梁建國，李小亮

(1.山西華陽新材料科技集團(tuán)有限公司 煤層氣開發(fā)利用分公司，山西 陽泉 045000；2.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 煤化工分院，北京 100013;3.煤基節(jié)能環(huán)保炭材料北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013；4.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013)

0 引 言

在如今傳統(tǒng)能源過度開采、石油資源儲(chǔ)藏總量不斷下降的情況下，對(duì)天然氣能源的利用突顯重要[1]。天然氣中通常含有飽和水、天然氣凝液(NGL)等組分，若在油氣田采用管道輸送天然氣，則需除去其中所攜帶的固體雜質(zhì)和游離液體，還須去除在輸送條件下會(huì)凝結(jié)成液體的氣相水和天然氣液烴組分[2-3]。天然氣中的氣相水是在合適的溫度、壓力、氣體飽和度、水鹽度、pH值等條件下由水和天然氣組成的類冰的、非化學(xué)計(jì)量的化合物，該物質(zhì)的形成與沉淀給輸氣管道、氣井和一些工廠設(shè)備帶來負(fù)面影響[4-5]。

煤層氣是與煤炭共伴生的1種非常規(guī)天然氣[6-10]，主要以民用為主，其民用量占總利用量的70%以上[11-12]。煤層氣在輸送、利用中含有的水包括液態(tài)水和氣態(tài)水，可根據(jù)下游用戶對(duì)于水含量的要求來選擇不同的脫水技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)脫水凈化的目的[13-16]。傳統(tǒng)的分子篩脫水流程存在投資大、流程切換復(fù)雜、分子篩粉化嚴(yán)重等問題，且很多現(xiàn)場(chǎng)的分子篩裝置存在干燥后天然氣攜帶粉塵時(shí)對(duì)下流工藝造成減產(chǎn)、設(shè)備運(yùn)行不當(dāng)?shù)群蠊鸞17-20]。旋風(fēng)過濾裝置廣泛應(yīng)用于氣液分離，將旋風(fēng)過濾器的基本原理與旋風(fēng)分離和過濾分離的原理結(jié)合后對(duì)傳統(tǒng)旋流器進(jìn)行開發(fā)，創(chuàng)造性地將2種分離方法的特點(diǎn)相結(jié)合從而提高了煤層氣的脫水效果[21-22]。

針對(duì)自制旋風(fēng)分離器的脫水性能，通過開展氣體流量為百方級(jí)和千方級(jí) 2 種級(jí)別的煤層氣旋風(fēng)分離器脫水性能實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證氣體流量、氣體壓力對(duì)自制旋風(fēng)分離器的脫水效率和脫水后氣體壓降的影響，進(jìn)而探討旋風(fēng)分離器的工業(yè)應(yīng)用前景。

1 實(shí)驗(yàn)簡述

分別加工處理能力為200 Nm3/h(百方級(jí))和2 000 Nm3/h(千方級(jí))的旋風(fēng)分離脫水裝置，并通過脫水性能實(shí)驗(yàn)分別驗(yàn)證百方級(jí)和千方級(jí)旋風(fēng)脫水裝置的脫水效率和壓降。實(shí)驗(yàn)過程中使用AD780便攜式精密露點(diǎn)儀對(duì)氣體的含水量進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)條件下AD780便攜式精密露點(diǎn)儀的檢測(cè)精度為±1 ℃。實(shí)驗(yàn)中氣體壓力通過減壓閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。

百方級(jí)實(shí)驗(yàn)采用高純氮?dú)怃撈繗狻⒏呒冄鯕怃撈繗?、高純甲烷鋼瓶氣混配獲得原料氣，其組成為CH4、O2、N2，占比分別為30%、14.7%、55.3%，通過水浴裝置調(diào)整氣體中的含水量。氣體流量為百方級(jí)的實(shí)驗(yàn)裝置流程示意如圖1所示。

圖1 百方級(jí)實(shí)驗(yàn)裝置流程示意Fig.1 Flow diagram of hundred square experimental device

通過鋼瓶氣混配得到的原料氣，通過減壓閥減壓至所需壓力，經(jīng)過流量調(diào)節(jié)閥調(diào)整，再由質(zhì)量流量計(jì)檢測(cè)流量后通過水浴裝置；通過水浴裝置加濕后進(jìn)入旋風(fēng)分離器進(jìn)行脫水，旋風(fēng)分離器進(jìn)氣和出氣口設(shè)置露點(diǎn)儀檢測(cè)氣體露點(diǎn)。

