天然气预处理设备固体废弃物科学处置方法

上海飞奥燃气设备有限公司 施汉龙 王羽中 童国芳 陆雅娣

燃气输配系统一般由长输管线、城市管线、城市门站、高中压调压站、储配站以及运行操作管理和控制设施等组成。城市门站和高中压调压站是燃气输配系统中的重要设备，是集燃气清洁过滤、调压、计量、加臭、燃气泄漏报警及数据采集监控等功能于一体的高度集成化系统，必须具有极高的完整性和可靠性。

气体预处理设备(旋风分离器、过滤器等)是燃气城市门站及高中压调压站对燃气进行预处理的设备，其通过有效去除燃气中所含的固体及液体杂质(即废弃物)，以对下游的调压器、流量计等精密设备起到保护作用，并相应延长使用寿命。随着城市的不断扩大及对环境保护意识的增强，废弃物中因含有一定量有毒、有腐蚀性的四氢噻酚臭剂，所以如何科学、安全、有效地收集、清理和处置这类固体废弃物，是燃气公司直接面对的难题。

1 常用固体废弃物收集方法及缺点

集中在气体预处理设备集污腔的固体颗粒或液态颗粒，即废弃物，需要通过合适的方法来清理、收集和合理处置。目前比较常用的固体废弃物收集方法及缺点如下：

(1) 通过调压装置的集中排污管道，排至集污池。该方法的缺点是有燃气排放，浪费能源，污染环境；废弃物需二次收集处理；操作人员安全性差。

(2) 通过调压装置的集污罐进行收集。该方法的缺点是需要通过排污泵及金属软管，定期将废弃物收集至特种专用车辆，后续再行处理，工艺系统复杂；需要特种车辆；操作人员安全性差。

(3) 通过旋风分离器或集污罐的人孔、清灰口进行人工收集清理或排放大气。该方法的缺点是有燃气排放，浪费能源，污染环境；操作人员安全性差。

2 固体废弃物科学处置的原理

比较上述几种固体废弃物的收集方法，发现每种方法都存在一定的问题。为了解决固体废弃物收集处理的难题，需要通过理论研究、原理论证以及实际应用，以期达到预想的效果。

固体废弃物科学处置系统是通过可移动服务车，将回收装置运送至现场同调压站气体预处理设备的排污口对接后，利用燃气自身的压力能，对气体预处理设备中的固体废弃物进行科学、环保、经济回收，同时燃气通过回收装置后再次回到调压站的出口管内，从而实现无燃气排放的一种科学处置系统，其中固体废弃物集中交由专业公司进行后续处理。固体废弃物科学处置系统的工作原理，如图1所示。

图1 废弃物科学处置系统原理

固体废弃物科学处置系统中，回收装置的进口和调压站预处理设备排污口相连接，接受含有大量固体颗粒的燃气，经图1中的收集装置进行收集，然后经精过滤器和调压器对天然气进行过滤和调压，再进入涡轮流量计，计量后通过连接管道，回到调压站的出口总管。

2.1 理论研究

输气管道中气体的含尘量一般为1～23 mg/m3，除尘不好的可达7～103 mg/m3。粉尘中以氧化铁最多，占90%以上。前苏联国家标准对天然气的含尘量规定为：生活用气1 mg/m3，工业用气4～6 mg/m3。通常采用所能达到的最低流速输气，减少气流冲击腐蚀和携尘能力。

为了减少粉尘、防止仪表和调压阀的指挥机构等因为堵塞而失灵，基于伯努利方程中气体势能、动能和压强能之和为常数考虑，中压管道含尘粒径一般要求小于50 μm，次高压管道含尘粒径一般要求小于10 μm。

采用旋风分离器进行一级固气分离，当含尘气体从侧面的矩形进气管切向进入器内，然后在圆筒内做自下而上的圆周运动。颗粒在随气流旋转过程中被抛向器壁，沿器壁落下，自锥底排出。

采用深层过滤进行二级精过滤以满足下游用气的要求，颗粒进入滤芯介质内部，依靠深部流道尺寸小于颗粒尺寸来截流颗粒，其容尘量大。

应主要根据流速确认固体废弃物科学处置系统的管道尺寸，经验表明流体的冲蚀/腐蚀会造成管道壁厚的损失。由于流速、氧化铁、沙子和妨碍流体流动的管件如弯头而加速冲蚀的过程。可能发生的冲蚀速度可以通过经验公式确定：流体的冲蚀速度υ=C/(ρ1/2)(C为经验常数，回收系统存在固体产物一般不高于122；ρ为工况下的密度)。

现有的固体废弃物科学处置系统除了可以作为排污系统的回收外，也可以通过配置快速接头与放空管进行迅速连接，对场站日常维修和流量计定期标定时管道放空的余气回收，也可以通过配置小型引射器来实现将管道中的剩余天然气随主管道气流引射而出。也可以采用在线吹扫工艺对原有主管路的旋风分离、过滤分离设备的内件进行反向吹扫清理，降低人力，物力成本及保证主场站的持续供气能力，是可以广泛推广应用的一套工艺系统。

