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【论文精选】天然气旋风过滤净化和排污放散装置的研发

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作者：金伟，赵英杰，许慧萍，纪民举

第一作者单位：上海化工研究院

摘自《煤气与热力》2016年4月刊

1　概述

天然气在生产输配使用过程中由于气源、管道敷设、主辅设备磨损、腐蚀及自身的工艺特点（如温度、压力及流量变化等诸多因素），会产生不同程度的含尘、油及水等杂质的情况，造成精密调压设备、计量设备及压缩机转子等的磨损，甚至堵塞。这种情况会随气体输送压力的增高而变得更危险，严重时还会造成精密调压设备及计量设备的损坏，极大地影响安全生产，给企业和用户造成很大的经济损失［1］。

天然气调压计量站大多使用滤筒式过滤器进行过滤除尘，在生产过程中需要经常更换滤筒。杂质排放和厂站天然气输配系统天然气安全放散过程会产生巨大噪声，影响安全生产和周边环境。因此，排污放散系统需要相应的改进，以保护天然气生产工艺中的各种精密仪器设备并且减少环境污染，从而保障生产的稳定性和安全性［2-4］。本文所述天然气旋风过滤净化及排污放散装置，解决了天然气中杂质对厂站中压缩机、调节阀、流量计、精密仪器设备的堵塞及损坏、甚至危及生产安全的问题，解决了对环境污染较为严重的杂质和噪声问题，已获得专利证书［5-9］。

2　天然气旋风过滤净化装置

2.1　天然气旋风过滤净化装置结构及流程

天然气旋风过滤净化装置由重力沉降器、E-II型高效旋风分离器及高效气体过滤器三部分组合而成，见图1。含杂质天然气首先由净化装置入口进入装置下部腔体组成的第一级有限空间重力沉降器，杂质经过重力沉降后，大颗粒杂质被首先分离出来。然后由旋风分离器入口进入内置的第二级EII型高效旋风分离器。经过E-II型高效旋风分离器分离后，相对更细的杂质被分离，减轻后续的第三级高效气体过滤器的过滤负荷。然后天然气通过导气管进入填装特制中空纤维滤料的高效气体过滤器，天然气从上向下通过高效气体过滤器，天然气中剩余的分离要求粒径以上的杂质被过滤出来。最后天然气经出口排出。重力沉降器和E-II型高效旋风分离器分离出的杂质经设备底部中间灰斗临时储存后，通过杂质出口排出，然后杂质统一汇集到天然气排污放散装置中。

图1　天然气旋风过滤净化装置结构

2.2　重力沉降器

当天然气由入口进入净化装置，首先进入重力沉降器，此时气体流速较低。杂质颗粒在重力沉降器内的运动轨迹云图见图2，图2中的数值表示杂质颗粒粒径，单位为m，例如：1.00e-06表示粒径为1.0×10-6m。可以看出，大多数粉尘颗粒进入重力沉降器后便开始沉降，很少有粉尘颗粒跟随连续相流体进行运动；直径在1 μm～1 mm范围内的粉尘颗粒中只有100 μm左右及以下的颗粒难以分离出来，这与实际操作情况完全相符。模拟过程前设定的粉尘颗粒平均粒径为500 μm，说明大颗粒粉尘占绝大多数。从模拟结果来看，大量的颗粒被沉降分离出来。重力沉降器不设专门空间，而是利用净化装置筒体下部旋风分离器周围的有限空间，因而使其结构变得相当紧凑，大大节约了设备空间。

图2　杂质颗粒在重力沉降器内的运动轨迹云图

2.3　E-II型高效旋风分离器

2.3.1　E-II型高效旋风分离器原理

E-II型高效旋风分离器结构及工作原理见图3。天然气经重力沉降后由进气管以切线方向进入E-II型高效旋风分离器［6，10］。天然气首先在器壁与排气管间的圆环内形成一个向下旋转运动的外旋气流，当外旋气流到达器底以后，折而向上形成一个向上旋转运动的内层气流，由排气管排出。外旋气流中颗粒在离心力的作用下被甩向器壁，与器壁相撞后，沿器壁落至锥底的排灰管。内旋气流中残存的尘粒由于离心力的作用被抛入外旋气流中，内旋气流对分离也有积极作用。E-II型高效旋风分离器对20 μm以上的杂质颗粒及油（水）滴分离效率高达98%以上。杂质可通过旋风分离器下面的中间灰斗及时排放。