千方級(jí)實(shí)驗(yàn)采用煤礦井下抽采煤層氣進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，通過噴霧裝置增加空氣的含水量。實(shí)驗(yàn)所用煤礦抽采煤層氣的CH4、O2、N2組成分別為30%、14.7%、55.3%。

氣體流量為千方級(jí)的實(shí)驗(yàn)裝置流程示意如圖2所示。

圖2 千方級(jí)實(shí)驗(yàn)裝置流程示意Fig.2 Flow diagram of thousand cubic meter experimental device

采用羅茨風(fēng)機(jī)將煤層氣增壓至所需壓力并將其作為千方級(jí)實(shí)驗(yàn)的原料氣，經(jīng)過流量調(diào)節(jié)閥調(diào)整，再由渦街流量計(jì)檢測(cè)流量后通過噴霧裝置；實(shí)驗(yàn)原料氣通過噴霧裝置加濕后進(jìn)入旋風(fēng)分離器進(jìn)行脫水，旋風(fēng)分離器進(jìn)氣和出氣口設(shè)置露點(diǎn)儀檢測(cè)氣體露點(diǎn)。

實(shí)驗(yàn)設(shè)定旋風(fēng)分離器脫水效率為:

η=(1-mc/mj)×100%

其中，mj為旋風(fēng)分離器進(jìn)口露點(diǎn)折算氣體單位體積含水量，kg/Nm3；mc為旋風(fēng)分離器出口露點(diǎn)折算氣體單位體積含水量，kg/Nm3。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 進(jìn)氣壓力對(duì)脫水效率及壓降的影響

通過減壓閥和羅茨風(fēng)機(jī)的運(yùn)行功率調(diào)整原料氣壓力至5 kPa、10 kPa、20 kPa、40 kPa、100 kPa、300 kPa、600 kPa。通過露點(diǎn)儀檢測(cè)原料氣進(jìn)氣前后露點(diǎn)的變化，分析氣體壓力變化對(duì)自制旋風(fēng)分離器脫水效率的影響。進(jìn)氣壓力對(duì)脫水效率及脫水后壓降影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 進(jìn)氣壓力對(duì)脫水效率及脫水后壓降的影響Table 1 Influence of inlet pressure on dehydration efficiency and pressure drop after dehydration

由表1可知:當(dāng)進(jìn)氣壓力逐漸增加時(shí)，進(jìn)氣壓力對(duì)自制旋風(fēng)分離器的脫水效率及脫水后壓降影響較小。流量為200 Nm3/h、2 000 Nm3/h時(shí)進(jìn)氣壓力對(duì)脫水效率和脫水后壓降的影響分別如圖3、圖4所示。

圖4 流量為2 000 Nm3/h時(shí)進(jìn)氣壓力對(duì)脫水效率和脫水后壓降的影響Fig.4 Effect of inlet pressure on dehydration efficiency and pressure drop after dehydration when the flow is 2 000 Nm3/h

由圖3可知:當(dāng)進(jìn)氣流量穩(wěn)定在200 Nm3/h時(shí)，進(jìn)氣壓力由5 kPa增加至600 kPa的過程中，自制旋風(fēng)分離器的脫水效率始終保持在96%～97%，同時(shí)脫水后氣體的壓降也保持在550 Pa左右，均未出現(xiàn)大幅波動(dòng)。該現(xiàn)象說明在進(jìn)氣流量為200 Nm3/h時(shí)，進(jìn)氣壓力對(duì)自制旋風(fēng)分離器脫水效率和脫水后壓降基本沒有影響。

圖3 流量為200 Nm3/h時(shí)進(jìn)氣壓力對(duì)脫水效率和脫水后壓降的影響Fig.3 Effect of inlet pressure on dehydration efficiency and pressure drop after dehydration when the flow is 200 Nm3/h

由圖4可知:當(dāng)進(jìn)氣流量穩(wěn)定在2 000 Nm3/h時(shí)，進(jìn)氣壓力由5 kPa增至600 kPa的過程中，自制旋風(fēng)分離器的脫水效率保持在94%～95%；脫水后氣體的壓降也約保持在413 Pa，均未出現(xiàn)大幅波動(dòng)，說明進(jìn)氣流量為2 000 Nm3/h時(shí)，進(jìn)氣壓力對(duì)自制旋風(fēng)分離器脫水效率和脫水后壓降基本沒有影響。