以下是以某市城镇燃气公司天然气高中压站为例进行的选型计算：

(1) 天然气调压站参数依据城镇燃气常用规格：Q=40 000 m3/h，p1=0.7 MPa，p2=0.33 MPa。

(2) 收集装置核心部件是旋风分离器，为了减少装置总体尺寸，其内部采用1个旋风管。根据选型要求，单个旋风管工况流量正常在70 m3/h，换算成标况流量为560 m3/h。

(3) 本回收装置和调压站之间类似气体掺混系统。当回收装置的出口压力大于调压站的出口压力达到5 kPa时，回收装置调压后的燃气就能进入到调压站出口管道。而且随着压力差越大，其质量流量和引射系数都呈增大趋势[1]。但压力差过大，会造成调压站出口总管内压力不稳定，易使超压紧急切断阀误动作，因此，压力差必须在一个合理的范围内。

(4) 根据进入管道内气体流动的基本方程和其他气体动力学关系式，应用自行开发的计算软件，模拟实际不同的工况条件(调压站出口压力 0.1 ～0.4 MPa)，得到不同的最佳压力差值，从而使得装置的收集状态为最佳。

2.2 参数的确定

结合城镇燃气高中压调压站不同工况条件，固体废弃物科学处置系统中实际配套流量按 500～700 m3/h设计计算；出口压力为调压站出口压力的1.05～1.15倍。

2.3 组成部件功能

固体废弃物科学处置系统中各部件的主要功能如下。

(1) 收集装置：分离并收集固体颗粒杂质。

(2) 粉尘浓度检测仪：检测、显示、远传(可选)收集装置前后的粉尘浓度，通过前后浓度差，直观显示出收集的效果。

(3) 过滤器：精过滤燃气，保证进入下游的燃气洁净。

(4) 调压器：调压至所需压力，满足进入下游调压站出口管道所需压力。

(5) 调压前后压力表:直观显示现场调压前后的压力，保证调压后压力满足要求。

(6) 流量计：可直观显示装置的顺时流量工况流量、标况流量。

(7) 装置前后阀门：可根据现场使用要求，开启或关闭装置。

3 废弃物科学处置的效果

3.1 直接排放和通过回收装置处置对比

对比直接排放和通过回收装置处置这二种处置方法的结果可以看出：直接排放，粉尘很大，对环境污染严重；通过回收装置后排放，粉尘几乎没有。

3.2 收集装置前后粉尘浓度检测仪数值对比

收集装置前的粉尘含量为1 071 mg/m3，收集装置后的粉尘含量为5.17 mg/m3。数值的巨大差别显示出回收装置的收集处置能力非常强。

3.3 收集装置收集到的废弃物实物

在某市一个燃气公司的一台高中压调压站中使用该固体废弃物科学处置系统，通过该装置收集20次后，共计收集到废弃物182 kg，说明回收装置完全达到科学、环保、经济回收的要求，大大改善了燃气的供气质量。

4 固体废弃物科学处置的效益分析

4.1 社会效益

固体废弃物科学处置的社会效益表现在以下几个方面：

(1) 生产效率：可随时在不停止输送燃气的情况下进行废弃物处置，使燃气生产效率提升。

(2) 燃气品质：回收利用的燃气气质洁净，不会对后续调压设备、用气设备有影响，保证燃气品质。

(3) 劳动强度：只需要操作人员观察粉尘浓度计的数值变化，处置后的粉尘浓度增加较大时才需人工进行收集、清理、更换收纳袋。大大降低操作人员的劳动强度，同时安全性也得到大幅提高。

(4) 环境保护：处置中无粉尘等废弃物排出，除保证操作人员的安全外，还使周边环境得到保护。

4.2 经济效益

以一套流量为Q=40 000 m3/h的高中压调压站为例，固体废弃物科学处置的经济效益表现在以下几个方面：

(1) 减少过滤器滤芯、调压器配件的更换频率，延长使用寿命，每年可节约费用4万元。

(2) 减少燃气的浪费，以每年处置4次，每次4 h计算，可减少燃气损失3万元以上。

(3) 减少操作的频率，由每2周1次减为每季度1次，大大提高技术工人的生产效率。

(4) 减少调压站辅助功能集污池、集污罐等设备及占地，可有效地降低不必要的费用。

5 结语

通过上述的问题分析、科学收集原理研究、装置设计和现场实际收集验证，固体废弃物科学处置装置达到科学、安全、有效地收集、清理、处置燃气系统废弃物的作用，是燃气输配系统收集固体废弃物的合理、经济、可行有效的科学处置方法，这种方法填补了国内燃气行业废弃物处置的空白，可广泛地推广至各燃气公司，实现安全、环保地使用天然气。