高含硫天然氣過濾單元性能優(yōu)化

劉 震　姬忠禮　吳小林　趙峰霆

1.中國石油大學(xué)（北京）機械與儲運工程學(xué)院　2.過程流體過濾與分離技術(shù)北京市重點實驗室3.中國石油大學(xué)（北京）化學(xué)工程學(xué)院

高含硫天然氣過濾單元性能優(yōu)化

劉 震1, 2姬忠禮1, 2吳小林2, 3趙峰霆2, 3

1.中國石油大學(xué)（北京）機械與儲運工程學(xué)院2.過程流體過濾與分離技術(shù)北京市重點實驗室3.中國石油大學(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程中所夾帶的固體顆粒和液體雜質(zhì)對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)過濾器和聚結(jié)過濾器所組成的兩級過濾單元。針對某高含硫天然氣凈化廠原料氣過濾單元存在的聚結(jié)過濾器濾芯壓降不上升、無法通過壓降來判斷濾芯更換時間等問題，利用兩級過濾性能評價系統(tǒng)對比了不同過濾性能預(yù)過濾器濾芯和聚結(jié)過濾器濾芯組合的過濾性能，發(fā)現(xiàn)其原因在于聚結(jié)過濾器濾芯對亞微米級液滴的聚結(jié)性能不理想、預(yù)過濾器濾芯和聚結(jié)過濾器濾芯的性能不匹配。為此，提出了改進措施：①改進聚結(jié)過濾器濾芯的聚結(jié)層；②設(shè)置疏油型排液層，改變預(yù)過濾器濾芯的結(jié)構(gòu)參數(shù)，使之與改進后的聚結(jié)過濾器濾芯的性能相匹配。實驗結(jié)果表明：改進后聚結(jié)過濾器濾芯的穩(wěn)態(tài)壓降較在用濾芯降低75%，對于粒徑為0.3 μm及以上的液滴過濾效率達到99.99%，同時實現(xiàn)了預(yù)過濾器濾芯和聚結(jié)過濾器濾芯壓降的同步變化?，F(xiàn)場試驗結(jié)果表明：改進后的原料氣過濾單元對液體雜質(zhì)的過濾能力提高了1倍，能更有效地保證后續(xù)工藝的安全運行。該研究成果為高含硫天然氣過濾元件設(shè)計和過濾系統(tǒng)優(yōu)化運行提供了參考。

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

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

天然氣過濾方面的研究方法包括實驗室實驗、模擬計算、現(xiàn)場檢測與試驗等。Li Baisong等[4]利用光學(xué)粒子計數(shù)法和濾膜稱重法，測試了“西氣東輸”管道用的3種濾芯，評價了壓降、出口濃度、分級效率等性能指標，發(fā)現(xiàn)所測濾芯對粒徑大于2.0 μm液態(tài)氣溶膠的過濾效率較高。Innocentini等[5]通過實驗測試了纖維素、聚丙烯、聚酯和不銹鋼纖維這4種過濾材料在絕對壓力為93～693 kPa范圍內(nèi)的滲透特性，發(fā)現(xiàn)壓力增高時氣體密度增大而導(dǎo)致壓降呈正比上升，并模擬了不同過濾材料在高達5 000 kPa高壓狀態(tài)下的壓降。Azadi等[6-7]通過等速采樣方法現(xiàn)場測試了天然氣集輸系統(tǒng)中不同節(jié)點的顆粒物濃度和粒徑分布，認為過濾系統(tǒng)的性能仍需提高。

解決原料氣過濾單元存在的問題，宜采用實驗室實驗和現(xiàn)場試驗相結(jié)合的研究方法，以便盡快應(yīng)用改進后的過濾元件。筆者就高含硫天然氣凈化廠內(nèi)原料氣過濾單元在運行中存在聚結(jié)過濾器壓降不上升、無法通過壓降判斷濾芯更換時間的問題進行了分析，根據(jù)實驗室性能評價確定了過濾元件結(jié)構(gòu)改進和兩級匹配方案，通過現(xiàn)場試驗考核了改進后過濾元件的過濾性能和實際應(yīng)用效果。

