(guò)濾器濾芯對(duì)亞微米級(jí)液滴的聚結(jié)性能不理想、預(yù)過(guò)濾器濾芯和聚結(jié)過(guò)濾器濾芯的性能不匹配。為此，提出了改進(jìn)措施：①改進(jìn)聚結(jié)過(guò)濾器濾芯的聚結(jié)層；②設(shè)置疏油型排液層，改變預(yù)過(guò)濾器濾芯的結(jié)構(gòu)參數(shù)，使之與改進(jìn)后的聚結(jié)過(guò)濾器濾芯的性能相匹配。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：改進(jìn)后聚結(jié)過(guò)濾器濾芯的穩(wěn)態(tài)壓降較在用濾芯降低75%，對(duì)于粒徑為0.3 μm及以上的液滴過(guò)濾效率達(dá)到99.99%，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了預(yù)過(guò)濾器濾芯和聚結(jié)過(guò)濾器濾芯壓降的同步變化?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明：改進(jìn)后的原料氣過(guò)濾單元對(duì)液體雜質(zhì)的過(guò)濾能力提高了1倍，能更有效地保證后續(xù)工藝的安全運(yùn)行。該研究成果為高含硫天然氣過(guò)濾元件設(shè)計(jì)和過(guò)濾系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行提供了參考。

高含硫天然氣 脫硫 預(yù)過(guò)濾 聚結(jié)過(guò)濾 固體顆粒 液體雜質(zhì) 濾芯 壓降 性能匹配

在天然氣凈化過(guò)程中，原料天然氣需先經(jīng)過(guò)原料氣過(guò)濾單元，去除氣相中夾帶的固體顆粒和液體雜質(zhì)，過(guò)濾后的原料氣方可進(jìn)入脫硫單元脫除其中的酸性組分。因此，原料氣過(guò)濾單元是保證高含硫天然氣凈化裝置安全運(yùn)行的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1-3]。

天然氣過(guò)濾方面的研究方法包括實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)、模擬計(jì)算、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)與試驗(yàn)等。Li Baisong等[4]利用光學(xué)粒子計(jì)數(shù)法和濾膜稱(chēng)重法，測(cè)試了“西氣東輸”管道用的3種濾芯，評(píng)價(jià)了壓降、出口濃度、分級(jí)效率等性能指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)所測(cè)濾芯對(duì)粒徑大于2.0 μm液態(tài)氣溶膠的過(guò)濾效率較高。Innocentini等[5]通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試了纖維素、聚丙烯、聚酯和不銹鋼纖維這4種過(guò)濾材料在絕對(duì)壓力為93～693 kPa范圍內(nèi)的滲透特性，發(fā)現(xiàn)壓力增高時(shí)氣體密度增大而導(dǎo)致壓降呈正比上升，并模擬了不同過(guò)濾材料在高達(dá)5 000 kPa高壓狀態(tài)下的壓降。Azadi等[6-7]通過(guò)等速采樣方法現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試了天然氣集輸系統(tǒng)中不同節(jié)點(diǎn)的顆粒物濃度和粒徑分布，認(rèn)為過(guò)濾系統(tǒng)的性能仍需提高。

解決原料氣過(guò)濾單元存在的問(wèn)題，宜采用實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的研究方法，以便盡快應(yīng)用改進(jìn)后的過(guò)濾元件。筆者就高含硫天然氣凈化廠內(nèi)原料氣過(guò)濾單元在運(yùn)行中存在聚結(jié)過(guò)濾器壓降不上升、無(wú)法通過(guò)壓降判斷濾芯更換時(shí)間的問(wèn)題進(jìn)行了分析，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室性能評(píng)價(jià)確定了過(guò)濾元件結(jié)構(gòu)改進(jìn)和兩級(jí)匹配方案，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)考核了改進(jìn)后過(guò)濾元件的過(guò)濾性能和實(shí)際應(yīng)用效果。

