盧國敏 趙英杰 張玉燕

城鎮(zhèn)燃氣門站天然氣梯級除塵除油裝置的凈化性能

盧國敏1趙英杰2張玉燕1

1.上海天然氣管網(wǎng)有限公司 2.上?；ぱ芯吭河邢薰?/p>

為了評價天然氣梯級除塵除油凈化裝置的凈化性能,通過對上海管網(wǎng)天然氣某門站天然氣梯級除塵除油凈化裝置進行凈化性能分析試驗研究,闡述了其結構和性能特點,并通過現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)分析與顆粒流動演示,研究了除油除塵效果、運行壓差、油水粉塵雜質(zhì)捕集量。研究表明,系列梯級除塵除油凈化預處理裝置初始壓降0～1 k Pa,運行30天后,壓差僅為5～6 k Pa,30天內(nèi)密度梯度過濾單元納污量達615.3 kg,單位濾料的雜質(zhì)捕集量為24.1 kg,適合于高氣量壓力波動、高油水粉塵含量等復雜天然氣輸配工況。

天然氣管網(wǎng) 除塵除油 凈化裝置 旋風分離 梯度過濾 排污放散

上海天然氣管網(wǎng)十幾年來沿上海外環(huán)線和郊環(huán)線布局,逐步分段敷設壓力等級為1.6 MPa、4.0 MPa、6.0 MPa的天然氣高壓輸配管道及相應配套設施,建立了30多個天然氣計量站及調(diào)壓門站,在整個上海形成“南北貫通、東西互補、兩環(huán)相連”,總長超過500 km的上海天然氣主干管網(wǎng)。隨著天然氣建設的快速發(fā)展,對管網(wǎng)天然氣的工業(yè)凈化高新技術和規(guī)模需求也達到了一個新的高度。天然氣管網(wǎng)在建設過程中天然氣輸配送工藝和調(diào)壓計量設備對天然氣氣質(zhì)的要求越來越高,輸配送系統(tǒng)中存在突發(fā)大量管線粉塵、油水、泥漿及其他雜質(zhì)的復雜工況,對天然氣的凈化專業(yè)技術要求越來越高,采用濾筒濾芯等傳統(tǒng)的單一凈化技術已不能滿足要求[1-2]。

針對上述現(xiàn)狀,開發(fā)了HGSD系列梯級除塵除油凈化預處理裝置[4-6],以上海天然氣管網(wǎng)公司某門站天然氣梯級除塵除油凈化裝置為例,進行相關凈化性能研究,為后續(xù)裝置的優(yōu)化設計及操作運行提供參考。

1 現(xiàn)場試驗

1.1 天然氣參數(shù)

(1)入口流量:960×104m3/d。

(2)天然氣組分見表1。

表1 天然氣組分表Table 1 Natural gas components φ/%

(3)運行溫度:10～15℃。

(4)運行壓力(A):3.0～6.0 MPa。

1.2 試驗儀器

XP64000L型梅特勒-托利多試驗天平、V15712-HD1A1C7E型羅斯蒙特差壓變送器、G400型埃爾斯特流量計、S3500藍波1型麥奇克粒度分析儀、S-4800型日立掃描電子顯微鏡。

1.3 試驗過程

天然氣梯級除塵除油凈化試驗裝置是由受限空間沉降分離、E-II型高效旋風分離兩級預處理及HGSD密度梯度過濾器3部分組成的一體式梯級凈化技術[3],現(xiàn)場試驗裝置結構如圖1所示。

首先,含油水粉塵的天然氣由裝置入口進入由裝置下部腔體組成的第一級受限空間沉降分離單元,油水粉塵雜質(zhì)經(jīng)過受限空間沉降分離后,100μm粗粒徑范圍以上雜質(zhì)首先被分離出來;然后,由入口進入到內(nèi)置的第二級E-II型旋風分離單元,經(jīng)過E-II型旋風分離后,100～20μm中間粒徑范圍的雜質(zhì)被分離處理;最后,天然氣通過導氣管由上而下經(jīng)過填裝特制中空纖維濾料的密度梯度過濾單元,如圖2所示。密度梯度過濾單元填裝系列多孔纖維濾料:每種濾料具有沿氣流方向梯度減小的空隙率和過濾性能。典型填裝方案:SRI1#數(shù)量35片,每片厚度20 mm,濾料的壓縮比為30%;SRI3#數(shù)量15片,每片厚度20 mm,濾料的壓縮比為25%;SRI8#數(shù)量1片,每片厚度30 mm,濾料的壓縮比為10%。一定時間后取出濾料,進行凈化效果分析。受限沉降分離單元和E-II型旋風分離單元得到的雜質(zhì)經(jīng)旋風中間灰斗通過排污管道匯集到排污放散裝置進行雜質(zhì)重力測量。