1　原料氣過濾單元

原料氣過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)過濾器和聚結(jié)過濾器的兩級串聯(lián)過濾方式。預(yù)過濾器用于去除原料氣中粒徑超過1.0 μm的固體雜質(zhì)和液滴，聚結(jié)過濾器則用于去除0.3～1.0 μm的固體顆粒和液滴。原料氣過濾單元的運行流程如圖1所示，1個過濾單元由2臺預(yù)過濾器和1臺聚結(jié)過濾器組成，工作狀態(tài)下2臺預(yù)過濾器為1用1備。其工作流程為：含有雜質(zhì)的原料氣首先進入預(yù)過濾器上腔室，從濾芯外表面進入濾芯內(nèi)部，這時較大的固體顆粒和液滴被去除掉，過濾后的氣體經(jīng)預(yù)過濾器濾芯下端進入下腔室。經(jīng)過預(yù)過濾處理的原料氣經(jīng)由預(yù)過濾器下腔室經(jīng)過管道進入聚結(jié)過濾器下腔室，這一過程中會有一部分透過預(yù)過濾器濾芯的顆粒被分離。帶有細小固體顆粒和液滴的氣體繼續(xù)上升至聚結(jié)過濾器上腔室的聚結(jié)濾芯內(nèi)部，然后穿過聚結(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。目前尚難以實現(xiàn)高含硫天然氣的過濾器性能在線監(jiān)測，濾芯更換的依據(jù)為濾芯前后的壓降。當過濾器壓降達到0.1 MPa時，需更換新的濾芯。

圖1　天然氣凈化廠原料氣過濾單元的流程圖

自2010年以來，開展了原料氣濾芯首次國產(chǎn)化實驗和現(xiàn)場試驗，強調(diào)了濾芯應(yīng)滿足過濾性能要求和延長使用周期，初步解決了過濾器頻繁擁堵、進口濾芯采購周期長和運行成本高等問題。然而，在后期的運行中發(fā)現(xiàn)聚結(jié)過濾器壓降基本不上升，無法通過壓降來判斷聚結(jié)過濾器是否需要更換濾芯。由于過濾器筒體內(nèi)的液位上升即說明過濾器捕集到液滴，起到了分離原料氣雜質(zhì)的作用，因此可以改為根據(jù)過濾器筒體內(nèi)的液位變化來判斷是否需要更換濾芯。若濾芯未達到使用壽命而被提前更換，會造成一定的經(jīng)濟損失。而如果在濾芯失效時仍繼續(xù)使用，則會影響后續(xù)工藝的安全。為此，需要分析該問題的原因并予以解決。

2　過濾單元評價

建立專門的濾芯性能評價方法及裝置，重點分析預(yù)過濾器與聚結(jié)過濾器間的匹配性能，以確定現(xiàn)場存在問題的原因。

2.1評價方法

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

圖2　兩級過濾元件性能評價系統(tǒng)圖

2.2問題分析

圖3為3組具有代表性的兩級組合方式壓降的對比，其中預(yù)過濾器濾芯A1和聚結(jié)過濾器濾芯C1為現(xiàn)場在用濾芯，預(yù)過濾器濾芯A0為過濾效率次于A1的普通濾芯，聚結(jié)過濾器濾芯C0為過濾效率優(yōu)于C1的某型號進口濾芯。

首先考察現(xiàn)場在用A1與C1兩級過濾組合的性能，如圖3-a所示。濾芯A1的過濾過程壓降曲線符合一般液態(tài)氣溶膠過濾的變化趨勢[13-14]，經(jīng)過一段快速上升期后到達穩(wěn)定過濾階段，壓降保持在3.3 kPa，而濾芯C1的壓降始終保持在初始壓降值，驗證了現(xiàn)場存在聚結(jié)過濾器壓降上升緩慢的問題。此外，預(yù)過濾器濾芯基本除去了粒徑超過2.0 μm的液滴，聚結(jié)過濾器濾芯的出口濃度相比其進口濃度并未發(fā)生明顯降低，說明濾芯C1對粒徑小于2.0 μm液滴的聚結(jié)過濾效果不理想。

