摘 要：随着天然气的广泛应用，提高天然气的气体品质就显得尤为重要。主要研究天然气气液过滤分离。介绍了天然气生产和管输过程中主要的气液分离设备，其中聚结分离器的分离效率的高低主要取决于过滤元件即聚结滤芯的聚结作用的好坏，并对国内自主生产的滤芯与国外成熟技术研发的滤芯进行比较，对国内外滤芯的性能和效率优缺点进行重点分析研究，以便国内可以自主生产更适合的滤芯。研究表明国产滤芯的压降性能要落后于国外滤芯，而在过滤效率方面则具有优势，所以需要根据实际需求选择合适的滤芯。
关 键 词：天然气净化；气液分离；聚结分离器；滤芯性能测试
从气井井场、集气站或净化厂输出的天然气，可能携带有泥沙、碎石、锈块、气田水、凝析液、净化剂溶剂等固体颗粒物或液体液滴杂质，这些杂质如不及时除掉，会对采气、输气、脱硫和天然气用户带来很大的危害，影响生产的正常运行[1]。其主要危害有以下几方面：天然气中的固体颗粒污染物不仅会增加管道阻力，降低输气管道的气质，还会对金属产生强烈的冲蚀，导致管线破裂，同时影响设备、阀门和仪表的正常运转，使压缩机、燃气轮机的叶片磨损加速、使用寿命缩短。液态水与烃类等组分在温度降低时易凝结，将限制管线中天然气的流动，降低输气量，严重时会形成冰堵。而且液相水与二氧化碳或硫化氢相混合即生成具有腐蚀性的酸，对金属造成腐蚀，会使管壁厚度大面积减薄或产生局部坑蚀，对设备造成腐蚀和开裂[2-4]。因此将天然气中夹带的固体颗粒物和液滴分离出来，提高天然气的气质就显得尤为重要。
目前国内外研究者将研究重点主要在对固体颗粒物的过滤分离研究，但对气液过滤分离的研究较少，大部分仅停留在分离器的结构以及过滤机理。李逵[5]对大型天然气过滤工艺和装置的应用进行了概述提出了一些建议和改进的思路。对于气液分离过滤器的效率和压降问题，还需要做更多的研究。
1 气/液分离设备比较
天然气生产和管输过程中主要的气液分离设备有:旋风分离器、丝网气液分离器、高效聚结过滤分离器。各类过滤分离过滤机理和过滤效率比较如表1。
表1 气液分离设备机理和过滤效率
Table 1 Principle and efficiency of liquid/gas separator
1.1 旋风分离器
旋风分离器是利用气体在分离器内高速旋转而产生离心力将液滴从气流中分离出来，分离出的液滴汇集在设备内表面靠重力排出。主要用于分离掉天然气中大部分大于10μm的颗粒物质。旋风分离器具有结构简单、无运动部件、分离效率较好和阻力低不易堵塞等优点，特别适合于高温、高压和有腐蚀的工况下使用。但是旋风分离器对小于 10μm的液滴过滤效果并不理想，同时过滤效率受气体流量影响显著，当流量较小时，分离效率显著下降[6]。
1.2 丝网气液分离器
丝网气液分离器，也叫除沫网。用细金属丝或其他材料制作成丝网层，通常安装在立式设备的顶部。当含液气体通过除沫网时，滤层丝网网格阻碍气流前进，使气流在绕过丝网时不断的改变运动速度和运动方向，而液滴则由于惯性冲击、拦截、布朗扩散、静电吸附等作用被拦截到纤维或除沫网表面，同其他液滴聚结成大液滴，最后由于重力作用集留于容器底部。丝网气液分离器的优点是可以有效分离大于5μm的液滴，拦截液滴的表面积也比挡板式分离器更大，而且对于含液量较高的气体过滤分离效果好，精度较高且设备成本低。主要缺点也过滤效率是受气体流量影响，当流量减小时，分离效率会下降，当流量过大时，则由于被捕集的液滴又被湍流的气流夹带返回到二相混合流中[7]。
1.3 气液聚结分离器
