燒結金屬纖維型隔離氣濾芯氣-液過濾實驗及現場高壓應用

于文瀚，陳 鋒，任昱霖，張婉姝，吳小林，姬忠禮

(中國石油大學(北京) 機械與儲運工程學院 過程流體過濾與分離技術北京市重點實驗室，北京 102249)

天然氣不僅是清潔能源，而且是優質的化工原料[1]，天然氣的長距離運輸是中國的一項重點工程項目，其沿途壓氣站的安全穩定運行是天然氣運輸至關重要的保障。干氣密封是一種干運轉、氣體潤滑、無接觸軸封，在長輸天然氣管道壓氣站離心壓縮機組獲得了廣泛的應用[2]。在生產運行中，當壓縮機組潤滑油存在于干氣密封動、靜環端面之間時，會導致動、靜環過熱，使密封系統產生脆裂而報廢[3]，引起壓縮機組故障。隔離氣的作用是為干氣密封系統隔絕潤滑油，防止油氣污染密封端面[4]，保障壓縮機組安全穩定運行。因此，壓縮機組對于隔離氣的氣質潔凈度有很高的要求，隔離氣濾芯的過濾性能會直接影響壓氣站及管道的安全生產運行。

隔離氣中的雜質主要是空壓機潤滑油和超級冷卻劑液滴，為高效去除液滴雜質，通常使用氣-液聚結濾芯作為隔離氣的凈化裝置。近年來，國內外學者對于氣-液聚結過濾理論已開展了廣泛的研究，研究的方向主要集中在考察濾材過濾性能影響因素[5-10]、濾芯和濾材的性能測試分析[11-12]以及對氣-液過濾機理的研究[13-16]等。Kampa等[13-14]研究了氣-液過濾過程中液體的運移，提出了“跳躍-通道”壓降半定量模型，并且解釋了潤濕壓降的產生機制；Chen等[16]采用親油和疏油玻璃纖維濾材進行實驗，系統研究了孔徑對聚結濾材過濾性能的影響；王潤鵬等[10]研究了壓力由0.1 MPa升至0.7 MPa時濾芯內的液體分布、濾材飽和度和過程壓降的變化規律。上述學者的研究主要針對玻璃纖維材料，而隔離氣濾芯的材料有玻璃纖維、聚酯纖維和燒結金屬纖維3種，燒結金屬多孔材料及由該材料構成的濾材是一種運用廣泛的剛性過濾介質[17]，具有機械強度高、耐高溫、耐腐蝕等優點[18]。目前對于燒結金屬纖維過濾材料的研究主要集中在材料制備及性能分析[19-20]、氣-固和液-固過濾[21-22]等領域，國內外學者對于其氣-液聚結過濾性能及機理鮮有研究，而且有關燒結金屬濾芯氣-液聚結過濾的性能尚未在現場實際運行工況下進行過探究。

因此，筆者在實驗室和壓氣站現場分別設計搭建了隔離氣濾芯性能測試裝置，在2種工況下進行實驗研究。在實驗室內，對比研究了不同燒結氈孔徑、不同孔徑燒結氈排布以及不同過濾氣速對濾芯過濾性能的影響；在壓氣站現場，對比分析了實驗濾芯與壓氣站場現用濾芯的壓降和效率，研究了濾芯在實際工況下的過濾性能。通過上述對金屬濾芯過濾性能影響因素的分析，以及對濾芯在實際工況下過濾性能特性的研究，為進一步優化隔離氣凈化系統提供數據支持和優化方法，以期為隔離氣濾芯的設計與研發提供理論參考。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