图3　E-II型高效旋风分离器结构及工作原理

2.3.2　导流挡板和异型进口

①导流挡板

导流挡板结构见图4。

图4　导流挡板结构

进气管沿圆筒体切线方向衔接有一块圆弧形导流挡板。导流挡板使得颗粒随气流进入旋风分离器内，气流由直线流动变为圆周流动时，由于颗粒的径向分离距离逐渐减小，因此有利于气固两相的分离，提高了分离效率，尤其是对细颗粒的捕集。

②异型进口

异型进口结构见图5。

图5　异型进口结构

进气管的圆筒体一侧的导流挡板与顶板连接部分留有一定尺寸的间隙，相对于一般的矩形进气管的分离器，将此种进口称为异型进口。旋风分离器内气流流动是非常复杂的，属于三维湍流的强旋流，除了主流为双层旋流外，还伴随着许多局部的二次涡流，它是影响旋风分离器性能的主要因素之一。与弯曲管道内形成纵向环流的原因一样，旋风分离器在出口管与顶板及器壁构成的环形区域内，由于顶板下面有一个流动缓慢的边界层，它的静压随圆筒体半径的变化比强旋流中的变化要平缓，于是促使外侧静压较高的流体向上流入此边界层内，并沿边界层向内侧流动，经排气管外壁而转折向下，形成了局部环流，也称上涡流。这种短路流把一部分已浓集在旋风分离器壁处的细颗粒向上带到顶板附近，而形成了“上灰环”，并不时被带入上升的中心气流中流出排气管，降低了旋风分离器净化效率。采用异型进口的目的，是为了气流在流速较高处有相应的较大流通面积，有效地消除上涡流的不利影响。同时，结合导流挡板与顶板保持一定的间隙的异型进口，不仅阻力有显著下降，而且分离效率也有了一定的提高。

2.3.3　E-II型高效旋风分离器实验验证

式中η——分离效率

ρ0——旋风分离器进气含尘质量浓度，g/m3

ρ1——旋风分离器出气含尘质量浓度，g/m3

图6　不同进口气速下旋风分离器的分离效率

2.4　高效气体过滤器

2.4.1　高效气体过滤器结构和工作原理

滤料是高效气体过滤器的主要部件之一，高效气体过滤器的过滤效率、运行阻力以及维护管理等都与滤料的材质、性能和使用寿命有密切的关系。高效气体过滤器作为第三级精密分离设备，设置两个过滤箱体，是一种采用不同孔隙率的中空纤维堆积而成的过滤器［11-12］。中空纤维具有弹性大、耐受性高、吸附性好等特点。中空纤维滤料的孔隙率自上而下逐渐降低，杂质依次按粒径从大到小被截留，从而实现立体过滤。由于含尘气体向压力低的方向流动，因此，随着过滤的进行，会逐渐在平面上形成一种平衡，进而在空间上形成一种平衡。高效气体过滤器的总捕集效率可大于99.9%，可根据需要任意调整过滤精度，最小过滤杂质粒径可达0.3 μm。由于中空纤维滤料具有很大的孔隙率，在捕集同等数量的杂质状态下，压力降小，是常用滤芯或滤管式过滤器的0.1～0.2倍。因此，高效气体过滤器能够长期稳定运行而不用频繁检修，检修周期一般为1～2 a，每次检修时更换滤料即可。

2.4.2　高效气体过滤器实验验证

高效气体过滤器验证装置直径为150 mm，高效气体过滤器内依次填入SRI 1#（50片）、3#（10片）及8#（1片）组合滤料，对其性能（过滤效率、压力降）进行研究。首先启动风机，按实验要求调节气体流量，实验杂质按一定浓度由加料器定量地加入过滤器进行过滤，在不同的工况下进行过滤实验。其压力降由过滤器进、出口的差压计直接读出；过滤效率可根据气体进、出口的含尘质量浓度计算得到，其中进口含尘质量浓度由加料器控制，出口含尘质量浓度由质量浓度测定仪测得。每次实验后更换新的滤料。实验结果见表1。

