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概述
一、天然气中的主要杂质及危害
从地层中开采出来的天然气往往含有砂和混入的铁锈等固体杂质,以及水、水蒸气、硫化物和二氧化碳等有害物质。
砂、铁锈等尘粒随气流运动,磨损压缩机、管道和仪表的部件,甚至造成破坏。有时还会积聚在某些部位,影响输气的正常进行。
水积聚在管道低洼处,减少管道输气截面,增加输气阻力。水又能在管壁内壁上形成一层水膜,遇酸性气体(HS,CO等)形成酸性水溶液,对管内壁腐蚀极为严22重,是造成输气管道破坏的重要原因之一。水在一定温度和压力条件下还能和天然气中的某些组分生成冰雪状水合物(CH・nHO等),造成管路冰堵。
天然气中的硫化物分为无机的和有机4的两2种。无机的主要是硫化氢,有机的主
要是二硫化碳(CS)、硫氧化碳(COS)等。硫化氢及其燃烧产物二氧化硫(SO)
22都具有强烈刺鼻气味,对眼黏膜和呼吸道又破坏作用。空气中硫化氢含量大于910mg/m3(%)时,人呼吸1h就会严重中毒。%(体积分数)二氧化硫时,人呼吸短时间就会有生命危险。硫化氢和二氧化碳还是一种腐蚀剂,尤其在有水存在时更是如此。含有硫化物的天然气作为化工原料很容易使催化剂中毒,生产无法进行,生产的产品质量也不好。另一方面,天然气中硫化氢又是制造硫、硫酸、化肥的重要原料,不应让它混在天然气中白白浪费掉。
CO遇水生成碳酸,除腐蚀管壁外,还影响天然气热值。
因2此,天然气进入输气干管之前必须净化,除去尘粒、凝析液、水及其他有害组分。
二、气质标准
天然气净化的指标和要求目前尚无统一规定,各国也不尽相同。商品天然气以管道送往用户,因用户对气质的要求不同,天然气的质量指标也有区别。我国颁布的国家标准《天然气》(GB17820—1999)对天然气的质量要求如下:
高发热值:
MJ/m3
A组
>
〜
I
II
III
总硫含量:
mg/m3
<150
<270
<480
>480
HS含量:
mg/m3
<6
<20
实测
实测
2
CO含量:
%(体积分数)
<3
<3
实测
实测
水分(固体):无游离水
此外,《输气管道工程设计规范》(GB50251—2003)中规定:水露点应低于输送条件下最低管输气体温度5°C。
天然气中重烃的凝析会使管道积液,降低管道输送能力,但少量凝析油附在管壁上形成油膜,有利于防腐。我国对烃露点的控制较松,规定比水露点高5〜8C。某些国家如前苏联、荷兰规定的水露点和烃露点相同。
北美地区输气管网大致要求为:1Nm3气体,含水量不超过95~125mg;〜2mg/m3;含水量,德国要求低于80mg/m3,法国要求低于58mg/m3。述要求都是对管道输气而言,从中可以看出:
(1)对硫化氢的限制远比生活用气的卫生标准高得多。这些国家生活用气标准规
定的硫化氢含量大都在15~30mg/m3之间,我国生活用气卫生标准规定为20mg/m3以下。管道输气标准这样高,是为了保证管道、设备和仪器不被腐蚀。
(2)供长输的天然气,其脱水深度以确保在输送过程中个水蒸气不致凝析和形成水合物为原则,所以天然气的露点应比管道输气的最低温度低5〜10°C。我国正在制定管输天然气的要求和标准。目前输气中建议的标准是:硫化氢含量不大于10mg/m3;气体的露点应比最低输气温度低5C。
三、净化方法分类
天然气净化的常用物理方法有:
(1) 分离和过滤。是除去固体尘粒和气体中夹带液体的主要方法。如重力或旋转式分离器都是根据气固、气液两相存在密度差原理工作的。