實驗液體介質是國際測試標準中常用的癸二酸二辛酯(DEHS)，上海麥克林生化科技有限公司產品；燒結金屬氈濾材來自新鄉市勝達過濾凈化技術有限公司，材質為不銹鋼；濾芯由燒結氈纏繞制成，根據燒結氈排布方式分為5種，分別記為濾芯A1、A2、A3、B1、B2；現場使用的濾芯(記為濾芯C)來自荷蘭INDUFIL公司；所有濾芯的有效過濾面積均為0.0112 m2。表1為濾芯及燒結氈濾材參數。圖1為濾芯的結構示意圖。采用瑞典Biolin Scientific公司生產的Theta光學接觸角測定儀測定DEHS液滴在燒結氈表面的接觸角變化，初始液滴接觸角在55°～70°之間，且液滴在1 s內完全浸入燒結氈，因此燒結氈為親油型濾材。

圖1 燒結金屬濾芯結構示意圖

1.2 隔離氣濾芯氣-液過濾性能實驗裝置及方法

1.2.1 實驗室實驗裝置及方法

根據國內外相關標準建立隔離氣濾芯氣-液過濾性能實驗裝置，如圖2所示。采用德國TOPAS公司生產的ATM 240型Laskin多分散氣溶膠發生器產生霧化液滴，液滴與潔凈的空氣在主管路混合后進入被測濾芯，氣流從濾芯下端流入，由濾芯內側經金屬燒結氈過濾后向濾芯外側流動，隨后進入下游管路；被濾芯攔截的液滴在燒結氈內部聚結后形成大液滴，在重力的作用下從濾芯外側流入實驗腔體下端的集液箱內。采用美國Alicat Scientific公司生產的MCR 500 slpm型質量流量控制器(精度為±0.4%)保證主管路流量恒定；采用美國Rosemount公司生產的3051DP型差壓變送器(精度為±0.075%)測試濾芯的壓降；采用德國PALAS公司生產的Welas 3000型光學顆粒物粒徑譜儀對濾芯上、下游液滴的濃度和粒徑分布進行測量，測試粒徑范圍為0.3～40 μm。實驗環境溫度維持在(25±1) ℃，實驗環境相對濕度維持在45%±5%，每根濾芯的實驗時間均維持在(6±0.5)h。

OPC—Optical particle counter；HEPA—High efficiency particulate air filter

1.2.2 現場試驗裝置及方法

為探究燒結金屬濾芯在現場工況下的實際性能，在某壓氣站搭建了可測試長輸天然氣管道壓縮機組隔離氣濾芯性能的裝置，如圖3所示。在線檢測裝置通過現場的隔離氣儀表管進行采樣，使用壓力表測試氣體的壓力，現場隔離氣的工作壓力為絕對壓力0.75 MPa；樣品氣測壓后進入光學粒子計數器(OPC)，測試濾芯上游和下游的液滴濃度及粒徑分布；隨后樣品氣經過濾器和減壓閥進行放空。需要說明的是，由于隔離氣是空壓機產生的壓縮空氣且輸送管路獨立于壓縮機組，因此壓縮機組的工作狀態對隔離氣的氣質潔凈度及濾芯性能影響很小，出于安全考慮，本次試驗選擇在機組停機期間進行。

OPC—Optical particle counter

1.3 性能表征及分析方法

實驗過程中記錄的壓降曲線稱為過程壓降曲線，當壓降及下游液滴濃度均穩定后，表明濾芯達到穩定狀態，此時的壓降和效率稱為穩態壓降和穩態效率，穩態時的性能是評價氣-液聚結濾芯的重要指標。通常效率較高的濾芯其壓降也較高，本研究中考慮到過濾效率和壓降兩方面因素的過濾性能品質因子(FQ)對濾芯綜合性能進行評價。過濾效率(η)和品質因子的計算如式(1)和式(2)所示。

(1)

(2)

式中：Pe為穿透率，%；Cin和Cout分別為上、下游液滴計數濃度，Particle/cm3；Δp為濾芯的壓降，kPa。分析過濾效率通常使用累計過濾效率(ηc)和分級過濾效率(ηf)，累計過濾效率表示直徑大于等于d的液滴的過濾效率，其計算式如式(3)所示；分級過濾效率表示直徑等于d的液滴的過濾效率，其計算如式(4)所示，d為每個測量區間液滴的平均粒徑(直徑)，μm。

