3M高流量過濾系統--天然氣凈化處理中的綜合過濾解決方案
來源：3M中國有限公司 閱讀：5251 更新時間：2008-11-26 14:30
圖1 3M Petro-Klean 高流量剛性濾芯（壓題圖）
概要：天然氣凈化處理工藝中涉及很多過濾應用，包括氣體過濾和液體過濾。本文重點介紹了3M過濾產品在胺液脫硫工藝中天然氣進口過濾和胺液過濾的應用。結合工藝過程介紹和具體案例的數據分析，顯示了3M高流量過濾系統在天然氣凈化處理工藝中具有的巨大優勢，同時為天然氣凈化工藝的系統過濾解決方案提供了參考或選擇依據。
天然氣作為一種重要的化工原料和潔凈、方便、高效的優質燃料，其開發和利用日益受到全球關注。目前我國出產的天然氣中含有H2S、CO2和其它有機硫化合物。這些氣相雜質的存在會造成設備的腐蝕、催化劑中毒以及終端產品質量不合格等問題。大量的酸性氣體外排還會嚴重污染環境。而CO2含量過高則會使天然氣的熱值達不到要求。因此，在天然氣外輸以前，必須對天然氣進行凈化處理，下面就胺液脫硫工藝中天然氣進口過濾和胺液過濾做一個簡單介紹。
天然氣進口過濾
從井底采出的含有液固體雜質的高壓天然氣通過采氣管線輸送到集氣站，在集氣站通過加熱、節流、分離、脫水、計量等工藝過程后，再通過集氣支、干線輸送到凈化廠．但是由于各種原因，送到凈化廠的天然氣仍然含有一定量的液體或固體雜質。如果不對這些液體或固體雜質進行過濾和分離，這些雜質將進入胺液系統，影響胺液脫硫效率或產生其它工藝危害。天然氣中液、固雜質主要包括：
（1） 天然氣夾帶的固體顆粒雜質。
（2） 井筒、管線、設備等的腐蝕產物，如FeS。
（3） 天然氣中攜帶的凝析油、防腐蝕的緩蝕劑、防凍劑甲醇等液體雜質。
圖2為原料氣過濾、分離的示意圖，其中3M Petro-Klean濾芯可用來去除原料氣中的固體顆粒雜質，防止固體雜質其對下游的胺液脫硫系統造成污染。
圖2 天然氣進口過濾、分離示意圖
Petro-Klean是3M絕對精度過濾濾芯（Beta值為1000，過濾效率為99.9%），是專門為石油天然氣行業開發的過濾產品。Petro-Klean采用專利制作工藝使濾芯具有漸緊孔經結構（見圖3）和剛性的特點。漸緊孔經結構是指濾芯從外向內密度逐漸增大，形成外松內緊的結構．就天然氣進口過濾而言，推薦使用2微米或者5微米絕對精度過濾產品（有時候需要檢測原料氣質量進行選型）．采用漸緊孔徑結構設計的Petro-Klean濾芯可以將原料氣中大于2微米或者5微米的雜質在濾芯內部的相應位置被相應孔徑的過濾層所捕捉，2微米的雜質在濾芯的最內層被捕捉，在保證濾芯過濾精度的同時還防止濾芯過早被堵塞，增大了濾芯的容污能力，延長了濾芯的使用壽命。剛性結構意味著濾芯耐壓強度高，在過濾過程中不會由于壓差變化發生旁漏和擊穿現象。另外，Petro-Klean濾芯還采用了專利的溝槽設計。過濾理論認為，增加濾芯的過濾面積X%,濾芯的使用壽命遠增加X%。通過在濾芯外表面開設溝槽，可以增大濾芯的過濾面積，降低濾芯單位面積的流量，從而大大延長濾芯的使用壽命，降低過濾成本。最重要的是，由于天然氣流量非常大，在設計過濾系統的必須考慮濾芯的綜合成本（包括容器的初期投入，濾芯的日常更換成本等），而Petro-Klean濾芯除了有標準尺寸的型號外，還根據天然氣行業的特殊性，開發了具有大尺寸（包括濾芯外徑、內徑）和超長長度的濾芯（見表1）。濾芯直徑的增大和長度的增長，可以增加單只濾芯的流量，大大降低過濾容器的初期投入成本。
圖3 Petro-Klean濾芯專利的漸緊孔徑設計
表1 Petro-Klean濾芯尺寸選擇
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尺寸選擇 |
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濾芯型號 |
PG模式 |
336模式 |
標準工業模式 |
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內徑 |
3 1/8”(79.4 mm) |
1 15/32”(37.3 mm) |
1 1/16”(26.9 mm) |
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外徑 |
4 1/2”(114.3 mm) |
2 25/32”(70.6 mm) |
2 19/32”(65.9 mm) |
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濾芯長度 |
24”~72” (610~1829 mm) |
36”~72” (914~1829 mm) |
9 3/4”~40” (248~1829 mm) |
胺液脫硫