(2) 冷凝分离。利用低温操作使水和重烃凝析成液体,从气流中分出。
(3) 吸附法。气相或液相中某一部分在固体吸附剂表面浓聚的现象称为吸附。若被吸附物质和吸附剂间无化学反应,称物理吸附;否则,称化学吸附。吸附剂只对气流中的某种组分吸附,使该组分和气流分离。物理吸附时,随工况改变(如温度升高)会使被吸附物质脱离吸附剂表面,使吸附剂恢复吸附能力,这一过程称为再生。
(4) 吸收法。某种液体能选择性地吸收气体中的某种组分,使它与气流分离,这种液体称吸收剂。按两者是否能发生化学反应,也可分为物理吸收和化学吸收两种。物理吸收时,也可采取措施使被吸收物质和吸收剂分开,这一过程称为解析。解析能使吸收剂再生并重复使用。
(5) 直接转化法。通过某种化学反应,使杂质转化为无害化合物或易于除去的化合物。
(6) 综合法。以上方法的综合利用。
分离和除尘天然气输送系统中的液体和固体杂质主要来自于3各方面:采气时井下带来的凝析油、凝析水、岩屑粉尘;管道施工时留下的脏物和焊渣;管内的锈屑和腐蚀产物。输气管道中气体的含尘量一般为1〜2mg/m3,除尘不好的可高达7〜10mg/nt。粉尘中以氧化铁最多,占90%以上。
下面是我国输气管配气站内分离器中尘粒的分析结果:
粒径/um
含量/%
0〜
〜5
5〜10
10〜15
20〜25
25〜30
35〜40
40〜45
45〜50
50〜55
最大为630
天然气的含尘量,根据国家标准规定:生活用气含尘量小雨1mg/m3,工业用气小于4〜6mg/血。但是天然气压缩机的要求远比这些规定严格得多,一般式:〜,含尘粒径小于10〜30um,,最大李晶不超过
5um。
为了减少粉尘和防止仪表、调压阀的指挥机构等因为堵塞而失灵,常采取如下措施:
(1) 脱出天然气中的水蒸气、氧、硫化物、二氧化碳等组分,减少管内腐蚀;
(2) 采用管内壁防腐涂层,保护管材;
(3) 定期清扫管线;
(4) 在允许的情况下,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;
(5) 在集气站、压气站、配气站、调压计量站等处设分离器、除尘器和过滤器,脱出各类固(液)体杂质。
下面介绍几种常用的分离器、除尘器和过滤器。
一、 重力式分离器重力式分离器有立式和卧式两类,各种重力式分离器的原理基本相同,由分离、沉降、除雾和储存4个部分组成。
分离段:气体从切线方向进入分离器,在离心力的作用下,气体中的固(液)体微粒初步得到分离。在另一类型的分离器中,气体从中心进入分离器,经弯头喷向三兴板,气体中的微粒被粘附而达到初步分离。
沉降段:气体得到初步分离后,由于分离器的流动截面大,气体流速降低,当气体的上升速度低于微粒的沉降速度时,气体中的微粒就会向下沉降而分离。沉降段是重力式分离器清除较大尘粒的主要阶段。
除雾段:该段中安装了捕雾器,它有两种结构,一种为板翼状,一种为网垫,板翼状捕雾器利用曲折通道,改变气流方向,使固(液)体颗粒碰撞在板翼上而附着。网垫捕雾器是由金属丝或化学纤维编织成网,再不规则地叠成网垫,厚100〜150mm。网垫捕雾器主要是靠碰撞捕集油雾的。捕雾器一般能除去10〜30um直径的微粒。
储存段:目的是储集前三部分所分理出来的固(液)体微粒,故储存段要有足够的体积,并安装有液面指示装置。储存段应避免与上升的气流接触而将沉降下的固液体微粒带走。
输气管上曾经普遍应用过立式油除尘器,其原理和立式重力分离器一样,不过
内部装入了锭子油,更有利于脱出固体尘粒,〜10um的尘粒,但由于其体积大,结构笨重,又要消耗锭子油,目前已很少使用。
