淺談燃氣加濕裝置的應(yīng)用

上海燃氣崇明有限公司 俞黎筍

1 燃氣加濕的歷史背景

城市燃氣化是提高城市人民生活質(zhì)量和改善城市環(huán)境的重要措施之一，也是實現(xiàn)城市現(xiàn)代化和智慧化的重要組成部分。天然氣作為一種優(yōu)質(zhì)、清潔、高效的城市能源，在改善我國城市的能源結(jié)構(gòu)、加強環(huán)保、減少大氣污染等各個方面都發(fā)揮著越來越大的作用。近年來隨著天然氣資源、技術(shù)的開發(fā)和利用，天然氣在技術(shù)經(jīng)濟上優(yōu)于人工煤氣和液化石油氣，應(yīng)用越來越廣泛，逐步替代人工煤氣和液化石油氣。

由于燃氣氣源技術(shù)和燃氣管道技術(shù)等方面的歷史原因，國內(nèi)外大多數(shù)城市都經(jīng)歷了用鑄鐵管網(wǎng)輸送人工煤氣的發(fā)展過程，鑄鐵管因其耐腐蝕、使用壽命長、施工簡單、不需要采取防腐措施等優(yōu)點，在城市燃氣事業(yè)發(fā)展的早期得到了廣泛的應(yīng)用。

在天然氣大面積推廣的今天，可否直接用原有鑄鐵管輸送天然氣、如何定位管網(wǎng)壓力級別、管網(wǎng)系統(tǒng)是否需改造、鑄鐵管輸送效率評估、有無泄漏的安全隱患等諸多技術(shù)問題需要認(rèn)真研究和解決。

天然氣屬干燃氣，沒有人工煤氣中的水分和芳香烴成分，因此在人工煤氣被天然氣置換后，鑄鐵管網(wǎng)的承插接口或機械接口處的密封材料內(nèi)飽含的水分和芳香烴成分會隨著天然氣的不斷傳輸逐漸失去，而導(dǎo)致干燥引發(fā)收縮變形，失去原有溶脹時的密封效果，存在燃氣泄漏的安全隱患。人工煤氣被天然氣置換后，如果不對鑄鐵管網(wǎng)的承插接口或機械接口處的密封材料采取有力措施，必然會造成大面積多點燃氣泄漏。防止人工煤氣與天然氣置換過程的鑄鐵管接口泄漏措施有很多方法，最有效的方法是更換管道，但這要受到管網(wǎng)鋪設(shè)時間、材料采購成本、管溝開挖許可和可能性等諸多因素制約，根據(jù)國內(nèi)外的實踐經(jīng)驗，全部實現(xiàn)、或迅速實現(xiàn)沒有可能，只能逐步完成，重點地區(qū)優(yōu)先解決，有些可能長期無法解決，如香港特別行政區(qū)目前還有上百公里鑄鐵管網(wǎng)沒有更新改造。

事實上，絕大部分鑄鐵管屬于低壓管網(wǎng)，全部集中在城市相對發(fā)達的中心城區(qū)，任何事故造成的環(huán)境污染、人身傷害、經(jīng)濟損失和負(fù)面影響都是無法估計的。

2 燃氣管網(wǎng)加濕機理

加濕技術(shù)經(jīng)過國外發(fā)達國家嚴(yán)格測試，被認(rèn)為是防止管網(wǎng)泄漏的有效方法。結(jié)合國內(nèi)管網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特殊性，必須注意含有芳香烴成分的加濕劑對聚乙烯(PE)管的溶脹作用。

燃氣加濕并不是簡單的向舊有鑄鐵管道中加水，國內(nèi)外科技人員從實踐中總結(jié)多種成功和失敗的加濕方法，基本形成了一種有效的加濕技術(shù)理論，也生產(chǎn)了大量的加濕設(shè)備和幾種有效的加濕劑。根據(jù)秦朝葵等人的《天然氣加濕輸送技術(shù)簡介》，“中壓燃氣冷霧化加濕法”的理論依據(jù)是文丘里技術(shù)，加濕劑在一定壓力的燃氣引射下，通過文丘里噴嘴攜帶加濕劑通過噴嘴霧化成20 μm左右的霧滴進入低壓燃氣管網(wǎng)，使天然氣中含有一定的加濕劑，其性能接近人工煤氣的含“濕”量，達到溶脹鑄鐵管密封材料的作用。2.1 麻絲密封材料的機械接口加濕機理分析