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

當A0與C1兩級過濾組合使用時，發(fā)現(xiàn)在濾芯A0對液態(tài)氣溶膠的過濾性能較A1有所下降時，液滴的透過率高，濾芯C1的入口液滴粒徑較大、濃度較高，使得濾芯C1對預(yù)過濾后的液態(tài)氣溶膠起到了一定的過濾作用。因此，濾芯C1的過濾過程壓降出現(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過濾過程壓降圖

通過上述3組兩級過濾組合性能測試，分析得到現(xiàn)場出現(xiàn)問題的原因在于：①現(xiàn)場原料氣過濾單元的兩級過濾形式只有預(yù)過濾器起作用，聚結(jié)過濾器濾芯對亞微米級液滴的過濾性能不足，導(dǎo)致不能有效捕集從預(yù)過濾器濾芯透過的顆粒；②現(xiàn)場在兩級過濾設(shè)計時未考慮預(yù)過濾器濾芯和聚結(jié)過濾器濾芯的性能匹配，即尚未實現(xiàn)預(yù)過濾器濾芯負責(zé)除去粒徑為2.0 μm及以上顆粒和聚結(jié)過濾器濾芯負責(zé)除去粒徑為0.3 μm及以上顆粒的合理分工。

3　性能改進與匹配

依據(jù)對現(xiàn)場問題的分析結(jié)果，擬提出以下改進措施：①通過改變聚結(jié)過濾器濾芯的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對亞微米級液滴低阻高效聚結(jié)過濾的目的；②基于工藝設(shè)計的要求和便于運行維護的目的，最佳的兩級匹配形式應(yīng)為既能實現(xiàn)兩級過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。因過濾器原有尺寸的限制，改進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相對應(yīng)，將改進后的預(yù)過濾器濾芯編號為A2，改進后的聚結(jié)過濾器濾芯編號為C2。

3.1聚結(jié)過濾器濾芯改進

實驗室測定發(fā)現(xiàn)，濾芯C1不能有效捕集亞微米級液滴，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濾材料，以提高對粒徑為0.3～1.0 μm液滴的捕集能力。對濾芯聚結(jié)層進行了結(jié)構(gòu)固化，提高了抗工況波動的能力。將排液層改為疏油疏水型纖維材料，使聚結(jié)而成的液體及時在排液層排出，減少了液體滯留量，同時降低了液滴夾帶的風(fēng)險。通過對濾芯C2進氣側(cè)的過濾材料做折波處理，增大了過濾面積，使得相同氣量下濾芯C2的初始壓降比濾芯C1低約30%。改進前后聚結(jié)過濾器濾芯的性能對比如圖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%，但對于 粒徑為0.3 μm及以上的液滴過濾效率達到99.99%，過濾性能得到明顯提升。

圖4　改進前后聚結(jié)過濾器濾芯的性能對比圖

3.2濾芯性能匹配

當確定選用性能較好的濾芯C2時，可適當降低預(yù)過濾器濾芯的過濾性能，以實現(xiàn)兩級過濾的合理分工。通過改變預(yù)過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)過濾器濾芯A2。在同樣的氣液過濾實驗條件下，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的時間才達到穩(wěn)定狀態(tài)，且穩(wěn)態(tài)壓降僅為1.5 kPa。濾芯A2對粒徑小于2.0 μm液滴的過濾效率較濾芯A1有所降低，使得更多的粒徑小于2.0 μm的液滴透過濾芯A2，由濾芯C2負責(zé)處理，降低了預(yù)過濾器的運行負荷。

圖5反映了濾芯A2與C2的兩級過濾過程壓降，可以看出濾芯A2與C2的壓降隨時間變化而同時階段性上升。從整體的穩(wěn)態(tài)累積過濾效率來看，對粒徑為0.3 μm及以上的液滴過濾效率達到了99.99%，表明通過改進聚結(jié)過濾器濾芯的排液層，不僅避免了液滴夾帶現(xiàn)象，而且保證了過濾單元的出口氣質(zhì)，降低了兩級串聯(lián)總壓降。相比于在用濾芯A1和C1組合，改進后濾芯A2和C2的整體過濾性能有了明顯提升，將通過現(xiàn)場試驗進一步考察改進后的預(yù)過濾器濾芯與聚結(jié)過濾器濾芯組合的實際效果。

