煤層氣旋風分離器的脫水性能實驗研究

梁建國，李小亮

(1.山西華陽新材料科技集團有限公司 煤層氣開發利用分公司，山西 陽泉 045000；2.煤炭科學技術研究院有限公司 煤化工分院，北京 100013;3.煤基節能環保炭材料北京市重點實驗室，北京 100013；4.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013)

0 引 言

在如今傳統能源過度開采、石油資源儲藏總量不斷下降的情況下，對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和游離液體，還須去除在輸送條件下會凝結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、非化學計量的化合物，該物質的形成與沉淀給輸氣管道、氣井和一些工廠設備帶來負面影響[4-5]。

煤層氣是與煤炭共伴生的1種非常規天然氣[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水和氣態水，可根據下游用戶對于水含量的要求來選擇不同的脫水技術，從而實現脫水凈化的目的[13-16]。傳統的分子篩脫水流程存在投資大、流程切換復雜、分子篩粉化嚴重等問題，且很多現場的分子篩裝置存在干燥后天然氣攜帶粉塵時對下流工藝造成減產、設備運行不當等后果[17-20]。旋風過濾裝置廣泛應用于氣液分離，將旋風過濾器的基本原理與旋風分離和過濾分離的原理結合后對傳統旋流器進行開發，創造性地將2種分離方法的特點相結合從而提高了煤層氣的脫水效果[21-22]。

針對自制旋風分離器的脫水性能，通過開展氣體流量為百方級和千方級 2 種級別的煤層氣旋風分離器脫水性能實驗，以驗證氣體流量、氣體壓力對自制旋風分離器的脫水效率和脫水后氣體壓降的影響，進而探討旋風分離器的工業應用前景。

1 實驗簡述

分別加工處理能力為200 Nm3/h(百方級)和2 000 Nm3/h(千方級)的旋風分離脫水裝置，并通過脫水性能實驗分別驗證百方級和千方級旋風脫水裝置的脫水效率和壓降。實驗過程中使用AD780便攜式精密露點儀對氣體的含水量進行在線監測。實驗條件下AD780便攜式精密露點儀的檢測精度為±1 ℃。實驗中氣體壓力通過減壓閥進行調節。

百方級實驗采用高純氮氣鋼瓶氣、高純氧氣鋼瓶氣、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%，通過水浴裝置調整氣體中的含水量。氣體流量為百方級的實驗裝置流程示意如圖1所示。

圖1 百方級實驗裝置流程示意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，經過流量調節閥調整，再由質量流量計檢測流量后通過水浴裝置；通過水浴裝置加濕后進入旋風分離器進行脫水，旋風分離器進氣和出氣口設置露點儀檢測氣體露點。

千方級實驗采用煤礦井下抽采煤層氣進行模擬實驗，通過噴霧裝置增加空氣的含水量。實驗所用煤礦抽采煤層氣的CH4、O2、N2組成分別為30%、14.7%、55.3%。

氣體流量為千方級的實驗裝置流程示意如圖2所示。

圖2 千方級實驗裝置流程示意Fig.2 Flow diagram of thousand cubic meter experimental device

采用羅茨風機將煤層氣增壓至所需壓力并將其作為千方級實驗的原料氣，經過流量調節閥調整，再由渦街流量計檢測流量后通過噴霧裝置；實驗原料氣通過噴霧裝置加濕后進入旋風分離器進行脫水，旋風分離器進氣和出氣口設置露點儀檢測氣體露點。

實驗設定旋風分離器脫水效率為:

η=(1-mc/mj)×100%

其中，mj為旋風分離器進口露點折算氣體單位體積含水量，kg/Nm3；mc為旋風分離器出口露點折算氣體單位體積含水量，kg/Nm3。

2 實驗結果分析

2.1 進氣壓力對脫水效率及壓降的影響

通過減壓閥和羅茨風機的運行功率調整原料氣壓力至5 kPa、10 kPa、20 kPa、40 kPa、100 kPa、300 kPa、600 kPa。通過露點儀檢測原料氣進氣前后露點的變化，分析氣體壓力變化對自制旋風分離器脫水效率的影響。進氣壓力對脫水效率及脫水后壓降影響的實驗結果見表1。

表1 進氣壓力對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:當進氣壓力逐漸增加時，進氣壓力對自制旋風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時進氣壓力對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時進氣壓力對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:當進氣流量穩定在200 Nm3/h時，進氣壓力由5 kPa增加至600 kPa的過程中，自制旋風分離器的脫水效率始終保持在96%～97%，同時脫水后氣體的壓降也保持在550 Pa左右，均未出現大幅波動。該現象說明在進氣流量為200 Nm3/h時，進氣壓力對自制旋風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時進氣壓力對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:當進氣流量穩定在2 000 Nm3/h時，進氣壓力由5 kPa增至600 kPa的過程中，自制旋風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，均未出現大幅波動，說明進氣流量為2 000 Nm3/h時，進氣壓力對自制旋風分離器脫水效率和脫水后壓降基本沒有影響。

2.2 進氣流量對脫水效率及壓降的影響

使用設計處理能力為200 Nm3/h的旋風除霧器完成進氣量對脫水效率影響實驗，設定氣體壓力為40 kPa。調節進氣流量至140 Nm3/h、160 Nm3/h、180 Nm3/h、200 Nm3/h、220 Nm3/h、240 Nm3/h、260 Nm3/h。使用設計處理能力為2 000 Nm3/h的旋風除霧器完成進氣量對脫水效率影響實驗，設定氣體壓力為40 kPa。調節進氣流量至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。通過露點儀檢測原料氣進氣前后露點的變化，分析氣體壓力變化對自制旋風分離器脫水效率的影響，實驗結果見表2。由表2可知:當進氣流量變化時，進氣流量對自制旋風分離器脫水效率和脫水后氣體壓降有較大影響。進氣流量變化對脫水效率和脫水后壓降的影響分別如圖5、圖6所示。

圖5 進氣流量變化對脫水效率的影響Fig.5 Influence of inlet air flow change on dehydration efficiency

表2 進氣壓力對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 進氣流量變化對脫水后壓降的影響Fig.6 Influence of inlet air flow change on pressure drop after dehydration

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

2.3 與市售普通旋風分開器對比實驗

采用普通旋風分離器(DⅢ型)與自制旋風分離器在不同氣速條件下進行對比實驗，實驗結果如圖7所示。由圖7可看出，當普通旋風分離器(DⅢ型)的氣體流速由12 m/s增至25 m/s時，其分離效率由83.7%提升至86.1%，說明普通旋風分離器對液態水的分離效率基本維持在83%～87%。但自制旋風分離器氣體流速由12 m/s增至25 m/s時，其分離效率由92.6%提升至94.2%，說明自制旋風分離器對液態水的分離效率可達到92%～95%，即明顯優于普通旋風分離器的脫水效率。同時將自制旋風分離器直筒段直徑由150 cm放大至426 cm后，發現其分離效率無明顯下降。

圖7 自制旋風分離器與普通旋風分離器效率的對比關系Fig.7 Comparison of efficiency between self-made cyclone separator and ordinary cyclone separator

3 結 論

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

(2)當進氣流量提高時，旋風除霧器的脫水效率提高，但提高進氣量同樣會導致旋風除霧器脫水后壓降的提高。

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