1　原料氣過(guò)濾單元

原料氣過(guò)濾單元位于天然氣凈化廠工藝流程的最前端，一般使用預(yù)過(guò)濾器和聚結(jié)過(guò)濾器的兩級(jí)串聯(lián)過(guò)濾方式。預(yù)過(guò)濾器用于去除原料氣中粒徑超過(guò)1.0 μm的固體雜質(zhì)和液滴，聚結(jié)過(guò)濾器則用于去除0.3～1.0 μm的固體顆粒和液滴。原料氣過(guò)濾單元的運(yùn)行流程如圖1所示，1個(gè)過(guò)濾單元由2臺(tái)預(yù)過(guò)濾器和1臺(tái)聚結(jié)過(guò)濾器組成，工作狀態(tài)下2臺(tái)預(yù)過(guò)濾器為1用1備。其工作流程為：含有雜質(zhì)的原料氣首先進(jìn)入預(yù)過(guò)濾器上腔室，從濾芯外表面進(jìn)入濾芯內(nèi)部，這時(shí)較大的固體顆粒和液滴被去除掉，過(guò)濾后的氣體經(jīng)預(yù)過(guò)濾器濾芯下端進(jìn)入下腔室。經(jīng)過(guò)預(yù)過(guò)濾處理的原料氣經(jīng)由預(yù)過(guò)濾器下腔室經(jīng)過(guò)管道進(jìn)入聚結(jié)過(guò)濾器下腔室，這一過(guò)程中會(huì)有一部分透過(guò)預(yù)過(guò)濾器濾芯的顆粒被分離。帶有細(xì)小固體顆粒和液滴的氣體繼續(xù)上升至聚結(jié)過(guò)濾器上腔室的聚結(jié)濾芯內(nèi)部，然后穿過(guò)聚結(jié)濾芯由濾芯外表面流出。被濾芯攔截和凝聚的液滴沿著濾芯外表面落入上腔室，在累積到一定液位后經(jīng)排污閥排出。目前尚難以實(shí)現(xiàn)高含硫天然氣的過(guò)濾器性能在線監(jiān)測(cè)，濾芯更換的依據(jù)為濾芯前后的壓降。當(dāng)過(guò)濾器壓降達(dá)到0.1 MPa時(shí)，需更換新的濾芯。

圖1　天然氣凈化廠原料氣過(guò)濾單元的流程圖

自2010年以來(lái)，開(kāi)展了原料氣濾芯首次國(guó)產(chǎn)化實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，強(qiáng)調(diào)了濾芯應(yīng)滿(mǎn)足過(guò)濾性能要求和延長(zhǎng)使用周期，初步解決了過(guò)濾器頻繁擁堵、進(jìn)口濾芯采購(gòu)周期長(zhǎng)和運(yùn)行成本高等問(wèn)題。然而，在后期的運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)聚結(jié)過(guò)濾器壓降基本不上升，無(wú)法通過(guò)壓降來(lái)判斷聚結(jié)過(guò)濾器是否需要更換濾芯。由于過(guò)濾器筒體內(nèi)的液位上升即說(shuō)明過(guò)濾器捕集到液滴，起到了分離原料氣雜質(zhì)的作用，因此可以改為根據(jù)過(guò)濾器筒體內(nèi)的液位變化來(lái)判斷是否需要更換濾芯。若濾芯未達(dá)到使用壽命而被提前更換，會(huì)造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。而如果在濾芯失效時(shí)仍繼續(xù)使用，則會(huì)影響后續(xù)工藝的安全。為此，需要分析該問(wèn)題的原因并予以解決。

2　過(guò)濾單元評(píng)價(jià)

建立專(zhuān)門(mén)的濾芯性能評(píng)價(jià)方法及裝置，重點(diǎn)分析預(yù)過(guò)濾器與聚結(jié)過(guò)濾器間的匹配性能，以確定現(xiàn)場(chǎng)存在問(wèn)題的原因。

