山西晉城煤層氣粉塵凈化研究初探

陳洪明 郭 簡(jiǎn) 秦飛虎 杜曉冬 秦利峰 夏萬(wàn)勇

(1.中國(guó)石油華北油田山西煤層氣分公司 2.中國(guó)石油集團(tuán)濟(jì)柴動(dòng)力總廠成都?jí)嚎s機(jī)廠)(3.四川省江油市科濾凈化設(shè)備有限公司 )

山西晉城煤層氣粉塵凈化研究初探

陳洪明1郭 簡(jiǎn)1秦飛虎2杜曉冬1秦利峰1夏萬(wàn)勇3

(1.中國(guó)石油華北油田山西煤層氣分公司 2.中國(guó)石油集團(tuán)濟(jì)柴動(dòng)力總廠成都?jí)嚎s機(jī)廠)(3.四川省江油市科濾凈化設(shè)備有限公司 )

對(duì)比分析了3種濾芯在實(shí)際生產(chǎn)條件下的凈化總效率、分粒度凈化效率、運(yùn)行穩(wěn)定性、生產(chǎn)安全性、可再生性等主要指標(biāo)，評(píng)述了實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，經(jīng)特殊設(shè)計(jì)的具有通透攔截效應(yīng)的高鎳金屬濾芯較通過(guò)聚結(jié)原理工作的纖維型濾芯更勝任高流速、粉塵濃度多變且含濕煤層氣的工作條件，其技術(shù)指標(biāo)更具優(yōu)勢(shì)。

煤層氣開(kāi)采 集輸工藝 粉塵凈化 煤粉防治 過(guò)濾分離

由于煤層氣特殊的賦存特點(diǎn)以及所采用的壓裂開(kāi)采工藝，不可避免地在原料氣中混入大量微細(xì)粉塵，對(duì)地面集輸和后部處理提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。華北油田煤層氣分公司在山西晉城開(kāi)采的初期，就遭受了煤粉嚴(yán)重堆積管路，進(jìn)而損毀壓縮機(jī)活塞、缸體和儀表失效的問(wèn)題，給正常生產(chǎn)帶來(lái)了很大影響。為解決煤粉的影響，通過(guò)在壓縮機(jī)上游加裝重力分離器、纖維型濾芯過(guò)濾筒，較好地阻隔了煤粉，有效地減少了其危害。但由于一直以來(lái)缺乏定量測(cè)量和監(jiān)控手段，對(duì)現(xiàn)有纖維型濾芯的實(shí)際應(yīng)用效果、過(guò)濾效率、可靠性、安全性等無(wú)從了解和掌握，致使過(guò)濾筒成為生產(chǎn)過(guò)程的不可控因素。因而，有必要引入現(xiàn)代化的監(jiān)測(cè)手段，以定量評(píng)價(jià)過(guò)濾筒的工作效果，為高效率、穩(wěn)定地和安全地生產(chǎn)提供判斷依據(jù)[1-2]。

1 晉城地區(qū)煤層氣基本特征

為了了解晉城地區(qū)煤層氣煤粉的基本特性，進(jìn)行了粉塵粒度檢驗(yàn)，其典型粒徑分布見(jiàn)圖1。其化學(xué)成分主要為Al2O3、Fe2O3、SiO2、CaO，其余為單質(zhì)C和部分雜質(zhì)。

引入專(zhuān)為煤層氣開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)制造的高鎳金屬濾芯和復(fù)合膜濾芯，與現(xiàn)有纖維型濾芯作應(yīng)用性能對(duì)比，委托中國(guó)石油大學(xué)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)機(jī)測(cè)試和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，一方面定量測(cè)定現(xiàn)有過(guò)濾筒的工作效率，另一方面找出最適合煤層氣煤粉防治的濾材，為今后的改進(jìn)提供參考依據(jù)。

2 試驗(yàn)過(guò)程

2.1采用粒徑譜儀在線檢測(cè)

采用氣溶膠在線顆粒粒徑譜儀進(jìn)行生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)管道內(nèi)粉塵粒徑分布和粉塵濃度的實(shí)時(shí)檢測(cè)。該儀器的粒徑測(cè)量范圍為0.3～40 μm，可在小于6 MPa壓力下在線檢測(cè)。現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)，將此裝置分別連接至粉塵過(guò)濾器進(jìn)出口壓力表放空口處，保證等速取樣，確保取到具有代表性的顆粒物樣品。圖2為在線檢測(cè)流程。

