煤层气旋风分离器的脱水性能实验研究

梁建国，李小亮

(1.山西华阳新材料科技集团有限公司 煤层气开发利用分公司，山西 阳泉 045000；2.煤炭科学技术研究院有限公司 煤化工分院，北京 100013;3.煤基节能环保炭材料北京市重点实验室，北京 100013；4.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013)

0 引 言

在如今传统能源过度开采、石油资源储藏总量不断下降的情况下，对天然气能源的利用突显重要[1]。天然气中通常含有饱和水、天然气凝液(NGL)等组分，若在油气田采用管道输送天然气，则需除去其中所携带的固体杂质和游离液体，还须去除在输送条件下会凝结成液体的气相水和天然气液烃组分[2-3]。天然气中的气相水是在合适的温度、压力、气体饱和度、水盐度、pH值等条件下由水和天然气组成的类冰的、非化学计量的化合物，该物质的形成与沉淀给输气管道、气井和一些工厂设备带来负面影响[4-5]。

煤层气是与煤炭共伴生的1种非常规天然气[6-10]，主要以民用为主，其民用量占总利用量的70%以上[11-12]。煤层气在输送、利用中含有的水包括液态水和气态水，可根据下游用户对于水含量的要求来选择不同的脱水技术，从而实现脱水净化的目的[13-16]。传统的分子筛脱水流程存在投资大、流程切换复杂、分子筛粉化严重等问题，且很多现场的分子筛装置存在干燥后天然气携带粉尘时对下流工艺造成减产、设备运行不当等后果[17-20]。旋风过滤装置广泛应用于气液分离，将旋风过滤器的基本原理与旋风分离和过滤分离的原理结合后对传统旋流器进行开发，创造性地将2种分离方法的特点相结合从而提高了煤层气的脱水效果[21-22]。

针对自制旋风分离器的脱水性能，通过开展气体流量为百方级和千方级 2 种级别的煤层气旋风分离器脱水性能实验，以验证气体流量、气体压力对自制旋风分离器的脱水效率和脱水后气体压降的影响，进而探讨旋风分离器的工业应用前景。

1 实验简述

分别加工处理能力为200 Nm3/h(百方级)和2 000 Nm3/h(千方级)的旋风分离脱水装置，并通过脱水性能实验分别验证百方级和千方级旋风脱水装置的脱水效率和压降。实验过程中使用AD780便携式精密露点仪对气体的含水量进行在线监测。实验条件下AD780便携式精密露点仪的检测精度为±1 ℃。实验中气体压力通过减压阀进行调节。

百方级实验采用高纯氮气钢瓶气、高纯氧气钢瓶气、高纯甲烷钢瓶气混配获得原料气，其组成为CH4、O2、N2，占比分别为30%、14.7%、55.3%，通过水浴装置调整气体中的含水量。气体流量为百方级的实验装置流程示意如图1所示。

图1 百方级实验装置流程示意Fig.1 Flow diagram of hundred square experimental device

通过钢瓶气混配得到的原料气，通过减压阀减压至所需压力，经过流量调节阀调整，再由质量流量计检测流量后通过水浴装置；通过水浴装置加湿后进入旋风分离器进行脱水，旋风分离器进气和出气口设置露点仪检测气体露点。

千方级实验采用煤矿井下抽采煤层气进行模拟实验，通过喷雾装置增加空气的含水量。实验所用煤矿抽采煤层气的CH4、O2、N2组成分别为30%、14.7%、55.3%。

气体流量为千方级的实验装置流程示意如图2所示。

图2 千方级实验装置流程示意Fig.2 Flow diagram of thousand cubic meter experimental device

采用罗茨风机将煤层气增压至所需压力并将其作为千方级实验的原料气，经过流量调节阀调整，再由涡街流量计检测流量后通过喷雾装置；实验原料气通过喷雾装置加湿后进入旋风分离器进行脱水，旋风分离器进气和出气口设置露点仪检测气体露点。

实验设定旋风分离器脱水效率为:

η=(1-mc/mj)×100%

其中，mj为旋风分离器进口露点折算气体单位体积含水量，kg/Nm3；mc为旋风分离器出口露点折算气体单位体积含水量，kg/Nm3。

2 实验结果分析

2.1 进气压力对脱水效率及压降的影响

通过减压阀和罗茨风机的运行功率调整原料气压力至5 kPa、10 kPa、20 kPa、40 kPa、100 kPa、300 kPa、600 kPa。通过露点仪检测原料气进气前后露点的变化，分析气体压力变化对自制旋风分离器脱水效率的影响。进气压力对脱水效率及脱水后压降影响的实验结果见表1。

表1 进气压力对脱水效率及脱水后压降的影响Table 1 Influence of inlet pressure on dehydration efficiency and pressure drop after dehydration