2.1評(píng)價(jià)方法

在實(shí)驗(yàn)室利用濾芯過(guò)濾性能評(píng)價(jià)系統(tǒng)對(duì)改進(jìn)前后的濾芯及兩級(jí)過(guò)濾組合進(jìn)行對(duì)比，該評(píng)價(jià)系統(tǒng)參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[8-9]建立，使用癸二酸二辛酯作為實(shí)驗(yàn)液體霧化生成液態(tài)氣溶膠，李柏松等[10-11]和熊至宜等[12]驗(yàn)證了該評(píng)價(jià)系統(tǒng)的可靠性驗(yàn)證了該評(píng)價(jià)系統(tǒng)的可靠性。為便于考察兩級(jí)過(guò)濾的整體性能，在原有聚結(jié)濾芯單元前設(shè)置預(yù)過(guò)濾單元，改為與現(xiàn)場(chǎng)原料氣過(guò)濾單元流程類(lèi)似的兩級(jí)過(guò)濾單元（圖2）。按照原料氣過(guò)濾單元的工藝流程，氣體由預(yù)過(guò)濾器濾芯外部流向?yàn)V芯內(nèi)部，而后由聚結(jié)過(guò)濾器濾芯內(nèi)部流向?yàn)V芯外部。在每級(jí)過(guò)濾筒體的進(jìn)出口管路上安裝等速采樣裝置，樣品氣通過(guò)Welas 3000型氣溶膠粒徑譜儀在線測(cè)出液滴濃度和粒徑分布等參數(shù)，其測(cè)量范圍為0.3～40.0 μm。壓差變送器用于測(cè)量濾芯上下游的壓差并記錄，量程為0～10 kPa。涉及的實(shí)驗(yàn)操作參數(shù)為：室溫條件下，表觀過(guò)濾速度為0.1 m/s，入口濃度約為200 mg/m3，測(cè)試指標(biāo)為過(guò)濾過(guò)程壓降、液滴粒徑分布和穩(wěn)定狀態(tài)過(guò)濾效率。

圖2　兩級(jí)過(guò)濾元件性能評(píng)價(jià)系統(tǒng)圖

2.2問(wèn)題分析

圖3為3組具有代表性的兩級(jí)組合方式壓降的對(duì)比，其中預(yù)過(guò)濾器濾芯A1和聚結(jié)過(guò)濾器濾芯C1為現(xiàn)場(chǎng)在用濾芯，預(yù)過(guò)濾器濾芯A0為過(guò)濾效率次于A1的普通濾芯，聚結(jié)過(guò)濾器濾芯C0為過(guò)濾效率優(yōu)于C1的某型號(hào)進(jìn)口濾芯。

首先考察現(xiàn)場(chǎng)在用A1與C1兩級(jí)過(guò)濾組合的性能，如圖3-a所示。濾芯A1的過(guò)濾過(guò)程壓降曲線符合一般液態(tài)氣溶膠過(guò)濾的變化趨勢(shì)[13-14]，經(jīng)過(guò)一段快速上升期后到達(dá)穩(wěn)定過(guò)濾階段，壓降保持在3.3 kPa，而濾芯C1的壓降始終保持在初始?jí)航抵?，?yàn)證了現(xiàn)場(chǎng)存在聚結(jié)過(guò)濾器壓降上升緩慢的問(wèn)題。此外，預(yù)過(guò)濾器濾芯基本除去了粒徑超過(guò)2.0 μm的液滴，聚結(jié)過(guò)濾器濾芯的出口濃度相比其進(jìn)口濃度并未發(fā)生明顯降低，說(shuō)明濾芯C1對(duì)粒徑小于2.0 μm液滴的聚結(jié)過(guò)濾效果不理想。

為證明上述結(jié)論，考察A1與C0兩級(jí)過(guò)濾組合的性能，如圖3-b所示。此時(shí)濾芯A1的過(guò)濾過(guò)程壓降依然為快速上升后保持穩(wěn)定。而濾芯C0的過(guò)濾過(guò)程壓降也經(jīng)歷了相對(duì)較長(zhǎng)的緩慢上升期和快速上升期，并逐漸達(dá)到穩(wěn)定。此組合下的總出口濃度明顯降低，即濾芯C0起到了對(duì)亞微米級(jí)液滴的聚結(jié)過(guò)濾作用，說(shuō)明濾芯C1的性能尚需提高。