二、 旋风分离器旋风分离器又称离心式分离器,是一种处理能力大,分离效果好的干式除尘
设备,结构良好的旋风分离器可将大于5um的尘粒基本除去,因而在工业上得到广泛应用。气体从切线方向进入分离器,并做回转运动,由于气体和固(液)体颗粒的密度不同,产生的离心力就不同,因而密度大的颗粒被抛向外圈,并在重力作用下向下运动,从排污口排出;密度小的的净化气体在内圈,并上升至出口。
三、 多管旋风分离器
多管旋风分离器的基本原理与普通旋风分离器相同,它只是多个微型的旋风分离器—旋风子中气体得到净化,净化的气体向上逸出,而尘粒则向下沉淀于容器的底部。
常用的旋风子有轴流式和蜗壳式两种。气流由轴向进入,气流漩涡运动由螺旋叶片产生的称为轴流式;气流沿切线方向进入旋风子,内缘与气体相切,外缘沿渐开线外壳运动的称为蜗壳式。
多管旋风分离器不但增加了分离器的处理能力,而且提高了净化程度。据国外资料介绍,这种分离器可以全部脱除粒径
8um以上的尘粒,并可脱除约50%的粒径2um左右的尘粒。由于它是一种干式的分离效果良好的分离器,因此在气体除尘上得到了广泛应用。
四、 过滤分离器
过滤器是设置在流体系统中,用于过滤流体中的粒子以控制污染的一种装置。常用的过滤方法有表面过滤和深度过滤两种。
表面过滤:表面过滤是固体染污物的粒子由碰撞而滞留在单一平面或面上的毛孔或通路的基体上,过滤作用仅仅发生于这一表面上。表面过滤能有效地收集大于毛孔尺寸的粒子,但却不能收集纤维和比毛孔尺寸小的粒子。
深度过滤(又称深层过滤):深度过滤是固体污染物由于碰撞而留在连续的(或深度的)毛孔介体上。过滤不仅在介体表面进行,而且还在介体的整个厚度上进行。深度过滤器能有效地收集大于最大毛孔尺寸的粒子和纤维,同时,凭借其过滤介体的型式和厚度,它也能收集一部分比最大毛孔尺寸小的污染物。
20世纪80年代四川石油设计院(现CPE西南分公司)在引进国外装置的同时,结合我国的国情研究设计出国产过滤分离器,并推广使用到过内外天然气净化装置上。90年代末,在引进撬装脱水装置时,又同时从加拿大MI公司引进了F2201型卧式过滤分离器。近年来,中石油工程公司西南分公司与有关单位一起又对上述结构的过滤分离器进行了进一步改进,使用效果较好。
天然气脱水
在长距离输送过程中,含水量较多的天然气常常会发生下列问题:
(1) 水汽与天然气的某些组分生成冰雪状的水合物,堵塞管道和仪表;
(2) 凝结水积聚在管道的低洼部位,降低管道的输气能力,增加动力消耗;
(3) 酸性气体,如H2S、CO2溶于水中,造成内壁腐蚀。
因此,天然气长距离输送前必须有效地脱出其中水分。所谓有效地脱出,就是指在输送的最高压力和最低温度下,天然气中的水分尚处于不饱和状态,相对湿度为60%〜70%,或者在输送压力下天然气的露点比最低输送温度低5〜10C。
随采用的天然气净化处理工艺的不同,脱水要求的深度也不同。常见的脱水方法如下:
(1) 低温脱水。
(2) 吸附法。
(3) 甘醇脱水。
脱硫脱二氧化碳
天然气按H2S和CO2的多少可分为4类:
(1) 无硫或微含硫天然气,H2S和CO2含量符合管输要求,不需净化。
(2) 低含硫天然气,%~%。
(3) 中含硫天然气,H2S体积分数为1%~%,CO2体积分数为6%~8%。
(4) 高含硫天然气,H2S体积分数一般为4%~8%..针对不同原料气提出的脱硫和二氧化碳方法不下数十种,大致可分为六大类:
化学溶剂法
物理溶剂法
直接转化法
干式床层法
膜分离法
变压吸附法