上海天然气管网十几年来沿上海外环线和郊环线布局,逐步分段敷设压力等级为1.6 MPa、4.0 MPa、6.0 MPa的天然气高压输配管道及相应配套设施,建立了30多个天然气计量站及调压门站,在整个上海形成“南北贯通、东西互补、两环相连”,总长超过500 km的上海天然气主干管网。随着天然气建设的快速发展,对管网天然气的工业净化高新技术和规模需求也达到了一个新的高度。天然气管网在建设过程中天然气输配送工艺和调压计量设备对天然气气质的要求越来越高,输配送系统中存在突发大量管线粉尘、油水、泥浆及其他杂质的复杂工况,对天然气的净化专业技术要求越来越高,采用滤筒滤芯等传统的单一净化技术已不能满足要求[1-2]。
针对上述现状,开发了HGSD系列梯级除尘除油净化预处理装置[4-6],以上海天然气管网公司某门站天然气梯级除尘除油净化装置为例,进行相关净化性能研究,为后续装置的优化设计及操作运行提供参考。
(1) 入口流量:960×104 m3/d。
(2) 天然气组分见表 1。
(3) 运行温度:10~15 ℃。
(4) 运行压力(A):3.0~6.0 MPa。
XP64000L型梅特勒-托利多试验天平、V15712-HD1A1C7E型罗斯蒙特差压变送器、G400型埃尔斯特流量计、S3500蓝波1型麦奇克粒度分析仪、S-4800型日立扫描电子显微镜。
天然气梯级除尘除油净化试验装置是由受限空间沉降分离、E-II型高效旋风分离两级预处理及HGSD密度梯度过滤器3部分组成的一体式梯级净化技术[3],现场试验装置结构如图 1所示。
首先,含油水粉尘的天然气由装置入口进入由装置下部腔体组成的第一级受限空间沉降分离单元,油水粉尘杂质经过受限空间沉降分离后,100 μm粗粒径范围以上杂质首先被分离出来;然后,由入口进入到内置的第二级E-II型旋风分离单元,经过E-II型旋风分离后,100~20 μm中间粒径范围的杂质被分离处理;最后,天然气通过导气管由上而下经过填装特制中空纤维滤料的密度梯度过滤单元,如图 2所示。密度梯度过滤单元填装系列多孔纤维滤料:每种滤料具有沿气流方向梯度减小的空隙率和过滤性能。典型填装方案:SRI1#数量35片,每片厚度20 mm,滤料的压缩比为30%;SRI3#数量15片,每片厚度20 mm,滤料的压缩比为25%;SRI8#数量1片,每片厚度30 mm,滤料的压缩比为10%。一定时间后取出滤料, 进行净化效果分析。受限沉降分离单元和E-II型旋风分离单元得到的杂质经旋风中间灰斗通过排污管道汇集到排污放散装置进行杂质重力测量。
如图 1所示,当天然气由进气口进入E-II型旋风分离器前,首先进入受限空间沉降室,由于空间成倍放大的因素,气体流速得到迅速降低。根据重力加速度与水平速度公式,计算得出粒径在100 μm以上的大颗粒杂质被分离,落入装置下部筒体。沉降原理与压力容器限定的整体结构优化,受限空间沉降效应仅仅利用装置下部旋风分离器周围的空间,不增加额外设备空间。
同时, 基于非均相流体动力学理论,通过受限空间内沉降分离颗粒流动模拟演示,研究封闭受限空间内沉降的杂质颗粒的流动情况。在模拟计算中, 采用Rosin-Rammler粒径分布模型,N值为3.5,d值为10-5 m,粒径范围为10-4~10-8 m。由Rosin-Rammler粒径分布模型的特点可知,较大颗粒质量分数较高,细微颗粒质量分数较低,这基本符合天然气管道中粉尘颗粒的一般规律。如图 3(a)、图 3(b)所示,对于100~50 μm粒径范围内的杂质颗粒,接近100 μm粒径的颗粒能够落入装置底部;而对接近于50 μm的杂质颗粒,其气流经装置筒体底部运动后继续沿气流方向运动,并没有落入装置底部;通过对比60~20 μm粒径范围内的颗粒运动轨迹,可以发现当粒径达到20 μm时,沉降对其完全失去作用。如图 3(c)、图 3(d)所示,随着入口气速的增加,颗粒运动轨迹越来越复杂,影响整体颗粒杂质的沉降效率,表明沉降分离在条件允许的情况下,降低其入口气速能够显著提高沉降效率。如图 4所示,受限空间重力沉降室分离得到的主要为大颗粒状固体杂质,说明其对大颗粒杂质确实能够进行有效的沉降分离。
