城鎮(zhèn)燃?xì)忾T站天然氣梯級除塵除油裝置的凈化性能

盧國敏 趙英杰 張玉燕

城鎮(zhèn)燃?xì)忾T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(jìn)行凈化性能分析試驗研究,闡述了其結(jié)構(gòu)和性能特點,并通過現(xiàn)場運(yùn)行數(shù)據(jù)分析與顆粒流動演示,研究了除油除塵效果、運(yùn)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(yù)處理裝置初始壓降0～1 k Pa,運(yùn)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(dá)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(fù)雜天然氣輸配工況。

天然氣管網(wǎng) 除塵除油 凈化裝置 旋風(fēng)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(shè)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(yīng)配套設(shè)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(bǔ)、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(shè)的快速發(fā)展,對管網(wǎng)天然氣的工業(yè)凈化高新技術(shù)和規(guī)模需求也達(dá)到了一個新的高度。天然氣管網(wǎng)在建設(shè)過程中天然氣輸配送工藝和調(diào)壓計量設(shè)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(fù)雜工況,對天然氣的凈化專業(yè)技術(shù)要求越來越高,采用濾筒濾芯等傳統(tǒng)的單一凈化技術(shù)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(yù)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(jìn)行相關(guān)凈化性能研究,為后續(xù)裝置的優(yōu)化設(shè)計及操作運(yùn)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(yùn)行溫度:10～15℃。

(4)運(yùn)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(lán)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(fēng)分離兩級預(yù)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(shù)[3],現(xiàn)場試驗裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

首先,含油水粉塵的天然氣由裝置入口進(jìn)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(jìn)入到內(nèi)置的第二級E-II型旋風(fēng)分離單元,經(jīng)過E-II型旋風(fēng)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(dǎo)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(jìn)行凈化效果分析。受限沉降分離單元和E-II型旋風(fēng)分離單元得到的雜質(zhì)經(jīng)旋風(fēng)中間灰斗通過排污管道匯集到排污放散裝置進(jìn)行雜質(zhì)重力測量。

2 結(jié)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(dāng)天然氣由進(jìn)氣口進(jìn)入E-II型旋風(fēng)分離器前,首先進(jìn)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(jié)構(gòu)優(yōu)化,受限空間沉降效應(yīng)僅僅利用裝置下部旋風(fēng)分離器周圍的空間,不增加額外設(shè)備空間。

同時,基于非均相流體動力學(xué)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?jǐn)?shù)較高,細(xì)微顆粒質(zhì)量分?jǐn)?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(yùn)動后繼續(xù)沿氣流方向運(yùn)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(yùn)動軌跡,可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)粒徑達(dá)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(yùn)動軌跡越來越復(fù)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(jìn)行有效的沉降分離。

2.2 E-II型旋風(fēng)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(jìn)入內(nèi)置式E-II型旋風(fēng)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(jìn)行分離[4]。區(qū)別于常規(guī)的旋風(fēng)分離器,E-II型旋風(fēng)分離器采用異形進(jìn)口和入口漸縮形導(dǎo)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(jìn)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(fēng)入口氣速的粉塵顆粒在旋風(fēng)分離單元內(nèi)的運(yùn)動軌跡。由圖5可以看出,雜質(zhì)顆粒進(jìn)入矩形進(jìn)氣口后,受切向力作用,雜質(zhì)顆粒開始作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,大直徑的顆粒首先在離心力的作用下沿壁面運(yùn)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(yùn)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(fēng)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(yùn)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(fēng)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(fēng)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(jìn)、出匯管的差壓變送器來試驗運(yùn)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(guān)系;根據(jù)過濾時間不同,考察過濾速度與壓降的關(guān)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(jié)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(guān),但差額并不大,說明密度梯度過濾單元對氣量波動的適應(yīng)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(yùn)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(jié)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(dá)到615.3 kg,單位濾料的雜質(zhì)捕集量可達(dá)24.1 kg。由以上分析可知:裝置運(yùn)行壓差在5～6 kPa以內(nèi),雜質(zhì)脫除效果明顯,且該設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn),適應(yīng)性強(qiáng)。濾料采用具有極強(qiáng)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(jié)構(gòu)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(yuǎn)小得多。30天內(nèi)運(yùn)行阻力不超過6 k Pa的情況下,其納污量可達(dá)615.3 kg。

3 結(jié)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(fēng)分離單元能夠?qū)?00μm和20 μm的雜質(zhì)進(jìn)行高效預(yù)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(yùn)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(dá)615.3 kg,單位濾料的雜質(zhì)捕集量為24.1 kg,能夠適應(yīng)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(yīng)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(guān)天然氣輸送設(shè)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