摘要：在煤层气集输过程中，需在集气站设置组合式过滤装置，以便对粉煤灰颗粒进行过滤，因此需对过滤装置常用几种滤芯的过滤精度和效率进行评价，以优化滤芯的使用方式。文章介绍了对聚酯纤维滤芯、复合膜滤芯、高镍滤芯进行现场及试验室试验的结果，得到了三类滤芯在现场使用中的过滤效率、压降数据以及三类滤芯未使用时的试验室初始压降数据，对比分析了滤芯的过滤效率，并提出了滤芯现场使用的一些建议。
关键词：煤层气；集输；粉煤灰；滤芯；过滤效率；评价
0 引言
在煤层气集输过程中，由于原料气常含有较多颗粒微小的粉煤灰，这给压缩机、阀门、仪表等现场仪器、设备造成许多不利影响，因此在集气站设置了专门针对粉煤灰的组合式过滤装置。决定组合式过滤装置过滤效果的核心零件是滤芯，目前采用的滤芯主要有聚酯纤维滤芯和复合膜滤芯，它们的应用效果都较好。但实际工程中，在过滤分离装置后的管道中仍然发现有大粒径的煤粉，为了评价专门针对粉煤灰的组合式过滤装置的过滤效果，开展了滤芯性能测试试验，对几种常用滤芯的过滤精度和效率进行试验验证，以便对滤芯的使用方式进行优化，这对保证集气站各设备的正常运行有重要意义。
1 滤芯特点及试验原理
1.1 滤芯特点
此次试验的三种滤芯分别是：老式聚酯纤维滤芯、复合膜滤芯、高镍滤芯。其中老式聚酯纤维和复合膜滤芯都是非金属滤芯，高镍滤芯属于金属滤芯，其表面进行了镀镍处理。其中非金属滤芯成本较低，过滤效果较理想，一直以来在各大行业都得到了广泛的应用；金属滤芯表面镀镍可以有效防腐，而煤层气除了含有大量煤粉灰、水蒸气之外还常含有腐蚀性气体，且过滤孔径固定，所以高镍滤芯也是不错的选择。
1.2 试验装置及原理现场测试主要采用自行研制的气溶胶在线颗粒粒径谱仪，该类型仪器采用光散射原理实现对颗粒物浓度与粒径分布的测量，欧洲各国过滤介质与分离设备性能的检测广泛应用该原理。该仪器能够实现在线数据采集与分析，可设定采样次数、采样时间、采样间隔、采样体积单元大小以及样品密度等参数，可进行单独的测定试验，也可以进行连续的试验。在测定完成后，可对试验数据进行分析，得出质量分数、体积分数、分级效率以及相对数量、体积、质量的中位粒径等数据。
1.3 试验方法
在线监测的流程见图1。现场测试时将气溶胶在线颗粒粒径谱仪分别连接至粉尘过滤器进出口压力表放空口处，试验室检测时则将其连接至伸入取样管道中的采样嘴，以保证等速取样，确保取到具有代表性的颗粒物样品。
图1 粉尘在线检测流程示意
具体在线检测操作是从压力表口引入待测气体，缓慢开启球阀1、2，将质量流量设置为在线检测仪器所需状态，启动气溶胶粒径谱仪进行连续采样。
1.4 检测指标
测试滤芯的性能一般包括滤芯的压降、滤前滤后的粒径变化、以及过滤效率等指标。在现场实际中常用某个粒径的颗粒累积效率来衡量滤芯的过滤能力，即是指过滤器对大于等于该粒径的所有颗粒的过滤效率，其计算公式为：
式中η——累积过滤效率；
∑dFe（x）、∑dFf（x）——进口、出口处大于等于该相应粒径x的体积分布的累积值；
Ce、Cf——进口、出口处相应粒径的体积分数。
2 现场试验
取樊9站内使用的老式聚酯纤维滤芯、高镍滤芯、复合膜滤芯的过滤器同时进行测试。现场测试选取站内2号和3号两组粉尘过滤装置的4台过滤分离器进行测试。在进出口管道压力表放空口处分别安装在线测试仪器，测试这4个过滤器的滤前、滤后固体粉尘含量（浓度和粒径）。上述试验中每天的测试时间均为6 h，一共测试5 d。现场工况是输气量约22 300 Nm3/h，温度约10.3℃，压力约0.05 MPa，滤芯表观气速约0.35 m/s。