對于麻絲填料密封件，從微觀上講是長鏈纖維素分子被其它有機分子束縛在一起而形成的一種纖維結(jié)構(gòu)。這種纖維結(jié)構(gòu)中含有大量的羥基團，使之具有吸附水或多元醇的能力，而被吸附的水或多元醇又利用氫鍵在相鄰纖維素鏈之間建立聯(lián)接。具體表現(xiàn)為麻絲填料吸附水或多元醇后使得纖維素分子相互排斥，形成麻絲填料呈現(xiàn)放散狀膨脹狀態(tài)。當(dāng)然，該過程是可逆的，如果麻絲填料處于干燥的環(huán)境中，就會解吸水蒸氣或多元醇，填料出現(xiàn)干枯、收縮，引起燃氣泄漏，漏點不斷增加。

基于該基本原理，加濕技術(shù)早期主要以加水蒸氣或水為主，近年來開始加含有末端羥基團的有機化合物，例如乙二醇(MEG)等。盡管該機理僅僅是一個極其簡化的模型，但它解釋了為什么只有包含兩個或更多羥基團、且能與氫鍵結(jié)合的物質(zhì)才適用加濕的原因。加濕劑的載體是燃氣本身，因此加濕劑必然是以蒸汽的形式在燃氣中輸送，而加濕劑蒸汽在燃氣中的含量可以用飽和度來評價，即燃氣所能攜帶加濕劑蒸汽的量與最大能力之比。

針對鑄鐵管使用麻絲密封材料的承插式接口，可用加濕劑有水、乙二醇和二甘醇等，下面主要對選用水蒸氣作為加濕劑和選用乙二醇作為加濕劑進行分析討論。

2.1.1 選用水蒸氣作為加濕劑

用水(蒸汽)進行加濕，是國內(nèi)應(yīng)用較多的加濕方法。此方法工藝流程簡單、原理清晰，加濕劑便宜。天然氣中水蒸氣的飽和度含量見圖1。

圖1 天然氣中水蒸氣的飽和度含量

用水(蒸汽)進行加濕存在以下問題：

(1)蒸汽發(fā)生設(shè)備價格昂貴且體積龐大，操作復(fù)雜。

(2)能耗及運行費用較高。

(3)冬天氣溫較低時，管網(wǎng)中容易產(chǎn)生凝結(jié)水，影響調(diào)壓器、過濾器等設(shè)備的工作。

(4)傳輸距離較近，作用半徑相對較小。

(5)對天然氣的熱值略有影響。

2.1.2 選用乙二醇作為加濕劑

乙二醇主要用作聚脂纖維(滌綸)的原料，另常用作防凍劑。乙二醇適用于承插式麻絲接口的加濕劑，天然氣中乙二醇蒸汽的飽和度含量見圖2。

圖2 天然氣中乙二醇蒸汽的飽和度含量

乙二醇做加濕劑，相對于水有以下優(yōu)勢：

(1)更易被麻絲吸附。

(2)飽和蒸汽壓約為水的 1/100，因此，處理同樣流量的天然氣，所需的乙二醇比水要少得多。

(3)不會出現(xiàn)冬季結(jié)冰的問題。

(4)乙二醇蒸汽占天然氣的容積百分?jǐn)?shù)很小，且蒸汽熱值與天然氣熱值較接近，它的燃燒產(chǎn)物和天然氣完全相同，加濕后不影響天然氣的性質(zhì)。

2.1.3 分析比較

研究表明，麻絲填料膨脹30%以上才能達到較好的密封效果，要保證這個膨脹率，需要燃氣中水蒸氣的飽和度大于 75%，而乙二醇的飽和度只需50%以上即可。由于管道中塵埃和雜質(zhì)也會吸附加濕劑，為了保證被保護接頭處加濕劑的飽和度，必須提高加濕處理站燃氣中加濕劑的飽和度，顯然乙二醇在擴大加濕站的作用半徑方面更有優(yōu)勢。另外，水蒸氣加濕要求的飽和度必須75%以上，如果飽和度控制不精確，更容易凝結(jié)成水，造成損失。

由于單位體積天然氣的最大加濕量乙二醇只有水的 1/100，顯然，在進行天然氣加濕處理時，水的消耗要比乙二醇多100倍。所以乙二醇加濕設(shè)備要小巧得多，運行費用也要小得多。

水蒸氣大約占天然氣體積的0.6%～1.2%，由于水蒸氣沒有熱值，因此加濕后天然氣的熱值將會減小0.6%～1.2%。相反乙二醇占天然氣的體積百分比很小，而它同樣是可燃物，且有一定的熱值，因此天然氣加濕處理后熱值的變化可以忽略不計。

麻絲填料吸附乙二醇的過程是一個擴散傳質(zhì)過程，因此在相同條件下，吸附量與填料和加濕劑的接觸面積有關(guān)，如果鑄鐵管接口處發(fā)生泄漏，泄漏的天然氣必然要通過填料，吸附過程就在泄漏通道的周圍進行，加大了天然氣與填料之間的接觸面積，于是在泄漏接口處的吸附量就大大增加，填料得以膨脹，從而減小泄漏通道的尺寸，甚至完全密封。因此，天然氣加濕除了能在管道轉(zhuǎn)輸初期，使承插式鑄鐵管接頭填料始終保持處于一種膨脹狀態(tài)、防止發(fā)生泄漏外，還可以在已經(jīng)出現(xiàn)泄漏的鑄鐵管管網(wǎng)上使用，具有減少現(xiàn)有泄漏的修復(fù)能力。