2 結果與討論

2.1 受限空間沉降單元的凈化性能

如圖1所示,當天然氣由進氣口進入E-II型旋風分離器前,首先進入受限空間沉降室,由于空間成倍放大的因素,氣體流速得到迅速降低。根據(jù)重力加速度與水平速度公式,計算得出粒徑在100μm以上的大顆粒雜質(zhì)被分離,落入裝置下部筒體。沉降原理與壓力容器限定的整體結構優(yōu)化,受限空間沉降效應僅僅利用裝置下部旋風分離器周圍的空間,不增加額外設備空間。

同時,基于非均相流體動力學理論,通過受限空間內(nèi)沉降分離顆粒流動模擬演示,研究封閉受限空間內(nèi)沉降的雜質(zhì)顆粒的流動情況。在模擬計算中,采用Rosin-Rammler粒徑分布模型,N值為3.5,d值為10-5m,粒徑范圍為10-4～10-8m。由 Rosin-Rammler粒徑分布模型的特點可知,較大顆粒質(zhì)量分數(shù)較高,細微顆粒質(zhì)量分數(shù)較低,這基本符合天然氣管道中粉塵顆粒的一般規(guī)律。如圖3(a)、圖3(b)所示,對于100～50μm粒徑范圍內(nèi)的雜質(zhì)顆粒,接近100 μm粒徑的顆粒能夠落入裝置底部;而對接近于50 μm的雜質(zhì)顆粒,其氣流經(jīng)裝置筒體底部運動后繼續(xù)沿氣流方向運動,并沒有落入裝置底部;通過對比60～20μm粒徑范圍內(nèi)的顆粒運動軌跡,可以發(fā)現(xiàn)當粒徑達到20μm時,沉降對其完全失去作用。如圖3(c)、圖3(d)所示,隨著入口氣速的增加,顆粒運動軌跡越來越復雜,影響整體顆粒雜質(zhì)的沉降效率,表明沉降分離在條件允許的情況下,降低其入口氣速能夠顯著提高沉降效率。如圖4所示,受限空間重力沉降室分離得到的主要為大顆粒狀固體雜質(zhì),說明其對大顆粒雜質(zhì)確實能夠進行有效的沉降分離。

2.2 E-II型旋風分離單元的凈化性能

如圖1所示,含油水粉塵雜質(zhì)天然氣由受限空間沉降單元進入內(nèi)置式E-II型旋風分離單元,依靠高速離心力的原理對20μm的粉塵顆粒及油水滴進行分離[4]。區(qū)別于常規(guī)的旋風分離器,E-II型旋風分離器采用異形進口和入口漸縮形導流擋板形式,對渦流具有較大的抑制作用,能夠高效低阻地進行除塵除油。

圖5所示為采用Rosin-Rammler粒徑分布模型,不同粒徑及旋風入口氣速的粉塵顆粒在旋風分離單元內(nèi)的運動軌跡。由圖5可以看出,雜質(zhì)顆粒進入矩形進氣口后,受切向力作用,雜質(zhì)顆粒開始作旋轉(zhuǎn)運動,大直徑的顆粒首先在離心力的作用下沿壁面運動,同時在重力的作用下快速下行,合成的軌跡為螺旋下降運動,并最終沉降到底部;1～20μm的顆粒由于自身質(zhì)量較小,很容易受到氣流的連續(xù)相影響,跟隨連續(xù)相由中心管逃逸出旋風分離器。如圖5(a)、圖5(b)所示,直徑在20μm以下的小顆粒逐漸在中心軸線處匯集并隨主流向上運動,直徑在20μm以上的大顆粒卻沿著壁面逐漸下降至底部,并最終沉降下來。說明旋風分離單元對直徑20μm以上的顆粒具有較高的分離能力。

如圖6所示,E-II型高效旋風分離器下部灰斗排放出的固體雜質(zhì),對比受限空間沉降得到的雜質(zhì),其顆粒粒徑范圍明顯變小。

2.3 密度梯度過濾單元的凈化性能

2.3.1 過濾速度與時間對壓降的影響

如圖2所示,通過裝置進、出匯管的差壓變送器來試驗運行期間的壓降變化情況,根據(jù)高峰低谷的天然氣流量的不同,選取4個過濾速度點(V1、V2、V3、V4),考察同一時間段內(nèi)不同過濾速度與壓降的關系;根據(jù)過濾時間不同,考察過濾速度與壓降的關系。