2.2集氣站現(xiàn)場(chǎng)過(guò)濾裝置對(duì)比運(yùn)行考核

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試選取某集氣站站內(nèi)2號(hào)和3號(hào)兩組粉塵過(guò)濾裝置作為對(duì)比平臺(tái)。每組粉塵過(guò)濾裝置分別由兩臺(tái)過(guò)濾筒組成。試驗(yàn)所需的4臺(tái)過(guò)濾筒分別編號(hào)為2-1、2-2、3-1、3-2。

每組過(guò)濾器中的其中一臺(tái)更換為新式濾芯—高鎳金屬濾芯和復(fù)合膜濾芯，即2-1裝有高鎳金屬濾芯，3-1裝有復(fù)合膜濾芯；過(guò)濾筒2-2和3-2裝有聚結(jié)式濾芯(纖維型)。在現(xiàn)場(chǎng)工作條件下進(jìn)行對(duì)比運(yùn)行考核。3種濾芯均使用新濾芯。

現(xiàn)場(chǎng)工況：輸氣量約22 300 m3/h、溫度約10.3 ℃、壓力約0.05 MPa、濾芯表觀氣速約0.35 m/s。

由于要求檢測(cè)不得影響正常生產(chǎn)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試共5天。測(cè)試時(shí)間：2013年1月13日～2013年1月17日。

2.3實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)

實(shí)驗(yàn)室測(cè)試為利用濾芯標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)濾芯的氣固性能進(jìn)行測(cè)定,并對(duì)經(jīng)過(guò)再生處理的高鎳金屬濾芯進(jìn)行氣固過(guò)濾性能測(cè)試。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1凈化總效率對(duì)比

由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)較為龐雜，為比較3種濾芯的性能差異，本文僅根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)報(bào)告的數(shù)據(jù)進(jìn)行了凈化總效率的計(jì)算并進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 3種濾芯的凈化總效率計(jì)算值Table1 Calculatedvaluesofthegross-efficiencyforthreetypesoffiltercores現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試日期3-1復(fù)合膜3-2纖維型2-2纖維型2-1高鎳凈化總效率/%13日93.197.979.592.514日92.293.497.490.015日74.099.299.692.316日95.795.053.797.717日77.498.861.894.5 注:凈化總效率=(上游質(zhì)量濃度-下游質(zhì)量濃度)÷上游質(zhì)量濃度×100%。

從表1可看出，在現(xiàn)場(chǎng)高流速?zèng)_刷和多變氣質(zhì)條件下(現(xiàn)場(chǎng)工況：輸氣量約22 300 m3/h，濾芯表觀氣速約0.35 m/s、上游質(zhì)量濃度在0.23～10.14 mg/m3范圍內(nèi)波動(dòng))，復(fù)合膜和纖維型濾芯凈化總效率有低于80%的情況，而高鎳金屬濾芯的凈化總效率能穩(wěn)定在90%以上。

3.2部分濾芯運(yùn)行異常的數(shù)據(jù)

為了說(shuō)明部分濾芯總效率下降的具體表現(xiàn),表2、表3列出了其發(fā)生異常的檢測(cè)數(shù)據(jù)。

從表2、表3可看出,纖維型濾芯的分粒度凈化效率在運(yùn)行數(shù)天后大幅下降,從而導(dǎo)致其總效率下降。在這種情況下，有高達(dá)近一半的煤粉進(jìn)入了下游，其危害不可小視。

表2 16日過(guò)濾器性能檢測(cè)數(shù)據(jù)Table2 Measuredperformancedataoftestfiltersonthedayof16th測(cè)試點(diǎn)3-1復(fù)合膜3-2纖維型2-2纖維型2-1高鎳ρ(上游)/(mg·m-3)0.231.008.232.19ρ(下游)/(mg·m-3)0.010.053.810.05上游粒徑范圍/μm0.6～12.90.6～9.650.6～32.80.6～26.4下游粒徑范圍/μm0.6～6.270.6～2.640.6～30.60.6～18.4上游中位粒徑/μm6.848.5631.7525.56下游中位粒徑/μm3.541.3926.911.593.0μm及以上效率/%75.7799.6361.7694.845.0μm及以上效率/%71.0710062.4694.5510.0μm及以上效率/%10010070.6100