天然氣經過進口分離、過濾后，較潔凈的天然氣從胺液接觸塔底部進入吸收塔內由下向上流動，與從上而下的胺液逆流接觸，脫除其中的硫化氫和部分二氧化碳（具體工藝流程參見圖4）。胺液系統常見的問題有發泡、攔液、系統腐蝕等。其中發泡現象最為普遍也最為嚴重，而引起脫硫溶液發泡原因主要有：
1，醇胺的降解產物
2，溶液中的固體雜質
3，胺液中的重烴類物質（油）
4，胺液質量問題
5，工藝條件
一般認為，胺液中的固體顆粒雜質對胺液發泡影響非常明顯，降低胺液中固體雜質的含量是減少胺液發泡的重要手段之一，因此選用合適的過濾系統尤為重要。胺液系統中的固體顆粒雜質來源十分復雜，主要有：在凈化裝置脫除硫過程
圖4 胺液脫硫工藝流程示意圖
中由于腐蝕產生的硫化亞鐵等雜質；天然氣中夾帶的固體雜質；活性碳過濾器泄漏的顆粒；補加水中的雜質；過濾器選材不當引入的雜質等。胺液過濾經驗認為，胺液過濾系統中的固體顆粒粒徑主要分布在5微米至40微米左右（圖5為某天然氣凈化廠胺液中固體顆粒雜質粒徑分布），去除胺液中5微米以上的固體雜質就能有效降低胺液發泡機率。胺液系統一般采用三段過濾，第一段為預過濾，過濾精度為10微米或者10微米以上，其目的是去除胺液中大于10微米的固體顆粒雜質，同時避免顆粒雜質進入活性碳過濾器、延長了活性碳過濾器的使用壽命；第二段為活性碳過濾器，主要是去除胺液中的重烴類物質；第三段為5微米的顆粒過濾器，其主要目的是去除胺液中5微米以上的固體顆粒雜質，同時捕捉由于在高速流體的沖刷下產生的活性碳小顆粒。
表2為某天然氣凈化廠胺液系統使用3M 700系列高流量濾芯的實驗數據。實驗采用兩組746B（15um）濾芯對貧液進行全流過濾。第一組746B濾芯在達到更換壓差0.36 MPa時更換，濾芯的使用壽命為5小時左右，胺液從深黑色變成棕色，說明濾芯具有良好的過濾效果。第二組濾芯運行6小時后壓差僅為0.01MPa，胺液顏色從棕色變為淺棕色，胺液已基本透明。說明第一組濾芯已經將胺液中大部分固體顆粒雜質過濾掉，第二組濾芯的使用壽命自然大大增加，從試驗效果來看，3M 746B濾芯的過濾效果非常明顯。
為了對比746B濾芯與客戶現有過濾系統的濾芯，在生產現場使用激光粒度儀檢測過濾前后貧液中的粒子含量并計算出過濾效率。從表2中可以看出，使用3M 746B濾芯僅僅5個小時，胺液中粒子含量明顯降低，而且其過濾效率遠遠高于現有的過濾系統。值得提及的是，由于3M 746B濾芯具有梯度過濾的效果，即746B濾芯對15微米的過濾效率為99%，而且對15微米以下的固體顆粒雜質也有一定的過濾效果，從表2中可以看出，746B濾芯對15微米的過濾效率為99%，對10微米固體雜質的過濾效率達到96%，對5微米的固體顆粒雜質也達到了86%。700系列高流量濾芯的特點已經在《流程工業》2005年第6期做過詳細介紹。
表2 不同過濾系統過濾效率比較
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粒徑，(um) |
5 |
10 |
15 |
20 |
25 |
50 |
合計 |
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過濾前（A) |
34559 |
28536 |
20105 |
12072 |
4252 |
10 |
99534 |
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過濾前（A) |
25687 |
24134 |
18305 |
3424 |
2356 |
8 |
73914 |
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總過濾效率 |
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26% |
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過濾前（B) |
31580 |
28857 |
24591 |
19506 |
9176 |
323 |
114033 |
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過濾后（B) |
4304 |
1134 |
399 |
157 |
62 |
1 |
6057 |
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總過濾效率 |
86% |
96% |
98.40% |
|
|
|
95% |
總結
本文重點介紹了3M 過濾系統在天然氣處理中天然氣進口過濾和胺液過濾系統的應用，從試驗結果和案例分析可以看出其在天然氣處理中具有良好的應用。值得提及的是，3M 過濾系統在天然氣處理中其它過濾點以及煉油廠也有廣泛的應用，如天然氣井口過濾、集氣站過濾、乙二醇脫水過濾、煉油廠胺液系統等，3M 都可以根據客戶不同要求提供系統的過濾解決方案。