2.2 進(jìn)氣流量對(duì)脫水效率及壓降的影響

使用設(shè)計(jì)處理能力為200 Nm3/h的旋風(fēng)除霧器完成進(jìn)氣量對(duì)脫水效率影響實(shí)驗(yàn)，設(shè)定氣體壓力為40 kPa。調(diào)節(jié)進(jìn)氣流量至140 Nm3/h、160 Nm3/h、180 Nm3/h、200 Nm3/h、220 Nm3/h、240 Nm3/h、260 Nm3/h。使用設(shè)計(jì)處理能力為2 000 Nm3/h的旋風(fēng)除霧器完成進(jìn)氣量對(duì)脫水效率影響實(shí)驗(yàn)，設(shè)定氣體壓力為40 kPa。調(diào)節(jié)進(jìn)氣流量至1 400 Nm3/h、1 600 Nm3/h、1 800 Nm3/h、2 000 Nm3/h、2 200 Nm3/h、2 400 Nm3/h、2 600 Nm3/h。通過露點(diǎn)儀檢測(cè)原料氣進(jìn)氣前后露點(diǎn)的變化，分析氣體壓力變化對(duì)自制旋風(fēng)分離器脫水效率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。由表2可知:當(dāng)進(jìn)氣流量變化時(shí)，進(jìn)氣流量對(duì)自制旋風(fēng)分離器脫水效率和脫水后氣體壓降有較大影響。進(jìn)氣流量變化對(duì)脫水效率和脫水后壓降的影響分別如圖5、圖6所示。

圖5 進(jìn)氣流量變化對(duì)脫水效率的影響Fig.5 Influence of inlet air flow change on dehydration efficiency

表2 進(jìn)氣壓力對(duì)脫水效率及脫水后壓降的影響Table 2 Influence of inlet pressure on dehydration efficiency and pressure drop after dehydration

圖6 進(jìn)氣流量變化對(duì)脫水后壓降的影響Fig.6 Influence of inlet air flow change on pressure drop after dehydration

由圖5、圖6可知:當(dāng)進(jìn)氣流量穩(wěn)定由140 Nm3/h增加至260 Nm3/h時(shí)，自制旋風(fēng)分離器的脫水效率由95.4%逐漸增加至97%，同時(shí)脫水后氣體的壓降由521 Pa逐漸增加至581 Pa。該現(xiàn)象說明進(jìn)氣流量的增加可提高自制旋風(fēng)分離器的脫水效率，但使自制旋風(fēng)分離器脫水后壓降升高；當(dāng)進(jìn)氣流量穩(wěn)定由1 400 Nm3/h增加至2 600 Nm3/h時(shí)，自制旋風(fēng)分離器的脫水效率由93.2%逐漸增加至97.2%，同時(shí)脫水后氣體的壓降由392 Pa逐漸增加至469 Pa。該現(xiàn)象說明進(jìn)氣流量的增加可提高自制旋風(fēng)分離器脫水效率，但使自制旋風(fēng)分離器脫水后壓降升高。

2.3 與市售普通旋風(fēng)分開器對(duì)比實(shí)驗(yàn)

采用普通旋風(fēng)分離器(DⅢ型)與自制旋風(fēng)分離器在不同氣速條件下進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。由圖7可看出，當(dāng)普通旋風(fēng)分離器(DⅢ型)的氣體流速由12 m/s增至25 m/s時(shí)，其分離效率由83.7%提升至86.1%，說明普通旋風(fēng)分離器對(duì)液態(tài)水的分離效率基本維持在83%～87%。但自制旋風(fēng)分離器氣體流速由12 m/s增至25 m/s時(shí)，其分離效率由92.6%提升至94.2%，說明自制旋風(fēng)分離器對(duì)液態(tài)水的分離效率可達(dá)到92%～95%，即明顯優(yōu)于普通旋風(fēng)分離器的脫水效率。同時(shí)將自制旋風(fēng)分離器直筒段直徑由150 cm放大至426 cm后，發(fā)現(xiàn)其分離效率無明顯下降。

圖7 自制旋風(fēng)分離器與普通旋風(fēng)分離器效率的對(duì)比關(guān)系Fig.7 Comparison of efficiency between self-made cyclone separator and ordinary cyclone separator

3 結(jié) 論

(1)進(jìn)氣壓力由100 kPa逐漸增加至600 kPa的過程中，旋風(fēng)除霧器的脫水效率及脫水后壓降均未發(fā)生明顯變化，說明進(jìn)氣壓力對(duì)自制旋風(fēng)分離器的脫水效率和脫水后壓降幾乎沒有影響。

(2)當(dāng)進(jìn)氣流量提高時(shí)，旋風(fēng)除霧器的脫水效率提高，但提高進(jìn)氣量同樣會(huì)導(dǎo)致旋風(fēng)除霧器脫水后壓降的提高。

(3)自制旋風(fēng)分離器的脫水效率可達(dá)到92%～95%，該脫水效率明顯優(yōu)于普通旋風(fēng)分離器的脫水效率。