圖5　濾芯A2與C2的兩級過濾過程壓降圖

4　現(xiàn)場試驗

選擇天然氣凈化廠內(nèi)某聯(lián)合裝置的2個系列裝置（簡稱1系列和2系列），對在用濾芯和改進后濾芯進行性能對比試驗。1系列為對照組，2臺預(yù)過濾器均安裝在用濾芯A1，聚結(jié)過濾器安裝在用濾芯C1。2系列為試驗組，2臺預(yù)過濾器均安裝濾芯A2，聚結(jié)過濾器安裝濾芯C2。每個系列的進氣壓力為8 MPa，正常處理氣量為12×104m3/h，試驗過程中記錄原料氣過濾單元進氣壓力和流量、預(yù)過濾器和聚結(jié)過濾器的壓降和筒體內(nèi)的液位。

4.1壓降變化

選取現(xiàn)場得到的1 000 h內(nèi)進氣壓力和流量的試驗記錄（圖6），可以看出對照組和試驗組的進氣壓力均穩(wěn)定在8 MPa。試驗組的處理氣量整體上比對照組少約1×104m3/h，這與2個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一致，保證了2組數(shù)據(jù)的可比性。

圖6　現(xiàn)場試驗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，試驗組和對照組的壓降均有所波動(圖7)。在運行1 000 h后，對照組的聚結(jié)過濾器壓降除了隨流量變化而有所波動外，未見明顯上升，而試驗組的聚結(jié)過濾器壓降上升至約7 kPa。此外，試驗組的預(yù)過濾器和聚結(jié)過濾器呈現(xiàn)同步上升的趨勢。由于現(xiàn)場工況下壓降上升主要由于固體雜質(zhì)擁堵在過濾材料表面或內(nèi)部。因此2組壓降的差異說明試驗組濾芯對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)場試驗過程中聚結(jié)過濾器的壓降變化圖

4.2排液量

按照現(xiàn)場操作規(guī)程，當過濾器筒體內(nèi)的液位達到液位計總量程的30%時，需進行排液操作，使筒體內(nèi)累積的液體進入排污管道。因此可以通過排液次數(shù)和排液時的液位來計算試驗過程中的累積排液量，進而計算出濾芯的液體捕集量。

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

圖8　現(xiàn)場試驗中聚結(jié)過濾器上腔體液位的變化圖

在所選取的1 000 h內(nèi)，對照組聚結(jié)過濾器排液操作15次，累積排液量為0.95 m3，而在相同時間內(nèi)試驗組聚結(jié)過濾器排液操作28次，累積排液量為2.03 m3，即在相同工況條件下，試驗組聚結(jié)過濾器濾芯攔截的液體量約為對照組的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、工況波動大、含液量多等特點，要求作為非標準件的過濾元件具有較好的抗腐蝕性、結(jié)構(gòu)強度和納污能力，在選用過濾元件的型號和材料時需綜合考慮運行工況、過濾性能要求和運行成本等因素。

2）與氣固過濾會形成濾餅和壓降持續(xù)上升的特點不同，氣液過濾會發(fā)生液滴的攔截、聚結(jié)、運移和夾帶等過程，并最終達到一個穩(wěn)態(tài)壓降。選用疏油疏水型排液層過濾材料，促進液體及時排出，可顯著減少液滴夾帶量和降低穩(wěn)態(tài)過濾壓降。

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

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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

國家科技重大專項“百億方級凈化廠安全運行技術(shù)優(yōu)化”（編號:2011ZX05017-005）、國家自然科學(xué)基金項目“天然氣凈化用氣液聚結(jié)濾芯過濾分離機理研究”（編號:51376196）。?

劉震，1987年生，博士研究生；主要從事天然氣過濾技術(shù)的研究工作。地址:（102249）北京市昌平區(qū)府學(xué)路18號。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技術(shù)的研究工作。地址:（102249）北京市昌平區(qū)府學(xué)路18號。電話:（010）89734336。E-mail:jizhongli63@vip.sina.com