表1　SRI 1#、3#和8#组合滤料过滤性能实验结果

由表1可知，在进气含尘质量浓度相同的情况下，随着天然气流速的增加，SRI 1#、3#及8#组合滤料的过滤效率略有降低，压力降则增加明显。

图7为某天然气厂站中高效气体过滤器过滤前后中空纤维滤料的对比，箭头方向为天然气流动方向。高效气体过滤器中的SRI 1#中空纤维滤料在经过6个月使用后，杂质在滤料层中均匀立体分布，使用前后滤料层厚度未发生变化。

3　天然气排污放散装置

3.1　天然气排污放散装置结构和原理

3.2　封闭式排污缓冲罐结构和原理

排污缓冲罐由重力沉降器和高效气体精密过滤器组成。含杂质气体由入口进入重力沉降器，此时气体流速较低，因此，大颗粒杂质（粒径在100 μm以上）等杂质由于沉降效应被分离出来，沉降到重力沉降器的底部。重力沉降器两端设置有偏心异径管，两端法兰盖打开后便于对其内部进行全面清理。气体随后进入高效气体精密过滤器，高效气体精密过滤器使用SRIP精密滤管，根据排污要求匹配过滤精度，滤管过滤精度可达0.3 μm。高效气体精密过滤器设置在排污缓冲罐顶部，采用平盖法兰方式，便于清洗或更换时取出SRIP精密滤管。SRIP精密滤管的滤膜采用多层过滤疏油疏水精密材料制成，聚丙烯作为内外支撑层，耐热增强聚丙烯作为外罩及端盖，安装接头采用双O形硅橡胶密封圈密封。最后，经过滤的气体通过多级复合式消声器消声排放。

图7　高效气体过滤器过滤前后中空纤维滤料对比

图8　天然气排污放散装置

3.3　消声器结构和原理

天然气多级复合式消声器结构和原理见图9。

排污放散中消声器采用了多级复合消声路线，即第一级“小孔喷注消声层”+第二级“扩容降压消声层”+第三级“扩容升频消声层”+第四级“阻抗消声层”+第五级“导流扩散消声层”，以及外层筒体消声层。天然气在排放过程中由进气管进入消声器，然后沿消声器筒体径向方向进入第一级小孔喷注消声层，此消声层上有许多小孔，小孔产生涡流消耗气流能量。气流在能量迅速消耗之后进入扩容降压消声层，其能量密度得到快速降低。然后气体进入扩容升频消声层，气流的固有频率发生改变，机械性噪声能够得到有效遏制。扩容升频消声层采用大孔扩容，从结构上强化抗性和阻抗消声降声，通过改变噪声振动的频率即升频达到了安全系数更高的消声降噪效果，达到消声的目的。扩容升频消声后的天然气排放至阻抗消声层，阻抗消声层通过敷设消声覆盖材料于开孔不锈钢结构表面，通过过渡结构和谐振吸声结构来获得阻抗过渡谐振吸声的效果。天然气在完成降压消声过程后排入导流扩散消声层，同时具有排气、吸声消声、分流消声和减振消声功能。最后经筒体消声层排入空气中。

排放气体经天然气多级复合式消声器消声处理，达到GB 3096—2008《声环境质量标准》中1类声环境功能区（居民住宅、文化体育等）要求的环境噪声等效声级限值（55 dB）和3类声环境功能区（工业生产等）要求的环境噪声等效声级限值（65 dB）要求。

图9　天然气多级复合式消声器结构和原理

4　旋风过滤净化及排污放散装置的应用

天然气旋风过滤净化及排污放散装置目前在上海市天然气门站及调压计量站获得全面应用。自2002年以来，上海天然气管网有限公司已有刘行门站、崇明门站、金卫门站、浦星高压站、石洞高压站、临港高压站、大港次高压站、化工区次高压站、虹桥枢纽次高压站等近60个厂站采用了上述装置。在全国范围内，长庆油田、大庆油田等中石油系统的天然气净化厂及其他一些大中型城市门站、调压计量站中，有300多套装置获得推广应用。