當(dāng)然，加濕可減少泄漏的能力，受到許多因素的制約，例如：麻絲填料的狀態(tài)和填充密度、燃氣中加濕劑的飽和度、燃氣管道系統(tǒng)的溫度、管道接口的初始泄漏率以及處理早期管內(nèi)沉積物的數(shù)量和種類等。

2.2 橡膠密封的機械接口加濕機理分析

對于橡膠密封件，影響其密封性能的是能溶解橡膠的芳香烴溶劑含量。當(dāng)橡膠接觸到芳香烴蒸汽時，溶劑能擴散到橡膠的內(nèi)部，使其不斷溶脹，如果加入過量加濕劑，就可能會引起橡膠膨脹過度，在墊圈位置上脫落，反而引起更嚴(yán)重的泄漏。因此，在用芳香烴溶劑加濕處理天然氣時必須對飽和度進行控制，同時不能對新的機械接口管道進行加溶劑處理。

國內(nèi)常用的溶劑有粗苯、洗油、異丁基油等，根據(jù)張惠明等人的《天然氣管網(wǎng)加濕工藝的研究》，無論是浸漬實驗，還是氣相接觸實驗，粗苯對于橡膠塊的吸附溶脹作用最為強烈。

國外常用溶劑有三甲基苯和餾出油(Distillate)。由于橡膠對芳香烴相當(dāng)敏感，因此三甲基苯加濕設(shè)備加濕量的控制要求更高、更嚴(yán)格。餾出油是石油初期處理的柴油系餾分，芳香烴的含量10%～20%，所以使用餾出油作為加濕劑，可以降低橡膠對加濕劑的敏感性，使之更容易控制，從而減少橡膠材料的過度膨脹，避免從固定位置上脫落，減小對機械接口產(chǎn)生不利影響的概率，因此更安全。

使用溶劑或油對燃氣進行加濕處理，不需要很高的飽和度。試驗表明，對于餾出油只需要10%的飽和度就可以滿足要求。另外，橡膠密封材料對膨脹劑的解吸附作用要比麻絲填料慢的多，但是它的吸附速度卻要比麻絲填料快的多。

典型餾出油加濕處理天然氣流量見圖3。

圖3 典型餾出油加濕處理天然氣流量

3 天然氣加濕方法

本文主要討論氣體壓差冷霧化加濕法、鼓泡加濕法、噴淋加濕法和液體高壓強制霧化法。

3.1 氣體壓差冷霧化加濕法

系統(tǒng)利用調(diào)壓器前后的燃氣壓差作為動力，因此無需額外動力就可實現(xiàn)霧化加濕的功能。

壓力噴霧加濕系統(tǒng)由加濕劑儲液罐、霧化噴頭、調(diào)壓器、定時器、虹吸管等部件組成。系統(tǒng)利用天然氣調(diào)壓站前的中壓或高壓燃氣，經(jīng)設(shè)備調(diào)壓器減壓后，送到特制的霧化噴嘴形成高速燃氣流，高速燃氣流產(chǎn)生負(fù)壓，通過虹吸管引射儲罐中的加濕劑，形成天然氣和霧化加濕劑的混合物，送入被處理天然氣管道，實現(xiàn)加濕。

氣體壓差冷霧化加濕法系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 氣體壓差冷霧化加濕法系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

3.2 鼓泡加濕法

把用作載氣的天然氣通入被電加熱器加熱的加濕劑液池，氣流分布器把天然氣分成細小的氣流，增大天然氣與加濕劑的接觸面積，使天然氣逸出加濕劑液面時達到加濕劑蒸汽飽和。與此同時，另一部分稀釋用天然氣也通過浸在加濕劑液體里的盤管，使之溫度與加濕劑溫度一致。載氣天然氣和稀釋天然氣在儲罐上方進行混合，使加濕劑蒸汽在天然氣中變成不飽和，避免這部分天然氣在進入天然氣管道前因環(huán)境冷卻作用而造成加濕劑凝結(jié)析出。

鼓泡加濕法系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5 鼓泡加濕法系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

3.3 噴淋加濕法

把天然氣載氣加熱后，通過加濕劑噴淋塔，實現(xiàn)加濕的目的。加濕設(shè)備通過測量天然氣流量和溫度來控制加濕劑計量泵，從而得到控制加濕劑的量的目的。為了增大氣液兩相接觸面積，噴淋塔(豎罐)裝載了多孔填料，使加濕劑能充分被天然氣載氣吸收攜帶。