气液聚结分离器通常为立式结构，分为上下两部分。气体先从进气口进入下部的一级旋风分离，经过沉降分离作用过滤出气体中夹带的大于300μ m的大液滴，然后向上通过管板进到上部二级聚结区。气体从聚结滤芯内部流向外部后从顶部的出气口排出。聚结滤芯为多层结构，最里层为不锈钢内骨架支撑层，中间层是多褶的玻璃纤维聚结层，聚结层的是由滤孔直径逐渐变大的多层玻璃纤维组成。外部是排液层，最外部通常还有外骨架，以满足聚结滤芯强度上的要求。
气液聚结滤芯具有更高的去除液滴效率。0.3 μm液滴累积效率99.8%以上；1μm液滴累积效率99.99%。直接拦截和惯性碰撞拦截不同，是利用微孔拦截气流中的液滴。所以聚结过滤分离器在气体流量减小时，分离效率会升高，而且其过滤精度高、分离效果最好、设备成本也较低，占地面积小，是去除天然气中夹带液滴的较好选择，在西二线中应用较为普遍。
气液聚结分离器的气液分离效率的高低主要取决于过滤元件即聚结滤芯的聚结作用的好坏。进口滤芯生产工艺较为先进，所以分离精度和效率都较高，但是价格成本相应较高。所以为了解决输送管线运行成本高的问题，各大天然气运输管线上都尝试采用了国内研发生产的滤芯。因此对国产滤芯和进口滤芯的性能检测及对比就显得尤为重要。影响滤芯性能的参数有很多，其中最重要的便是效率和阻力。效率关系到能否满足使用要求，阻力则关系到设备配备的费用，高效率和低压降是滤芯追求的目标。笔者选择两支国内某厂家生产的天然气滤芯与国外厂家生产的天然气滤芯分别进行对比实验，重点研究了国产滤芯和国外滤芯在初始压降、气液过滤过程压降和气液过滤稳态过滤效率方面的不同及优缺点。
2 气液分离滤芯性能测试实验装置和方法
2.1 实验装置
实验装置由测试用分离器（内装测试滤芯）、风道系统、液滴发生器、液滴取样与检测装置组成如1所示。
用液滴发生器发生满足测试要求的液滴。用清洁的压缩空气将液滴喷射入滤芯检测系统的上游，并保证液滴到达滤芯检测系统上游的取样口前分布均匀。使用采样装置对被测滤芯上游、下游的液滴分别取样，再利用光学粒子计数器测量液滴的浓度和粒径分布，进而计算出被测滤芯的过滤效率。测量上游液滴浓度时，大多数情况下采样空气必须经过稀释，稀释是为了降低上游浓度过高造成光学粒子技术的重合误差，采样空气的稀释可通过稀释器实现。
风道系统采用离心式风机实现吸风负压操作，整个风道系统要求严密。风道的内壁应平整光滑，无锈蚀。采样管道内的风速应不小于2 m/s。液滴发生装置发生的介质为癸二酸二辛脂(DOS),这种介质在室温下基本不会发，保证测试的准确性。风速及风量的测量通过标准皮托管和微型压差计结合来确定，采用U型压力计测量滤芯内外压差，精度为10 Pa[8]。
2.2 实验结果与分析
实验中B12、B24分别为两支国产天然气聚结滤芯，外径为114 mm，有效过滤长度为890 mm。检测使用液体为癸二酸二辛脂（DOS），雾化液滴加液量为3.2 L/h,风机抽风量为86.5 m3/h,环境温度12℃，湿度45%RH，压力为大气压力。
图2是三支天然气聚结滤芯B12、B24和Perry的初始压降与表观气速的对应关系。由图中可以看出，表观气速在0.06～0.16 m/s的范围，三支滤芯的压降与表观气速呈线性关系。B24的初始压降最低，B12的最高，进口滤芯 Perry介于两者之间，说明B12滤芯比较厚，孔隙率较小，滤芯压差较大。
图1 气液分离性能测试装置图
Fig.1 The gas-liquid separation performance testing device
1-空气过滤器；2-温度计；3-湿度计；4-斜管微压计；5-皮托管；6-风道系统；7-上游采样装置；8-液滴发生装置；9-U型压力计; 10-稀释器；11-传感器；12-计数器；13-被测试滤芯；14-分离器；15-下游采样装置；16-分量控制阀门；17-离心风机