表3 17日過(guò)濾器性能檢測(cè)數(shù)據(jù)Table3 Measuredperformancedataoftestfiltersonthedayof17th測(cè)試點(diǎn)3-1復(fù)合膜3-2纖維型2-2纖維型2-1高鎳ρ(上游)/(mg·m-3)0.840.801.731.27ρ(下游)/(mg·m-3)0.190.010.660.07上游粒徑范圍/μm0.6～18.40.6～14.90.6～21.30.6～18.4下游粒徑范圍/μm0.6～9.630.6～3.530.6～17.20.6～9.65上游中位粒徑/μm8.837.0413.508.24下游中位粒徑/μm8.742.3511.369.543.0μm及以上效率/%10096.7953.7598.255.0μm及以上效率/%10097.5953.8298.6010.0μm及以上效率/%10010052.60100

3.3濾芯性能差異的原因分析

以上表中數(shù)據(jù)表明，纖維型濾芯和復(fù)合膜濾芯過(guò)濾凈化效率在5天以內(nèi)都是不穩(wěn)定的，導(dǎo)致大量粉塵進(jìn)入下游而磨損壓縮機(jī)組部件，影響控制儀表精度。這兩種濾芯過(guò)濾凈化效率下降既與其工作原理，即通過(guò)聚結(jié)效應(yīng)吸附顆粒而迅速阻滯濾層導(dǎo)致其效率下降有關(guān)，也可能與其受潮破損、形狀變形導(dǎo)致泄漏有關(guān)。如果濾芯發(fā)生泄漏，即使只有一只發(fā)生情況下，根據(jù)氣流的運(yùn)行特點(diǎn)，也將發(fā)生類(lèi)似決堤效應(yīng)，對(duì)下游的壓縮機(jī)組將是致命影響，導(dǎo)致設(shè)備性能下降和發(fā)生安全事故[3]。

高鎳金屬濾芯的工作原理不同于上述兩種濾芯，其微孔專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)為直線通道型式，兼顧通透攔截功能；所用材質(zhì)為不親水性且表面經(jīng)特殊處理而具有自凈粉塵能力，同時(shí)具有較高強(qiáng)度和剛度(破壞壓差≤3 MPa)，在現(xiàn)場(chǎng)工作條件下不會(huì)發(fā)生破損而致泄漏，因而過(guò)濾效率較高且穩(wěn)定。這對(duì)于高效、穩(wěn)定和安全的生產(chǎn)是非常有利的，可以在凈化原料氣、防治煤粉的同時(shí)，為下游的壓縮機(jī)組和控制系統(tǒng)提供保護(hù)。這就為解決現(xiàn)場(chǎng)流速過(guò)高、濃度多變(特別是啟停壓縮機(jī)導(dǎo)致管路揚(yáng)灰)并從根本上防止煤粉泄漏所致危害提供了可靠保證。

3.4實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)室顆粒物過(guò)濾測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表4。

表4 3種新濾芯過(guò)濾顆粒物效率對(duì)比Table4 Comparisonoffiltrationefficienciesofsizingparticlesforthethreenewcores品名1.0μm效率/%5.0μm效率/%10.0μm效率/%復(fù)合膜99.9976199.99827100纖維型99.9983799.99926100高鎳99.9813599.9817299.96690

從實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)來(lái)看，復(fù)合膜濾芯和纖維型濾芯略優(yōu)于高鎳濾芯，但三者都在99.9%以上。從工程應(yīng)用角度來(lái)看，過(guò)濾效率基本等同。這種差異與其各自工作原理不同有關(guān)。

3.5濾芯工作壽命與經(jīng)濟(jì)性

從壽命來(lái)看，復(fù)合膜濾芯和纖維型濾芯為一次性使用，而高鎳金屬濾芯通過(guò)再生可以循環(huán)使用?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，高鎳金屬濾芯已在某集氣站穩(wěn)定工作一個(gè)月以上，這比只有數(shù)天工作壽命的纖維型濾芯，濾筒單次工作周期已得到明顯提高。圖3為高鎳金屬新濾芯與再生濾芯(在實(shí)驗(yàn)室通過(guò)簡(jiǎn)易反吹進(jìn)行1次再生、2次再生、3次再生、4次再生)的時(shí)間與壓降曲線。從圖3中看出，高鎳金屬濾芯再生性能良好，可滿足循環(huán)使用要求。