當(dāng)A0與C1兩級(jí)過(guò)濾組合使用時(shí)，發(fā)現(xiàn)在濾芯A0對(duì)液態(tài)氣溶膠的過(guò)濾性能較A1有所下降時(shí)，液滴的透過(guò)率高，濾芯C1的入口液滴粒徑較大、濃度較高，使得濾芯C1對(duì)預(yù)過(guò)濾后的液態(tài)氣溶膠起到了一定的過(guò)濾作用。因此，濾芯C1的過(guò)濾過(guò)程壓降出現(xiàn)了正常的變化曲線，如圖3-c所示。

圖3　3組具有代表性的兩級(jí)過(guò)濾過(guò)程壓降圖

通過(guò)上述3組兩級(jí)過(guò)濾組合性能測(cè)試，分析得到現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)問(wèn)題的原因在于：①現(xiàn)場(chǎng)原料氣過(guò)濾單元的兩級(jí)過(guò)濾形式只有預(yù)過(guò)濾器起作用，聚結(jié)過(guò)濾器濾芯對(duì)亞微米級(jí)液滴的過(guò)濾性能不足，導(dǎo)致不能有效捕集從預(yù)過(guò)濾器濾芯透過(guò)的顆粒；②現(xiàn)場(chǎng)在兩級(jí)過(guò)濾設(shè)計(jì)時(shí)未考慮預(yù)過(guò)濾器濾芯和聚結(jié)過(guò)濾器濾芯的性能匹配，即尚未實(shí)現(xiàn)預(yù)過(guò)濾器濾芯負(fù)責(zé)除去粒徑為2.0 μm及以上顆粒和聚結(jié)過(guò)濾器濾芯負(fù)責(zé)除去粒徑為0.3 μm及以上顆粒的合理分工。

3　性能改進(jìn)與匹配

依據(jù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題的分析結(jié)果，擬提出以下改進(jìn)措施：①通過(guò)改變聚結(jié)過(guò)濾器濾芯的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)亞微米級(jí)液滴低阻高效聚結(jié)過(guò)濾的目的；②基于工藝設(shè)計(jì)的要求和便于運(yùn)行維護(hù)的目的，最佳的兩級(jí)匹配形式應(yīng)為既能實(shí)現(xiàn)兩級(jí)過(guò)濾分工合作和各自的壓降變化同步，又能使總壓降最低以減少能耗。因過(guò)濾器原有尺寸的限制，改進(jìn)后的濾芯采用與在用濾芯相同的外形尺寸。為與在用濾芯的編號(hào)相對(duì)應(yīng)，將改進(jìn)后的預(yù)過(guò)濾器濾芯編號(hào)為A2，改進(jìn)后的聚結(jié)過(guò)濾器濾芯編號(hào)為C2。

3.1聚結(jié)過(guò)濾器濾芯改進(jìn)

實(shí)驗(yàn)室測(cè)定發(fā)現(xiàn)，濾芯C1不能有效捕集亞微米級(jí)液滴，且被捕集的液滴易擁堵于親油性排液層，不僅顯著增加了壓降，而且在氣流作用下易發(fā)生液滴二次夾帶[15-17]。為此，在濾芯C1的基礎(chǔ)上選取纖維直徑更小的過(guò)濾材料，以提高對(duì)粒徑為0.3～1.0 μm液滴的捕集能力。對(duì)濾芯聚結(jié)層進(jìn)行了結(jié)構(gòu)固化，提高了抗工況波動(dòng)的能力。將排液層改為疏油疏水型纖維材料，使聚結(jié)而成的液體及時(shí)在排液層排出，減少了液體滯留量，同時(shí)降低了液滴夾帶的風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)對(duì)濾芯C2進(jìn)氣側(cè)的過(guò)濾材料做折波處理，增大了過(guò)濾面積，使得相同氣量下濾芯C2的初始?jí)航当葹V芯C1低約30%。改進(jìn)前后聚結(jié)過(guò)濾器濾芯的性能對(duì)比如圖4所示，濾芯C2在穩(wěn)定聚結(jié)狀態(tài)下的壓降僅為濾芯C1的25%，但對(duì)于 粒徑為0.3 μm及以上的液滴過(guò)濾效率達(dá)到99.99%，過(guò)濾性能得到明顯提升。