噴淋加濕法系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖6。

圖6 噴淋加濕法系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

3.4 液體高壓強制霧化法

利用計量泵的高壓和特殊設(shè)計的霧化噴嘴，使加濕劑在高壓狀態(tài)下排出霧化噴嘴變成霧滴，達到良好的加濕效果，為了提高霧化的加濕劑的傳輸距離，配以電伴熱會收到更好的加濕效果。

液體高壓強制霧化法系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖7。

圖7 液體高壓強制霧化法系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

4 加濕設(shè)備的選擇與加濕量的確定

4.1 加濕機的使用場所與設(shè)備選擇

有電力供應(yīng)場所：建議使用計量泵式的設(shè)備，即液體高壓強制霧化法進行加濕(圖 7所述設(shè)備類型)；無電力供應(yīng)場所：建議使用氣體壓差冷霧化加濕法(圖4所述設(shè)備類型)。

4.2 加濕量的確定

加濕量是用加濕后的露點溫度來衡量的。加濕后的天然氣是多種不同成分——甲烷、其他可燃組分和水蒸氣、油蒸汽的混合物，水露點、烴露點分別對應(yīng)于水蒸氣、烴蒸汽的飽和度。將相對濕度換算為含水量或含油量來計算，其中影響參數(shù)包括壓力、干球溫度、其他氣體的含量。對不同壓力的管道，必須通過準(zhǔn)確的計算，才能確定在各種流量下所需的水和油的加注量。

加水的量通常是使處理后的天然氣達到 100%飽和，加乙二醇一般飽和度為50%。要求為：

(1)加濕后的露點溫度應(yīng)保持在人工煤氣的露點溫度水平。

(2)在加濕過程中，必須根據(jù)被加濕管道內(nèi)的天然氣流量來調(diào)節(jié)加注量，二者維持一個固定的比例。

為保持一定的加濕效果，通常在加濕點下游10 m 處(對噴霧方法)或送人工輸配管網(wǎng)之前(對加注蒸汽)，設(shè)置溫度監(jiān)測裝置，對加濕后的天然氣采樣，測量其濕度。

5 加濕實例

根據(jù)劉建軍等人的《天然氣加濕技術(shù)研究與應(yīng)用》，加濕劑的添加量按0.176 g/m3計算，年供氣量按1.2×108m3計算，每年的粗苯添加量為21.12 t。粗苯的價格按5 000元/t計，每年加濕劑(粗苯)的費用為 1.048×105元，單位體積燃氣的加濕劑費用為8.75×10-4元。若采用英國P&L公司工藝，每1×104m3燃氣的加濕劑添加量為 4.2 L，每年加濕劑(200號溶劑油)的添加量為50.4 m3，即40.32 t。加濕劑(200號溶劑油)的價格按15 000元/t計算，每年的加濕劑費用為6.048×105元，單位體積燃氣的加濕劑費用為5.04×10-3元?？梢姴捎么直阶鳛榧訚駝┚哂忻黠@的經(jīng)濟優(yōu)勢。

6 結(jié)語

天然氣加濕處理在不更換管道的情況下，可以較為有效地解決原有鑄鐵管網(wǎng)轉(zhuǎn)輸天然氣后的管網(wǎng)接口泄漏問題。加濕劑以霧化或過熱蒸汽形式注入管網(wǎng)，并與天然氣快速混合，使之充滿整個管網(wǎng)，從而使管網(wǎng)的相關(guān)接頭的密封狀態(tài)得以控制，確保鑄鐵管管網(wǎng)維持正常運行。當(dāng)然，加濕技術(shù)對于接口泄漏的修補作用并非在一朝一夕就能顯現(xiàn)，需有一個較長和持續(xù)的過程。中斷或停止加濕，短時間內(nèi)管網(wǎng)接口也并不會出現(xiàn)泄漏量的明顯增長，但隨著時間的推移，當(dāng)接口密封材料收縮干燥的狀態(tài)不斷加劇時，泄漏量必然隨之增加，因此，在選擇使用加濕技術(shù)和方案時，必須充分認(rèn)識和理解這一點。

由于加濕過程中加濕劑基本上是以氣相形式進入管網(wǎng)，所以因管道泄漏而使加濕劑進入周圍的土壤等環(huán)境中的量，可以忽略不計，不會對周圍環(huán)境產(chǎn)生影響。加濕設(shè)施投資成本相對全部更換鑄鐵管的成本要小得多，同時維護費用、使用成本也非常低廉。在現(xiàn)有管網(wǎng)設(shè)施中，特別是在中低壓調(diào)壓站等站場安裝加濕裝置相對來講比較煩瑣，如果能制定合適的系統(tǒng)加濕方案并結(jié)合天然氣工程中站場項目同步實施則比較方便。