如圖7所示,不同過濾速度下的起始壓降相近似,大約0.3～0.4 kPa,說明濾料固有壓降并不大,其不受過濾速率的影響;同一過濾速度下,隨著時間的增長,過濾壓降逐漸增加,15天內(nèi)過濾壓降增速高,而15天后壓降增速降低;結合試驗前后濾料對比圖8,說明隨著時間的增加,雜質(zhì)顆粒緩慢在密度梯度過濾單元內(nèi)形成平衡,不同粒徑范圍的雜質(zhì)被有序地攔截吸附在立體過濾層內(nèi),形成動力平衡,對氣路不造成阻擋,從而顯著降低壓降的增加,30天后密度梯度過濾單元的壓降為5～6 kPa;同一時間段內(nèi),壓降與過濾速度呈正相關,但差額并不大,說明密度梯度過濾單元對氣量波動的適應性高,能夠維持在一定的壓降范圍內(nèi)。

2.3.2 過濾單元內(nèi)雜質(zhì)捕集情況

圖9所示為密度梯度過濾單元過濾捕集得到的油水粉塵混合物,同時將30天內(nèi)密度梯度過濾單元內(nèi)材料過濾前后稱量,得出油水粉塵的雜質(zhì)量(見表2)。

表2 裝置運行30天濾料捕集雜質(zhì)情況分析表Table 2 Analysis of impurities from the filter material

結果如表2所列,天然氣中的雜質(zhì)90%以上為固體雜質(zhì)與壓力流量變換析出的輕油雜質(zhì),水分在雜質(zhì)中所占比例很小;30天內(nèi)密度梯度過濾單元內(nèi)雜質(zhì)總捕集量達到615.3 kg,單位濾料的雜質(zhì)捕集量可達24.1 kg。由以上分析可知:裝置運行壓差在5～6 kPa以內(nèi),雜質(zhì)脫除效果明顯,且該設備運行平穩(wěn),適應性強。濾料采用具有極強吸附能力的SRI系列特制中空纖維,由上至下按密度梯度逐步從疏松到致密排布,這種結構使較大的塵粒由上層較粗的濾料得到截留,而較小的塵粒在滲透到下層較密的濾料中得到捕集,即粉塵在多層濾料中呈立體分布[5-6]。相對于濾芯或濾管式過濾器,密度梯度過濾器的納污量大,由于中空纖維濾料具有98%以上的空隙率,捕集同等數(shù)量的雜質(zhì)狀態(tài),阻力遠小得多。30天內(nèi)運行阻力不超過6 k Pa的情況下,其納污量可達615.3 kg。

3 結論

(1)天然氣梯級除塵除油凈化裝置內(nèi)受限空間沉降單元和E-II型旋風分離單元能夠?qū)?00μm和20 μm的雜質(zhì)進行高效預處理,以減輕后續(xù)密度梯度過濾單元的凈化壓力。

(2)天然氣梯級除塵除油凈化裝置內(nèi)密度梯度過濾單元初始壓降0～1 k Pa,運行30天后,壓差僅為5～6 k Pa,30天內(nèi)密度梯度過濾單元納污量達615.3 kg,單位濾料的雜質(zhì)捕集量為24.1 kg,能夠適應不同流量下的凈化工況。

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Purification performance of natural gas multistep dedusting and deoiling plant in city gas gate station

Lu Guomin1,Zhao Yingjie2,Zhang Yuyan1
1.Shanghai Natural Gas Pipeline Network Co.,Ltd.,Shanghai,China 2.Shanghai Research Institute of Chemical Industry Co.,Ltd.,Shanghai,China

In order to evaluate the purification performance of multistep dedusting and deoiling purification unit,the configuration and performance were described by analyzing the operation of the purification unit in a single gate station at Shanghai Natural Gas Pipe Network.In the process,the flow state of particles and airflow in the system were simulated.Besides,the dedusting and deoiling effects,operating differential pressure,and trapping contents of impurities(oil,water and dust)were studied.The results showed that gradient multistep dedusting and deoiling purification plant had an initial differential pressure of 0～1 kPa.After running for 30 days,the pressure drop was only 5～6 k Pa while the weight of the pollutants captured by the density gradient filter layer was up to 615.3 kg and the weight of the impurities trapped by the filter unit could attain 24.1 kg.The purification unit is suitable for complex working conditions of natural gas transmission and distribution such as high gas pressure fluctuations and high oil and water dust contents.

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上海張江國家自主創(chuàng)新示范區(qū)專項發(fā)展重點項目“上海天然氣管網(wǎng)凈化裝置的開發(fā)與應用”(201411-PT-B107-005)。

盧國敏(1960-),男,工程師,現(xiàn)就職于上海天然氣管網(wǎng)有限公司,主要從事有關天然氣輸送設備的研究和采購工作。E-mail:abouter@yeah.net

TE64

A

10.3969/j.issn.1007-3426.2017.06.019

2017-06-16;編輯:鐘國利