圖4　改進(jìn)前后聚結(jié)過(guò)濾器濾芯的性能對(duì)比圖

3.2濾芯性能匹配

當(dāng)確定選用性能較好的濾芯C2時(shí)，可適當(dāng)降低預(yù)過(guò)濾器濾芯的過(guò)濾性能，以實(shí)現(xiàn)兩級(jí)過(guò)濾的合理分工。通過(guò)改變預(yù)過(guò)濾器濾芯的濾材孔隙率和纖維直徑等參數(shù)，最終確定了與濾芯C2相匹配的預(yù)過(guò)濾器濾芯A2。在同樣的氣液過(guò)濾實(shí)驗(yàn)條件下，濾芯A1的穩(wěn)態(tài)壓降約為3.0 kPa，而濾芯A2需要5倍于濾芯A1的時(shí)間才達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，且穩(wěn)態(tài)壓降僅為1.5 kPa。濾芯A2對(duì)粒徑小于2.0 μm液滴的過(guò)濾效率較濾芯A1有所降低，使得更多的粒徑小于2.0 μm的液滴透過(guò)濾芯A2，由濾芯C2負(fù)責(zé)處理，降低了預(yù)過(guò)濾器的運(yùn)行負(fù)荷。

圖5反映了濾芯A2與C2的兩級(jí)過(guò)濾過(guò)程壓降，可以看出濾芯A2與C2的壓降隨時(shí)間變化而同時(shí)階段性上升。從整體的穩(wěn)態(tài)累積過(guò)濾效率來(lái)看，對(duì)粒徑為0.3 μm及以上的液滴過(guò)濾效率達(dá)到了99.99%，表明通過(guò)改進(jìn)聚結(jié)過(guò)濾器濾芯的排液層，不僅避免了液滴夾帶現(xiàn)象，而且保證了過(guò)濾單元的出口氣質(zhì)，降低了兩級(jí)串聯(lián)總壓降。相比于在用濾芯A1和C1組合，改進(jìn)后濾芯A2和C2的整體過(guò)濾性能有了明顯提升，將通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)一步考察改進(jìn)后的預(yù)過(guò)濾器濾芯與聚結(jié)過(guò)濾器濾芯組合的實(shí)際效果。

圖5　濾芯A2與C2的兩級(jí)過(guò)濾過(guò)程壓降圖

4　現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

選擇天然氣凈化廠內(nèi)某聯(lián)合裝置的2個(gè)系列裝置（簡(jiǎn)稱(chēng)1系列和2系列），對(duì)在用濾芯和改進(jìn)后濾芯進(jìn)行性能對(duì)比試驗(yàn)。1系列為對(duì)照組，2臺(tái)預(yù)過(guò)濾器均安裝在用濾芯A1，聚結(jié)過(guò)濾器安裝在用濾芯C1。2系列為試驗(yàn)組，2臺(tái)預(yù)過(guò)濾器均安裝濾芯A2，聚結(jié)過(guò)濾器安裝濾芯C2。每個(gè)系列的進(jìn)氣壓力為8 MPa，正常處理氣量為12×104m3/h，試驗(yàn)過(guò)程中記錄原料氣過(guò)濾單元進(jìn)氣壓力和流量、預(yù)過(guò)濾器和聚結(jié)過(guò)濾器的壓降和筒體內(nèi)的液位。