(3)

(4)

式中：Cin，≥d和Cout，≥d分別為上、下游粒徑大于等于d的液滴的計數濃度，Particle/cm3；Cin，d和Cout，d分別為上、下游粒徑等于d的液滴的計數濃度，Particle/cm3。

2 結果與討論

2.1 實驗室實驗結果

2.1.1 燒結氈孔徑對濾芯過濾性能的影響

為分析燒結氈孔徑對金屬濾芯過濾性能的影響，分別對濾芯A1、A2、A3進行實驗，實驗主管路流量為100 L/min。圖4為3種濾芯在過濾過程中的壓降和穿透率曲線。由圖4可以看出，孔徑越大的濾芯達到穩態的時間越長，分析認為，濾芯孔徑越大，過濾精度越低，在過濾初期攔截的液滴越少，液體在濾芯內部運移和聚結至達到濾材飽和的時間越長，使濾芯達到穩態階段的時間延長。3種濾芯的穿透率均先增加后降低，最后穩定。在穩態階段的初期，穿透率會略微上升，這是由于液膜此時在濾材背風側外表面形成，引起二次夾帶現象。金屬濾芯在穩態階段的穿透率明顯低于通道階段，金屬濾芯的過濾精度相對較低，液膜的形成會增加液滴慣性捕集作用，被液膜捕集的上游液滴數量遠大于二次夾帶所增加的下游液滴數量，導致穿透率在液膜形成后降低。

圖4 3種濾芯在過濾過程中壓降(Δp)及穿透率(Pe)的變化

圖5為3種濾芯的穩態過濾效率對比。濾芯A1和A2的孔徑較小，對于粒徑在0.3～1 μm范圍的亞微米級液滴有很高的過濾效率，該粒徑范圍的液滴主要以攔截的方式被燒結氈捕獲，當液滴跟隨氣流流線運動剛好與纖維表面接觸時，液滴的動量會降低，被纖維攔截而沉積在纖維表面，孔徑較小的濾材意味著單位面積上有更多的纖維，使液滴與纖維表面接觸的概率增加，從而增強了液滴的攔截效應；對于粒徑在1 μm以上的液滴，孔徑較大的濾芯A3效率更高，分析認為，較小的孔徑，其孔隙更大，氣流剪切力更大，氣流將液膜吹起形成氣泡，氣泡逐漸增大而后發生破裂，破裂的液膜在液體表面張力的作用下形成液滴，隨后進入下游，造成二次夾帶現象[5]。

圖5 3種濾芯的穩態過濾效率(η)

總體而言，對于亞微米級液滴，孔徑小的金屬燒結氈濾芯具有更好的過濾效率；對于微米級液滴，孔徑大的金屬燒結氈濾芯過濾效果更好；對于二次夾帶現象，孔徑越小的燒結氈二次夾帶現象越嚴重。在實驗中，對濾芯C的過濾性能也進行了測試，其穩態壓降為19.8 kPa，穩態效率為99.34%，過濾性能與濾芯A1相近，故選擇濾芯A1作為后續現場的試驗濾芯。

2.1.2 燒結氈排布對濾芯過濾性能的影響

為探究不同孔徑燒結氈排布方式對于過濾性能的影響，對濾芯B1和B2進行實驗，實驗主管路流量為100 L/min。圖6為濾芯B1和B2的壓降和穿透率變化曲線。由圖6中壓降曲線可以看出，2種濾芯在過濾過程中的壓降都經歷了2次跳躍，這是因為金屬濾芯2層聚結層被保護網隔開，且液膜厚度都是微米級[23]，聚結層的間隔距離超過了液膜的厚度，使第一層聚結層形成了液膜，從而引起了壓降的二次跳躍。從圖6中穿透率曲線可以看出，由于濾芯B2的第二層聚結層過濾精度較低，達到穩態前，濾芯B2穿透率高于濾芯B1；濾芯達到穩態后，形成了穩定的液膜，由于第一層聚結層過濾精度最高，未被過濾的小液滴在第二層聚結層也難以捕獲，與第二層液膜二次夾帶產生的液滴一起進入下游，導致下游液滴數量升高，穿透率隨之上升。