在天然气聚结滤芯气液分离过程中，随着过滤聚结过程的发生，滤芯的压降会不断增加。图3是B12、B24、Perry三支滤芯的过滤过程压降与测试时间的对应关系。由图可知，三支滤芯的压降最终都达到了稳定状态。
图2 滤芯初始压降
Fig.2 Initial pressure drop of filter candle
国产滤芯B12、B24的压降变化过程基本相似，大致变化可以划分为四个阶段，初始阶段、碰撞聚结阶段、稳态聚结阶段。初始阶段，滤芯的压降变化较小，主要是由于小液滴在聚结层表面被拦截并附着在纤维表面，少量的液滴没有造成滤芯孔隙率的明显改变，对气流的阻碍作用较小，所以压降变化较平缓。随着过滤聚结作用的发生，达到碰撞聚结阶段。
图3 滤芯过滤过程压降
Fig.3 Pressure drop of filtration of filter candle
从图中可以看出压降在碰撞聚结阶段有一个较为显著的上升过程，这主要是由于，随着气液两相流的向前流动，小液滴被带到纤维的深层，并且在纤维表面不断发生碰撞并聚结成大液滴，使纤维上附着的液滴不断增多、增大，导致纤维直径增大，滤芯的空隙率不断变小，因此压降急速上升。随着过滤聚结过程的不断发生，过滤达到稳定聚结阶段，此时有液体从滤芯中排出，滤芯所捕集的液滴量与从滤芯中排出的液体量达到一个相对稳定的阶段，滤芯内部的持液量为定值，此时滤芯的压降也随时间基本保持不变。而国外Perry滤芯的压降变化较为平缓，不存在明显的压降上升阶段。由图可以看出国产滤芯B12、B24的排液效果不佳，液体堵塞孔隙现象较严重，造成滤芯阻力较高，所以滤芯压降上升较快，稳态压降较初始压降相比明显增加。而进口Perry滤芯孔隙率较大，排液效果较好，液体在滤芯内部并没有明显堵塞孔隙，压降的变化也比较平缓，并不存在明显的压降上升阶段，而且总体压降增加幅度较小，稳态压降较初始压降相比并无明显增加。
图4是B12、B24、Perry三支滤芯的累积效率与粒径间的关系。
图4 滤芯累积效率
Fig.4 Cumulative efficiency of filter candle
由图4可知，B12、B24的累积效率基本一样，对2μm以上液滴，累积效率可以达到99.999%以上，而且对于0.3～2μm区间内的较小粒径的液滴，聚结分离效率比较理想，累积效率也达到了99.5%以上。而进口滤芯Perry虽然对2μm以上液滴，累积效率也达到99.999%也上，但是对于较小微粒的液滴，过滤效果并不理想，对于3μm的液滴累积效率只达到了70%。
3 结论与建议
本文介绍了各类天然气气液分离设备的机理和过滤效率，不同的方法设备具有不用的优缺点，其中气液聚结分离器具有过滤精度高，分级效率高，可靠性高等特点。测试了国内外生产的天然气聚结滤芯的除液性能，并对三支滤芯的压降与效率做出了综合评价，得出以下结论：
（1）国产滤芯B12、B24开始过滤时压降增长缓慢；伴随聚结分离的进行，纤维表面附着的液滴导致孔隙率减小，压降急剧上升；最后液滴聚结排出，达到液体进入与排出的平衡，压降也稳定不变。进入稳态过滤阶段以后，滤芯压降和过滤器出口浓度都比较稳定。而 Perry的滤芯压降在整个过程都是缓慢上升，一直到平稳。
（2）过滤表观气速越大，滤芯的压降也越大，两者呈线性关系。
（3）国产滤芯B12、B24对于2μm以下的较小液滴效果较好聚结分离效果，累积效率相比于Perry等国外滤芯高有明显的优势。
综上所述，以上三支滤芯，按压降性能来说Perry滤芯起始压降较低，聚结过程中压降上升较缓慢，整体压降性能最佳，B24次之，B12最差。按过滤效率来说，B24滤芯最佳，对于各粒径的累积效率都较高。B12次之，Perry滤芯最差。因此在实际选用中应该根据需要来综合考虑。