4.1壓降變化

選取現(xiàn)場(chǎng)得到的1 000 h內(nèi)進(jìn)氣壓力和流量的試驗(yàn)記錄（圖6），可以看出對(duì)照組和試驗(yàn)組的進(jìn)氣壓力均穩(wěn)定在8 MPa。試驗(yàn)組的處理氣量整體上比對(duì)照組少約1×104m3/h，這與2個(gè)系列裝置的位置和阻力等因素有關(guān)。兩者的壓力和流量趨勢(shì)一致，保證了2組數(shù)據(jù)的可比性。

圖6　現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)原料氣入口的壓力和處理氣量示意圖

受處理氣量和氣質(zhì)變化的影響，試驗(yàn)組和對(duì)照組的壓降均有所波動(dòng)(圖7)。在運(yùn)行1 000 h后，對(duì)照組的聚結(jié)過(guò)濾器壓降除了隨流量變化而有所波動(dòng)外，未見(jiàn)明顯上升，而試驗(yàn)組的聚結(jié)過(guò)濾器壓降上升至約7 kPa。此外，試驗(yàn)組的預(yù)過(guò)濾器和聚結(jié)過(guò)濾器呈現(xiàn)同步上升的趨勢(shì)。由于現(xiàn)場(chǎng)工況下壓降上升主要由于固體雜質(zhì)擁堵在過(guò)濾材料表面或內(nèi)部。因此2組壓降的差異說(shuō)明試驗(yàn)組濾芯對(duì)原料氣中的固體雜質(zhì)起到了更有效的捕集作用。

圖7　現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過(guò)程中聚結(jié)過(guò)濾器的壓降變化圖

4.2排液量

按照現(xiàn)場(chǎng)操作規(guī)程，當(dāng)過(guò)濾器筒體內(nèi)的液位達(dá)到液位計(jì)總量程的30%時(shí)，需進(jìn)行排液操作，使筒體內(nèi)累積的液體進(jìn)入排污管道。因此可以通過(guò)排液次數(shù)和排液時(shí)的液位來(lái)計(jì)算試驗(yàn)過(guò)程中的累積排液量，進(jìn)而計(jì)算出濾芯的液體捕集量。

對(duì)照組和試驗(yàn)組的聚結(jié)過(guò)濾器排液量如圖8所示。對(duì)應(yīng)圖6可發(fā)現(xiàn)，液位的增長(zhǎng)與流量的變化有對(duì)應(yīng)關(guān)系：在處理量為12×104m3/h時(shí)，2組過(guò)濾器的液位均增長(zhǎng)迅速，排液操作頻繁；當(dāng)處理氣量下降到約8×104m3/h時(shí)，液位增長(zhǎng)速度明顯放緩，僅有1～2次排液操作。這說(shuō)明氣體處理流量降低時(shí)可能會(huì)顯著減少雜質(zhì)夾帶量。此外，單根濾芯處理流量的變化會(huì)影響濾芯過(guò)濾性能，進(jìn)而導(dǎo)致液體捕集量變化[18]。

圖8　現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中聚結(jié)過(guò)濾器上腔體液位的變化圖

在所選取的1 000 h內(nèi)，對(duì)照組聚結(jié)過(guò)濾器排液操作15次，累積排液量為0.95 m3，而在相同時(shí)間內(nèi)試驗(yàn)組聚結(jié)過(guò)濾器排液操作28次，累積排液量為2.03 m3，即在相同工況條件下，試驗(yàn)組聚結(jié)過(guò)濾器濾芯攔截的液體量約為對(duì)照組的2倍。

5　結(jié)論

1）高含硫天然氣凈化廠的原料氣具有硫化氫含量高、工況波動(dòng)大、含液量多等特點(diǎn)，要求作為非標(biāo)準(zhǔn)件的過(guò)濾元件具有較好的抗腐蝕性、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和納污能力，在選用過(guò)濾元件的型號(hào)和材料時(shí)需綜合考慮運(yùn)行工況、過(guò)濾性能要求和運(yùn)行成本等因素。