圖6 濾芯B1和B2在過濾過程中壓降(Δp)及穿透率(Pe)的變化

圖7為濾芯B1和B2的穩態過濾效率曲線。由圖7可以看出，2種濾芯第一層聚結層過濾精度相同，對于粒徑在0.3～5 μm范圍液滴的過濾效率相近；對于粒徑在5 μm以上的大液滴，2種濾芯均出現二次夾帶現象，其中，第二層聚結層孔徑較小的濾芯B1二次夾帶現象更嚴重，這是氣流在濾芯B1第二層聚結層的孔隙速度更大造成的。結合圖5的結果分析，燒結氈孔徑遞增排布濾芯的過濾效率在大液滴處明顯高于單一孔徑燒結氈濾芯，是因為第二層較大孔徑的聚結層對氣體在孔隙間的流動進行了減速，使氣流的剪切力減小，降低了對第二層液膜的破壞效果，從而減少了二次夾帶現象，提升了大直徑液滴的過濾效率。

圖7 濾芯B1和B2的穩態過濾效率(η)

2.1.3 過濾氣速對濾芯過濾性能的影響

通過使用不同的實驗主管路流量(50、100、150 L/min)對濾芯的過濾氣速(實驗主管路流量與濾芯過濾面積的比值，m/s)進行改變，研究不同過濾氣速對于燒結金屬濾芯過濾性能的影響，實驗濾芯為A1和B2。圖8為濾芯A1在不同實驗主管路流量下的過程壓降及累計過濾效率曲線。由圖8可見，實驗主管路流量增加，濾芯的過濾氣速升高，穩態壓降升高，二次夾帶現象減少，大直徑液滴的過濾效率升高。分析認為，氣速提升使燒結氈更多的孔隙被氣體填充，減少了液膜的面積，從而降低了因液膜破裂造成的二次夾帶現象。圖9為濾芯B2在不同實驗主管路流量下的過程壓降及累計過濾效率曲線。由圖9可見，濾芯B2的穩態壓降隨著過濾氣速的升高而增加，大直徑液滴的過濾效率隨之降低。分析認為，第一層液膜的形成對氣流進行了減速，減小了氣流的剪切力，從而減少了第二層液膜的破裂，在實驗主管路流量50 L/min下的氣流剪切力不足以破壞濾芯背風側的液膜，此時未發生二次夾帶現象。因此，高氣速工況時單層濾芯效果更好，低氣速工況時，孔徑遞增的雙層濾芯效果更好。

圖8 濾芯A1在不同實驗流量下的過程壓降(Δp)和累積過濾效率(ηc)曲線

圖9 濾芯B2在不同實驗流量下的過程壓降(Δp)和累積過濾效率(ηc)曲線

2.2 壓氣站現場試驗結果

為探究燒結金屬濾芯在現場高壓工況下的實際應用性能，在長輸天然氣管道某壓氣站內搭建了隔離氣濾芯測試裝置，選擇與濾芯C實驗室測試結果相近的濾芯A1進行現場試驗。圖10為壓氣站現場隔離氣中液滴直徑分布。由于現場空壓機出口處設置了過濾裝置，因此隔離氣濾芯上游的雜質主要是0.2～0.6 μm范圍內的亞微米級液滴。