现场过滤器压降数据见表1，从表1中可以看出，输气量降低以后，各过滤器的压降明显低于第3天所测得的值。而在不改变输气量的情况下，过滤器压降是随着运行时间的延长而逐渐上升的。
表1 现场过滤器压降数据/kPa
注：在第4天和第5天，输气量降为17 869 Nm3/h（工况流量1 997 m3/h）。
现场测试5 d的累积效率数据曲线见图2，从图2可以看出，就过滤器对10 μm以上颗粒的累积过滤效率而言，在现场测试的时间段内，3号过滤装置的2台过滤器的累积过滤效率一直保持在100%，而2号过滤装置的2台过滤器的累积过滤效率均出现过低于100%的情况。
图2 测试5天的过滤器滤芯累积效率曲线
过滤器入口浓度测试表明，过滤器进口的粉尘质量浓度处于较低的水平（在0.23~10.14 mg/m3范围内波动），因此，现场测试的5天内，过滤器的压降增长不明显。
3 试验室试验
在试验室测试时，共用了9根滤芯（未使用过的老式聚酯纤维滤芯、高镍滤芯及复合膜滤芯各1根，使用过的上述三种滤芯各2根）来对新旧滤芯的气固性能进行测定。
根据现场工况及试验室能承受的最大气速，调整试验室的操作参数为：管路气流量为127 m3/h，滤管表观气速0.15 m/s，入口粉尘质量浓度1 g/m3，气体温度5.6℃，相对湿度24.5%，检测用粉尘为800目滑石粉，质量中位粒径为6.5 μm，粒径测量区间0.5～25 μ m。
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试验室试验对新滤芯（未使用过的）进行了初始压降测试，测试结果见图3。
图3 新滤芯初始压降曲线
从图3可以看出，随着流量的增加，高镍滤芯的初始压降最大，复合膜滤芯略小于高镍滤芯，老式聚酯纤维滤芯的初始压降最低。
试验室试验对新滤芯及旧滤芯分别进行了效率测试，其结果如图4、图5所示。
图4 新滤芯效率对比
图5 旧滤芯效率对比
从图4、图5的数据可以看出，老式聚酯纤维滤芯的效率优于复合膜滤芯，高镍滤芯略次之，但它们之间的差别较小。整体来说三种滤芯对3 μm、5μm、10 μm及以上粒径颗粒的累积过滤效率都能达到99.96%以上，都是高过滤效率的滤芯。
4 结论及建议
通过现场与试验室的试验，我们得到如下几点结论：
（1）从现场测定得到的老式聚酯纤维、复合膜、高镍三种滤芯累积过滤效率曲线及数据可以看出，滤芯出口处均有不同程度的大颗粒穿透现象。
（2）通过试验室测试对比了三种新滤芯的初始压降，发现高镍滤芯的初始压降最高，复合膜滤芯次之，老式聚酯纤维滤芯的压降最低。
（3）试验室测定的三种滤芯对于3、5、10 μm粒径颗粒的累积过滤效率都能达到99.96%以上。
（4）根据现场输气量、滤芯尺寸及数量可以计算出现场滤芯的过滤表观气速可达21 m/m in（0.35 m/s），而工业中常用的气固过滤所采用的表观气速一般不超过2.5 m/m in，过高的表观气速会导致压降上升过快，并且也会造成颗粒的穿透。
（5）应充分考虑集气站输气量和滤芯所能承受的最大过滤气速，以确定过滤分离装置滤芯的型号和根数。建议过滤装置的结构采用卧式，过滤方式采用外进内出的方式可减少大颗粒穿透的情况。
（6）滤芯的面积越大，能过滤的粉煤灰越多。在选用滤芯时可考虑采用皱褶结构的滤芯，以提高过滤效果，降低压降上升的速率。