由表1可知:当进气压力逐渐增加时，进气压力对自制旋风分离器的脱水效率及脱水后压降影响较小。流量为200 Nm3/h、2 000 Nm3/h时进气压力对脱水效率和脱水后压降的影响分别如图3、图4所示。

图4 流量为2 000 Nm3/h时进气压力对脱水效率和脱水后压降的影响Fig.4 Effect of inlet pressure on dehydration efficiency and pressure drop after dehydration when the flow is 2 000 Nm3/h

由图3可知:当进气流量稳定在200 Nm3/h时，进气压力由5 kPa增加至600 kPa的过程中，自制旋风分离器的脱水效率始终保持在96%～97%，同时脱水后气体的压降也保持在550 Pa左右，均未出现大幅波动。该现象说明在进气流量为200 Nm3/h时，进气压力对自制旋风分离器脱水效率和脱水后压降基本没有影响。

图3 流量为200 Nm3/h时进气压力对脱水效率和脱水后压降的影响Fig.3 Effect of inlet pressure on dehydration efficiency and pressure drop after dehydration when the flow is 200 Nm3/h

由图4可知:当进气流量稳定在2 000 Nm3/h时，进气压力由5 kPa增至600 kPa的过程中，自制旋风分离器的脱水效率保持在94%～95%；脱水后气体的压降也约保持在413 Pa，均未出现大幅波动，说明进气流量为2 000 Nm3/h时，进气压力对自制旋风分离器脱水效率和脱水后压降基本没有影响。

2.2 进气流量对脱水效率及压降的影响

使用设计处理能力为200 Nm3/h的旋风除雾器完成进气量对脱水效率影响实验，设定气体压力为40 kPa。调节进气流量至140 Nm3/h、160 Nm3/h、180 Nm3/h、200 Nm3/h、220 Nm3/h、240 Nm3/h、260 Nm3/h。使用设计处理能力为2 000 Nm3/h的旋风除雾器完成进气量对脱水效率影响实验，设定气体压力为40 kPa。调节进气流量至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。通过露点仪检测原料气进气前后露点的变化，分析气体压力变化对自制旋风分离器脱水效率的影响，实验结果见表2。由表2可知:当进气流量变化时，进气流量对自制旋风分离器脱水效率和脱水后气体压降有较大影响。进气流量变化对脱水效率和脱水后压降的影响分别如图5、图6所示。

图5 进气流量变化对脱水效率的影响Fig.5 Influence of inlet air flow change on dehydration efficiency

表2 进气压力对脱水效率及脱水后压降的影响Table 2 Influence of inlet pressure on dehydration efficiency and pressure drop after dehydration

图6 进气流量变化对脱水后压降的影响Fig.6 Influence of inlet air flow change on pressure drop after dehydration

由图5、图6可知:当进气流量稳定由140 Nm3/h增加至260 Nm3/h时，自制旋风分离器的脱水效率由95.4%逐渐增加至97%，同时脱水后气体的压降由521 Pa逐渐增加至581 Pa。该现象说明进气流量的增加可提高自制旋风分离器的脱水效率，但使自制旋风分离器脱水后压降升高；当进气流量稳定由1 400 Nm3/h增加至2 600 Nm3/h时，自制旋风分离器的脱水效率由93.2%逐渐增加至97.2%，同时脱水后气体的压降由392 Pa逐渐增加至469 Pa。该现象说明进气流量的增加可提高自制旋风分离器脱水效率，但使自制旋风分离器脱水后压降升高。

2.3 与市售普通旋风分开器对比实验

采用普通旋风分离器(DⅢ型)与自制旋风分离器在不同气速条件下进行对比实验，实验结果如图7所示。由图7可看出，当普通旋风分离器(DⅢ型)的气体流速由12 m/s增至25 m/s时，其分离效率由83.7%提升至86.1%，说明普通旋风分离器对液态水的分离效率基本维持在83%～87%。但自制旋风分离器气体流速由12 m/s增至25 m/s时，其分离效率由92.6%提升至94.2%，说明自制旋风分离器对液态水的分离效率可达到92%～95%，即明显优于普通旋风分离器的脱水效率。同时将自制旋风分离器直筒段直径由150 cm放大至426 cm后，发现其分离效率无明显下降。

图7 自制旋风分离器与普通旋风分离器效率的对比关系Fig.7 Comparison of efficiency between self-made cyclone separator and ordinary cyclone separator

3 结 论

(1)进气压力由100 kPa逐渐增加至600 kPa的过程中，旋风除雾器的脱水效率及脱水后压降均未发生明显变化，说明进气压力对自制旋风分离器的脱水效率和脱水后压降几乎没有影响。

(2)当进气流量提高时，旋风除雾器的脱水效率提高，但提高进气量同样会导致旋风除雾器脱水后压降的提高。

(3)自制旋风分离器的脱水效率可达到92%～95%，该脱水效率明显优于普通旋风分离器的脱水效率。