由于煤层气特殊的赋存特点以及所采用的压裂开采工艺，不可避免地在原料气中混入大量微细粉尘，对地面集输和后部处理提出了严峻挑战。华北油田煤层气分公司在山西晋城开采的初期，就遭受了煤粉严重堆积管路，进而损毁压缩机活塞、缸体和仪表失效的问题，给正常生产带来了很大影响。为解决煤粉的影响，通过在压缩机上游加装重力分离器、纤维型滤芯过滤筒，较好地阻隔了煤粉，有效地减少了其危害。但由于一直以来缺乏定量测量和监控手段，对现有纤维型滤芯的实际应用效果、过滤效率、可靠性、安全性等无从了解和掌握，致使过滤筒成为生产过程的不可控因素。因而，有必要引入现代化的监测手段，以定量评价过滤筒的工作效果，为高效率、稳定地和安全地生产提供判断依据[1-2]。
为了了解晋城地区煤层气煤粉的基本特性，进行了粉尘粒度检验，其典型粒径分布见图 1。其化学成分主要为Al2O3、Fe2O3、SiO2、CaO，其余为单质C和部分杂质。
引入专为煤层气开发设计制造的高镍金属滤芯和复合膜滤芯，与现有纤维型滤芯作应用性能对比，委托中国石油大学进行现场实机测试和实验室测试，一方面定量测定现有过滤筒的工作效率，另一方面找出最适合煤层气煤粉防治的滤材，为今后的改进提供参考依据。
采用气溶胶在线颗粒粒径谱仪进行生产现场管道内粉尘粒径分布和粉尘浓度的实时检测。该仪器的粒径测量范围为0.3~40 μm，可在小于6 MPa压力下在线检测。现场检测时，将此装置分别连接至粉尘过滤器进出口压力表放空口处，保证等速取样，确保取到具有代表性的颗粒物样品。图 2为在线检测流程。
现场测试选取某集气站站内2号和3号两组粉尘过滤装置作为对比平台。每组粉尘过滤装置分别由两台过滤筒组成。试验所需的4台过滤筒分别编号为2-1、2-2、3-1、3-2。
每组过滤器中的其中一台更换为新式滤芯—高镍金属滤芯和复合膜滤芯，即2-1装有高镍金属滤芯，3-1装有复合膜滤芯；过滤筒2-2和3-2装有聚结式滤芯(纤维型)。在现场工作条件下进行对比运行考核。3种滤芯均使用新滤芯。
现场工况：输气量约22 300 m3/h、温度约10.3 ℃、压力约0.05 MPa、滤芯表观气速约0.35 m/s。
由于要求检测不得影响正常生产，现场测试共5天。测试时间：2013年1月13日~2013年1月17日。
实验室测试为利用滤芯标准实验平台对滤芯的气固性能进行测定, 并对经过再生处理的高镍金属滤芯进行气固过滤性能测试。
由于试验数据较为庞杂，为比较3种滤芯的性能差异，本文仅根据现场检测报告的数据进行了净化总效率的计算并进行对比。结果见表 1。
从表 1可看出，在现场高流速冲刷和多变气质条件下(现场工况：输气量约22 300 m3/h，滤芯表观气速约0.35 m/s、上游质量浓度在0.23~10.14 mg/m3范围内波动)，复合膜和纤维型滤芯净化总效率有低于80%的情况，而高镍金属滤芯的净化总效率能稳定在90%以上。
为了说明部分滤芯总效率下降的具体表现, 表 2、表 3列出了其发生异常的检测数据。
从表 2、表 3可看出, 纤维型滤芯的分粒度净化效率在运行数天后大幅下降, 从而导致其总效率下降。在这种情况下，有高达近一半的煤粉进入了下游，其危害不可小视。
以上表中数据表明，纤维型滤芯和复合膜滤芯过滤净化效率在5天以内都是不稳定的，导致大量粉尘进入下游而磨损压缩机组部件，影响控制仪表精度。这两种滤芯过滤净化效率下降既与其工作原理，即通过聚结效应吸附颗粒而迅速阻滞滤层导致其效率下降有关，也可能与其受潮破损、形状变形导致泄漏有关。如果滤芯发生泄漏，即使只有一只发生情况下，根据气流的运行特点，也将发生类似决堤效应，对下游的压缩机组将是致命影响，导致设备性能下降和发生安全事故[3]。
高镍金属滤芯的工作原理不同于上述两种滤芯，其微孔专门设计为直线通道型式，兼顾通透拦截功能；所用材质为不亲水性且表面经特殊处理而具有自净粉尘能力，同时具有较高强度和刚度(破坏压差≤3 MPa)，在现场工作条件下不会发生破损而致泄漏，因而过滤效率较高且稳定。这对于高效、稳定和安全的生产是非常有利的，可以在净化原料气、防治煤粉的同时，为下游的压缩机组和控制系统提供保护。这就为解决现场流速过高、浓度多变(特别是启停压缩机导致管路扬灰)并从根本上防止煤粉泄漏所致危害提供了可靠保证。
实验室颗粒物过滤测试数据对比见表 4。
从实验室数据来看，复合膜滤芯和纤维型滤芯略优于高镍滤芯，但三者都在99.9%以上。从工程应用角度来看，过滤效率基本等同。这种差异与其各自工作原理不同有关。
从寿命来看，复合膜滤芯和纤维型滤芯为一次性使用，而高镍金属滤芯通过再生可以循环使用。现场应用表明，高镍金属滤芯已在某集气站稳定工作一个月以上，这比只有数天工作寿命的纤维型滤芯，滤筒单次工作周期已得到明显提高。图 3为高镍金属新滤芯与再生滤芯(在实验室通过简易反吹进行1次再生、2次再生、3次再生、4次再生)的时间与压降曲线。从图 3中看出，高镍金属滤芯再生性能良好，可满足循环使用要求。
由于不同品牌、批次滤芯的产品价格存在差异，无法获得准确的数据。因而，经济性指标以市场平均水平进行计算对比。以某集气站现有6只立式滤筒在三年内耗用滤芯进行经济性对比。现有情况为，一只滤筒一次安装7根滤芯，则6只滤筒一次共需42根。一年以330个工作日计算。
纤维滤芯：因其为一次性使用滤芯，在现场常规气质条件下，以10个工作日为其更换周期(寿命)，则一年需更换33次。三年6只滤筒共消耗：42×33×3=4 158根，以一只计价500元，则三年共需约210万。
高镍滤芯：因其可反复使用，6只滤筒一次安装42根，为保证最低更换率，取一用二备组合，按一根滤芯最佳寿命一年计，则三年共需消耗：42×3=126(根)。
以一只计价5 600元，则三年共需材料费用约71万元，再生费用每年20万元，三年共60万元，两项合计：131万元。
由此可见，使用高镍滤芯可比老式滤芯节省直接成本约40%。长期而言，高镍金属滤芯能够降低综合运行成本，其长周期工作方式对提高煤层气产量的经济效益显著。
限于现场生产任务紧急和成本因素，现场测试无法进行全周期测量，仅仅5天的测试数据并不能完全说明3种滤芯性能的差异。上述分析结果仅是初步表明了高镍金属滤芯在净化总效率、分粒度净化效率、运行稳定性、生产安全性、经济性等方面比纤维型滤芯更具优势，较后者更胜任晋城地区高流速、粉尘浓度多变且含湿煤层气的工作条件。由于煤层气开采的特殊性，需要根据现场实际情况进行滤材选型和净化设备设计，同时也要高度重视滤材的净化稳定性和生产安全性问题。
2014, Vol. 43 Issue (1): 104-107
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