2）與氣固過(guò)濾會(huì)形成濾餅和壓降持續(xù)上升的特點(diǎn)不同，氣液過(guò)濾會(huì)發(fā)生液滴的攔截、聚結(jié)、運(yùn)移和夾帶等過(guò)程，并最終達(dá)到一個(gè)穩(wěn)態(tài)壓降。選用疏油疏水型排液層過(guò)濾材料，促進(jìn)液體及時(shí)排出，可顯著減少液滴夾帶量和降低穩(wěn)態(tài)過(guò)濾壓降。

3）在提高預(yù)過(guò)濾器濾芯和聚結(jié)過(guò)濾器濾芯本身性能的同時(shí)，還需考慮到兩級(jí)過(guò)濾之間的分工和性能匹配關(guān)系，實(shí)現(xiàn)過(guò)濾單元的低阻高效運(yùn)行。

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（修改回稿日期2016-01-08編 輯何明）

Performance improvement of a high-sulfur natural gas fi ltration unit

Liu Zhen1,2, Ji Zhongli1,2, Wu Xiaolin2,3, Zhao Fengting2,3
(1. College of Mechanical and Transportation Engineering, China University of Petroleum, Beijing 102249, China; 2. Beijing Key Laboratory of Process Fluid Filtration and Separation, Beijing 102249, China; 3. College of Chemical Engineering, China University of Petroleum, Beijing 102249, China)
NATUR. GAS IND. VOLUME 36, ISSUE 3, pp.87-92, 3/25/2016. (ISSN 1000-0976; In Chinese)

For avoiding the adverse impacts on natural gas purification process from solid particles and liquid impurities carried by wet acid gas during its transportation, a two-stage filtration unit consisting of a pre-filter and a coalescence filter is set at the front-end of desulfurization process. In a certain acid gas purification plant, the pressure drop of the coalescence filter cartridge did not rise so that the replacement time of the filter cartridge was impossible to be diagnosed on the basis of pressure drop. In view of this, different combinations of twostage filter cartridges were compared by using a two-stage filtration performance evaluation system. As being revealed, the problem was induced by the fact that the capture ability of coalescence filter for sub-micron droplets was not as ideal as the expectation and both filters were not matched in the filtration performance. Thus, two improvement measures were put forward: to optimize the coalescence layers of coalescence filter cartridges and to set the hydrophobic drainage layers on the coalescing filter and adjust the structure parameters of the pre-filter cartridge to match with the improved coalescence filter cartridge. Experimental results show that the steady pressure drop of the improved coalescence filter cartridge is reduced by 75%, and the filtration efficiency reaches 99.99% for the droplets with diameter ≥ 0.3 μm. Furthermore, synchronous pressure drop evolution is also realized between the pre-filter and the coalescence filter. Field tests reveal that the liquid capturing capacity is doubled by means of the improved filtration unit and the safe operation of subsequent process can be guaranteed effectively. This study provides reference for the design of natural gas filter cartridges and the optimization of natural gas filtration systems.

Acid gas; Desulfurization; Pre-filter; Coalescence filter; Solid particle; Liquid impurity; Filter cartridge; Pressure drop; Performance matching

10.3787/j.issn.1000-0976.2016.03.012

國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)“百億方級(jí)凈化廠安全運(yùn)行技術(shù)優(yōu)化”（編號(hào):2011ZX05017-005）、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“天然氣凈化用氣液聚結(jié)濾芯過(guò)濾分離機(jī)理研究”（編號(hào):51376196）。?

劉震，1987年生，博士研究生；主要從事天然氣過(guò)濾技術(shù)的研究工作。地址:（102249）北京市昌平區(qū)府學(xué)路18號(hào)。電話: （010）89734336。ORCID:0000-0002-0108-386X。E-mail:liuzhen629@126.com

姬忠禮，1963年生，教授，博士生導(dǎo)師，博士；主要從事多相流分離與檢測(cè)技術(shù)的研究工作。地址:（102249）北京市昌平區(qū)府學(xué)路18號(hào)。電話:（010）89734336。E-mail:jizhongli63@vip.sina.com