圖10 壓氣站現場實際工況下隔離氣液滴平均粒徑(直徑)(d)分布

圖11為壓氣站現場實際工況下濾芯A1和濾芯C的過程壓降曲線。濾芯A1和濾芯C達到穩態分別需要10 d和4 d。由于現場濾芯的壓降達到特定值時將進行更換，因此濾芯A1具有更長的使用壽命，同時濾芯A1的穩態壓降比濾芯C低7 kPa。由于較高的壓力使氣體密度和濾芯內部液體持液量增加，增大了氣流的阻力，使2種濾芯的穩態壓降都要比常壓測試結果高10～13 kPa。

圖11 壓氣站現場實際工況下濾芯的過程壓降(Δp)曲線

圖12為壓氣站現場實際工況下濾芯A1和濾芯C的累積過濾效率曲線。可見，濾芯A1的過濾效率變化規律與實驗室測試結果相近，但是穩態時在粒徑0.8～1.3 μm處的過濾效率出現了下降；相比實驗室的實驗結果，發生二次夾帶現象的液滴粒徑明顯減小，直徑大于1.5 μm的液滴被完全捕獲。分析認為，隔離氣壓力較高，氣流的剪切力更大，導致濾芯出氣側液膜面積更小，此時，造成二次夾帶的主要原因是過濾氣速高，使一部分已經從氣相中分離的大液滴再次被氣流帶入下游，現場工況下的液滴較小，二次夾帶的粒徑也偏小。粒徑在0.2～0.6 μm濾芯C的液滴過濾效率維持在95%左右，稍高于濾芯A1；濾芯A1和濾芯C發生二次夾帶的液滴直徑范圍基本一致，且濾芯C的二次夾帶更嚴重，在液滴直徑范圍0.6～1.6 μm的過濾效率比濾芯A1低10百分點左右，濾芯A1對隔離氣的氣質潔凈度有很大的提升。

圖12 壓氣站現場實際工況下的累積過濾效率(ηc)曲線

總體而言，與常壓實驗相比，濾芯A1和濾芯C在壓氣站現場的穩態壓降升高了10～13 kPa；累計過濾效率下降了5百分點左右，二次夾帶現象發生的液滴直徑范圍從5～10 μm減小到0.6～2 μm。綜合品質因子結果分析，在現場實際工況下，濾芯A1和濾芯C的品質因子分別為0.110和0.092 kPa-1，濾芯A1比濾芯C高0.018 kPa-1，且二次夾帶更少，具有更好的過濾性能。

3 結 論

(1)對不同燒結氈孔徑、不同孔徑燒結氈排布的濾芯過濾性能變化特性進行了實驗研究，分析了濾芯聚結層孔徑及排布對過濾性能的影響。對于單層燒結金屬纖維濾芯，孔徑越小對亞微米級液滴的過濾效果越好，但是二次夾帶現象越嚴重；對于孔徑遞增的雙層燒結金屬纖維濾芯，第一層聚結層孔徑相同的濾芯對于亞微米級液滴的捕獲效果基本相同，第二層聚結層孔徑較大的濾芯二次夾帶現象減少。

(2)對不同實驗主管路流量下的濾芯過濾性能進行了實驗研究，分析了不同過濾氣速對濾芯性能的影響。對于單層燒結金屬濾芯，氣速越高，穩態壓降越大，大直徑液滴的過濾效率越高；對于雙層燒結金屬濾芯，氣速越高，穩態壓降越大，大直徑液滴的過濾效率越低。單層濾芯適用于高氣速的工況，孔徑遞增的雙層濾芯適用于低氣速的工況。

(3)對壓氣站現場實際工況(絕對壓力0.75 MPa)下的隔離氣濾芯性能進行對比試驗。濾芯A1的品質因子比濾芯C高0.018 kPa-1，且二次夾帶更少，對于隔離氣的氣質潔凈度有很大的提升，為隔離氣凈化系統的優化提供了可靠的設計方案。

(4)綜合實驗室實驗與壓氣站現場試驗結果分析，高壓工況(絕對壓力0.75 MPa)對濾芯的性能有一定的影響，相比于實驗室實驗(常壓工況)，累積過濾效率下降5百分點左右，穩態壓降升高10～13 kPa。