如图 1所示,含油水粉尘杂质天然气由受限空间沉降单元进入内置式E-II型旋风分离单元,依靠高速离心力的原理对20 μm的粉尘颗粒及油水滴进行分离[4]。区别于常规的旋风分离器,E-II型旋风分离器采用异形进口和入口渐缩形导流挡板形式,对涡流具有较大的抑制作用,能够高效低阻地进行除尘除油。
图 5所示为采用Rosin-Rammler粒径分布模型,不同粒径及旋风入口气速的粉尘颗粒在旋风分离单元内的运动轨迹。由图 5可以看出,杂质颗粒进入矩形进气口后,受切向力作用,杂质颗粒开始作旋转运动,大直径的颗粒首先在离心力的作用下沿壁面运动,同时在重力的作用下快速下行,合成的轨迹为螺旋下降运动,并最终沉降到底部;1~20 μm的颗粒由于自身质量较小,很容易受到气流的连续相影响,跟随连续相由中心管逃逸出旋风分离器。如图 5(a)、图 5(b)所示,直径在20 μm以下的小颗粒逐渐在中心轴线处汇集并随主流向上运动,直径在20 μm以上的大颗粒却沿着壁面逐渐下降至底部,并最终沉降下来。说明旋风分离单元对直径20 μm以上的颗粒具有较高的分离能力。
如图 6所示,E-II型高效旋风分离器下部灰斗排放出的固体杂质,对比受限空间沉降得到的杂质,其颗粒粒径范围明显变小。
如图 2所示,通过装置进、出汇管的差压变送器来试验运行期间的压降变化情况,根据高峰低谷的天然气流量的不同,选取4个过滤速度点(V1、V2、V3、V4),考察同一时间段内不同过滤速度与压降的关系;根据过滤时间不同,考察过滤速度与压降的关系。
如图 7所示,不同过滤速度下的起始压降相近似,大约0.3~0.4 kPa,说明滤料固有压降并不大,其不受过滤速率的影响;同一过滤速度下,随着时间的增长,过滤压降逐渐增加,15天内过滤压降增速高,而15天后压降增速降低;结合试验前后滤料对比图 8,说明随着时间的增加,杂质颗粒缓慢在密度梯度过滤单元内形成平衡,不同粒径范围的杂质被有序地拦截吸附在立体过滤层内,形成动力平衡,对气路不造成阻挡,从而显著降低压降的增加,30天后密度梯度过滤单元的压降为5~6 kPa;同一时间段内,压降与过滤速度呈正相关,但差额并不大,说明密度梯度过滤单元对气量波动的适应性高,能够维持在一定的压降范围内。
图 9所示为密度梯度过滤单元过滤捕集得到的油水粉尘混合物,同时将30天内密度梯度过滤单元内材料过滤前后称量,得出油水粉尘的杂质量(见表 2)。
结果如表 2所列,天然气中的杂质90%以上为固体杂质与压力流量变换析出的轻油杂质,水分在杂质中所占比例很小;30天内密度梯度过滤单元内杂质总捕集量达到615.3 kg,单位滤料的杂质捕集量可达24.1 kg。由以上分析可知:装置运行压差在5~6 kPa以内,杂质脱除效果明显,且该设备运行平稳,适应性强。滤料采用具有极强吸附能力的SRI系列特制中空纤维,由上至下按密度梯度逐步从疏松到致密排布,这种结构使较大的尘粒由上层较粗的滤料得到截留,而较小的尘粒在渗透到下层较密的滤料中得到捕集,即粉尘在多层滤料中呈立体分布[5-6]。相对于滤芯或滤管式过滤器,密度梯度过滤器的纳污量大,由于中空纤维滤料具有98%以上的空隙率,捕集同等数量的杂质状态,阻力远小得多。30天内运行阻力不超过6 kPa的情况下,其纳污量可达615.3 kg。
(1) 天然气梯级除尘除油净化装置内受限空间沉降单元和E-II型旋风分离单元能够对100 μm和20 μm的杂质进行高效预处理,以减轻后续密度梯度过滤单元的净化压力。
(2) 天然气梯级除尘除油净化装置内密度梯度过滤单元初始压降0~1 kPa,运行30天后,压差仅为5~6 kPa,30天内密度梯度过滤单元纳污量达615.3 kg,单位滤料的杂质捕集量为24.1 kg,能够适应不同流量下的净化工况。