由于不同品牌、批次濾芯的產(chǎn)品價(jià)格存在差異，無(wú)法獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。因而，經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)以市場(chǎng)平均水平進(jìn)行計(jì)算對(duì)比。以某集氣站現(xiàn)有6只立式濾筒在三年內(nèi)耗用濾芯進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性對(duì)比。現(xiàn)有情況為，一只濾筒一次安裝7根濾芯，則6只濾筒一次共需42根。一年以330個(gè)工作日計(jì)算。

纖維濾芯：因其為一次性使用濾芯，在現(xiàn)場(chǎng)常規(guī)氣質(zhì)條件下，以10個(gè)工作日為其更換周期(壽命)，則一年需更換33次。三年6只濾筒共消耗：42×33×3=4 158根，以一只計(jì)價(jià)500元，則三年共需約210萬(wàn)。

高鎳濾芯：因其可反復(fù)使用，6只濾筒一次安裝42根，為保證最低更換率，取一用二備組合，按一根濾芯最佳壽命一年計(jì)，則三年共需消耗：42×3=126(根)。

以一只計(jì)價(jià)5 600元，則三年共需材料費(fèi)用約71萬(wàn)元，再生費(fèi)用每年20萬(wàn)元，三年共60萬(wàn)元，兩項(xiàng)合計(jì)：131萬(wàn)元。

由此可見(jiàn)，使用高鎳濾芯可比老式濾芯節(jié)省直接成本約40%。長(zhǎng)期而言，高鎳金屬濾芯能夠降低綜合運(yùn)行成本，其長(zhǎng)周期工作方式對(duì)提高煤層氣產(chǎn)量的經(jīng)濟(jì)效益顯著。

4 結(jié) 語(yǔ)

限于現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)任務(wù)緊急和成本因素，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試無(wú)法進(jìn)行全周期測(cè)量，僅僅5天的測(cè)試數(shù)據(jù)并不能完全說(shuō)明3種濾芯性能的差異。上述分析結(jié)果僅是初步表明了高鎳金屬濾芯在凈化總效率、分粒度凈化效率、運(yùn)行穩(wěn)定性、生產(chǎn)安全性、經(jīng)濟(jì)性等方面比纖維型濾芯更具優(yōu)勢(shì)，較后者更勝任晉城地區(qū)高流速、粉塵濃度多變且含濕煤層氣的工作條件。由于煤層氣開(kāi)采的特殊性，需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行濾材選型和凈化設(shè)備設(shè)計(jì)，同時(shí)也要高度重視濾材的凈化穩(wěn)定性和生產(chǎn)安全性問(wèn)題。

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PrimaryinvestigationofCBM-dustspurificationinJinchengofShanxi

ChenHongming1,GuoJian1,QinFeihu2,DuXiaodong1,QinLifeng1,XiaWanyong3

(1.PetroChinaHuabeiOilfieldCBMBranchCompany，Jincheng048000,Shanxi,China;2.CNPCJichaiPowerEquipmentCompanyChengduCompressorPlant,Chengdu610100，Sichuan,China; 3.SichuanJiangyouKelyuPurificationInstrumentsLimitedCompany,Mianyang621701，Sichuan,China)

This paper investigated and compared the gross-efficiency of purification, efficiency of sizing particles purification, stability of operation, safety of exploitation and economy of three types of filtration cores in the practical condition. Through test data evaluation, the result showed that the special designed nickel-based metal filtration core with the effects of penetration & interception is more competent than that of fiber filtration core with the effects of coalesce in the CBM purification featured with high flow velocity, variable concentration of dusts and water-containing, and it has technology and economy advantages.

coal-bed methane exploitation, gathering and transportation process, dusts purification, coal particles prevention, filtration separation

X784

：ADOI: 10.3969/j.issn.1007-3426.2014.01.022

2013-08-07；

2013-10-23；編輯：鐘國(guó)利

國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目“山西沁水盆地煤層氣水平井開(kāi)發(fā)示范工程”(2011ZX05061)和中國(guó)石油天然氣股份有限公司科技重大專(zhuān)項(xiàng)“煤層氣勘探開(kāi)發(fā)關(guān)鍵技術(shù)研究及示范工程”(2010E-2206)聯(lián)合資助。

陳洪明(1960-)，高級(jí)工程師，碩士。2004年畢業(yè)于西南石油學(xué)院石油工程專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)任華北油田煤層氣分公司經(jīng)理,多次獲得科技進(jìn)步獎(jiǎng)。地址：(048000)山西省晉城市文博南路969號(hào)。E-mail：mcq_chm@petrochina.com.cn電話：0356-2286669。